物理實(shí)驗(yàn)概述與設(shè)計(jì)(第1章)課件

物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院程敏熙chengminxi@163.com物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究華南師范大學(xué)物理與電信工程1參考書：張德啟.物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.科學(xué)出版社2005.8朱鶴年編著.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教程－物理測量的數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).高等教育出版社.2003李靜、厲志明.普通物理實(shí)驗(yàn).華南理工大學(xué)出版社.1994.張軍鵬主編.物理教學(xué)與學(xué)業(yè)評價.廣東教育出版社.2005參考刊物：《物理實(shí)驗(yàn)》、《教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)》（原版、新課程研究、中學(xué)版）、《實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器》目前在用的中學(xué)物理教材參考書：2

第1章物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)研究1.1課程的目的與任務(wù)（1）學(xué)習(xí)和討論初中、高中新課程標(biāo)準(zhǔn)，明確中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，提高中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能。（2）改變自身的教育理念，發(fā)揮各種物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的作用（分組實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)、課外實(shí)驗(yàn)等），促進(jìn)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的形成和發(fā)展。（3）熟悉中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)基本儀器，熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。親自參與和指導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)。（4）開展物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和教學(xué)設(shè)計(jì)的研究，建設(shè)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室。發(fā)動同事、領(lǐng)導(dǎo)重視物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。第1章物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)研究1.1課程的目的與任務(wù)31.2課程的教學(xué)要求（1）強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)，發(fā)展能力（強(qiáng)調(diào)基本原理、強(qiáng)調(diào)基本儀器和工具、強(qiáng)調(diào)基本方法和技術(shù)、強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)操作能力和觀察能力）（2）突出學(xué)生主體地位（教、學(xué)角色的轉(zhuǎn)變；運(yùn)用各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式：演示、分組、課外）（3）重視現(xiàn)代化手段在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用（電化教育設(shè)備、計(jì)算機(jī)軟件和硬件、計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)）（4）形成合理地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教與學(xué)評價的理念1.2課程的教學(xué)要求41.3物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展中的作用（1）物理實(shí)驗(yàn)的概念物理學(xué)的基本特點(diǎn)是它的實(shí)踐性，它是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的高度定量化的科學(xué)。物理學(xué)是人類認(rèn)識物質(zhì)世界及其運(yùn)動規(guī)律的基本途徑，是物理知識的源泉，也是檢驗(yàn)物理理論的標(biāo)準(zhǔn)。1.3物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展中的作用5科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對人才的開拓、創(chuàng)新能力提出了越來越高的要求，因此，學(xué)校教育中加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)和訓(xùn)練，強(qiáng)化物理實(shí)驗(yàn)課已成為深化教育改革的一項(xiàng)重要任務(wù)。物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從教學(xué)的角度來說，能幫助教師講解新概念、傳授新知識。從學(xué)習(xí)的角度來說，能幫助學(xué)生理解概念，鞏固已經(jīng)學(xué)會知識，提高學(xué)習(xí)興趣。科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對人才的開拓、創(chuàng)新能力提出了越來越高的要6（2）什么是物理實(shí)驗(yàn)？

物理實(shí)驗(yàn)是人們在一定調(diào)控條件下，借助一定的觀測手段，有目的有計(jì)劃地對物理客體進(jìn)行直接觀測研究的探索活動，其目的在于認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)，探索物理變化的特性和規(guī)律，揭示各種物理因素之間的聯(lián)系和物理現(xiàn)象的本質(zhì)，或者對物理理論進(jìn)行驗(yàn)證。（2）什么是物理實(shí)驗(yàn)？物理實(shí)驗(yàn)是人們在一定7物理實(shí)驗(yàn)的含義：要運(yùn)用儀器設(shè)備，人為地控制、創(chuàng)造或純化某種自然過程，使它按預(yù)期的進(jìn)程發(fā)展，也可以讓它重復(fù)、再現(xiàn)，同時盡可能減少干擾地進(jìn)行觀測，以實(shí)驗(yàn)者為主體探究物理過程變化規(guī)律的科學(xué)活動。是搜集事實(shí)、取得經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)規(guī)律的必要途徑。物理實(shí)驗(yàn)的含義：要運(yùn)用儀器設(shè)備，人為地控制、創(chuàng)造或純化某種自8（3）物理實(shí)驗(yàn)的基本結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)者——實(shí)驗(yàn)活動的主體，處于主動地位，對實(shí)驗(yàn)過程起主導(dǎo)作用。實(shí)驗(yàn)對象——實(shí)驗(yàn)研究的客體，含天然客體、人工制備的樣品或模擬物，是信息源。實(shí)驗(yàn)儀器——實(shí)驗(yàn)者與實(shí)驗(yàn)對象之間傳遞雙向作用的中介物，是實(shí)驗(yàn)者作用于實(shí)驗(yàn)對象的一切物質(zhì)手段的總和。其主要作用是延長人的感官甚至人腦的部分功能。（3）物理實(shí)驗(yàn)的基本結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)者——實(shí)驗(yàn)活動的主體，處于主動地9（4）物理實(shí)驗(yàn)的基本分類天然客體物理實(shí)驗(yàn)——以天然客體或天然物理現(xiàn)象為實(shí)驗(yàn)對象。整個自然界是物理學(xué)永恒的實(shí)驗(yàn)室。（缺點(diǎn)是重復(fù)周期較長，條件難控制）人工制備樣品物理實(shí)驗(yàn)——人為純化或人工制備的樣品代替原型作為實(shí)驗(yàn)對象。樣品與原型要“同態(tài)”、“同構(gòu)”。這兩大類型的實(shí)驗(yàn)研究各具有優(yōu)點(diǎn)和局限性，又具有互補(bǔ)性。（4）物理實(shí)驗(yàn)的基本分類天然客體物理實(shí)驗(yàn)——以天然客體或天10（5）物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展中的作用①發(fā)現(xiàn)新事物、探索新規(guī)律。如：伽利略斜面實(shí)驗(yàn)、胡克彈性實(shí)驗(yàn)、波意耳空氣壓縮實(shí)驗(yàn)、庫侖定律、歐姆定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、光的干涉、衍射、偏振；X射線、放射性；發(fā)現(xiàn)電子、原子核及其電荷；超導(dǎo)等等。（5）物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展中的作用①發(fā)現(xiàn)新事物、探索新規(guī)律。11②驗(yàn)證理論。如：驗(yàn)證愛因斯坦的相對論實(shí)驗(yàn)、時空彎曲、引力紅移等；赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)麥克斯韋電磁場理論；電子衍射證實(shí)德布羅意的物質(zhì)波理論。

（理論是物理學(xué)是核心，理論必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。理論與實(shí)驗(yàn)之間是相輔相成的辨證關(guān)系。沒有實(shí)驗(yàn)，理論是空洞的；沒有理論，實(shí)驗(yàn)是盲目的。）②驗(yàn)證理論。12③測定常數(shù)（物質(zhì)常數(shù)：ρ、n，基本常數(shù)：c、e、k、h）。常數(shù)之間的協(xié)調(diào)是檢驗(yàn)物理理論的重要途徑。④推廣應(yīng)用。X射線、無線電、超導(dǎo)、核磁共振等③測定常數(shù)（物質(zhì)常數(shù)：ρ、n，基本常數(shù)：c、e、k、h）。13（6）當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)方法和發(fā)展的特點(diǎn)和趨勢實(shí)驗(yàn)和理論的結(jié)合越來越緊密，成為不可分割、互相依賴的結(jié)合體，實(shí)驗(yàn)需要理論尤其是實(shí)驗(yàn)理論的指導(dǎo)，在理論的預(yù)測和條件范圍內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)需要更先進(jìn)的技術(shù)和儀器設(shè)備。更深入、更細(xì)微、更遠(yuǎn)的距離、更高或更低的溫度、更短的時間、結(jié)果更精確。（6）當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)方法和發(fā)展的特點(diǎn)和趨勢實(shí)驗(yàn)和理論的結(jié)合越來14物理實(shí)驗(yàn)方法和其他學(xué)科的結(jié)合向其他學(xué)科滲透，使得新的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)更快地推廣應(yīng)用在各個領(lǐng)域。當(dāng)代前沿的物理實(shí)驗(yàn)越來越成為大規(guī)模的、集體的、綜合的工程。它的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)轉(zhuǎn)使用，輔助和配套的工作等都需要各方面的科學(xué)家和工程技術(shù)人員共同合作完成，前沿尖端的實(shí)驗(yàn)還需要國際間的合作。物理實(shí)驗(yàn)方法和其他學(xué)科的結(jié)合向其他學(xué)科滲透，使得新的實(shí)驗(yàn)方法151.4物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)中的作用（1）實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)創(chuàng)造性人才的必經(jīng)之路中國老一輩科學(xué)家的成功經(jīng)驗(yàn)：葉企孫培養(yǎng)了王淦昌、王竹溪、趙丸章、錢偉長、鄧稼先、周光召等5O多名院士和楊振寧、李政道兩名諾貝爾獎獲得者。（2）創(chuàng)設(shè)物理情景，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和求知欲望。（科學(xué)研究與物理教學(xué)均必需）（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)是發(fā)展學(xué)生探究能力的重要途徑（手腦并用、環(huán)境與資源運(yùn)用）1.4物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)中的作用（1）實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)創(chuàng)造性16（4）物理實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)方法的教育（弘揚(yáng)科學(xué)精神、掌握科學(xué)方法、樹立科學(xué)態(tài)度）科學(xué)精神--P17.（懷疑、求實(shí)、創(chuàng)新、實(shí)踐、人文）科學(xué)方法--P18~21.（思維方法、數(shù)學(xué)方法、測量方法、觀察方法）科學(xué)態(tài)度—P21.（嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是、堅(jiān)韌不拔）（4）物理實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)方法的教育（弘揚(yáng)科學(xué)精神、掌握科學(xué)方法171.5物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本形式（1）課堂演示實(shí)驗(yàn)（教師為主體)（2）學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)（學(xué)生為主體)（3）邊教邊實(shí)驗(yàn)（邊學(xué)邊實(shí)驗(yàn)，教師與學(xué)生角色互換）（4）課外實(shí)驗(yàn)與制作自制學(xué)具、自制教具、課外探究與實(shí)踐、社會生活的物理問題探究1.5物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本形式（1）課堂演示實(shí)驗(yàn)（教師為主體)181.6本課程設(shè)計(jì)與研究的內(nèi)容（1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)某個物理量的測量方法、某個物理規(guī)律的驗(yàn)證探究、改進(jìn)某個實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、自制學(xué)具教具（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段的設(shè)計(jì)針對各種物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式(演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、邊教邊實(shí)驗(yàn)、課外實(shí)驗(yàn)與制作）、傳統(tǒng)與現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法的教學(xué)設(shè)計(jì)（3）關(guān)注實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性（有效率、有效果、有效益）（4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)心理的研究情感態(tài)度與價值觀（主動與被動、積極與懈怠、堅(jiān)持與放棄）（5）物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的測量和評價研究1.6本課程設(shè)計(jì)與研究的內(nèi)容（1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)19第一章（補(bǔ)充）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原理和方法第一章（補(bǔ)充）20一、實(shí)驗(yàn)的基本特點(diǎn)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簽榱税l(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、探究新規(guī)律。2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：由需要探索的新問題而定，其內(nèi)容對于科學(xué)家來說是新的，一般是未知的。3、實(shí)驗(yàn)形式：觀察現(xiàn)象、測量和記錄、計(jì)算和分析，總結(jié)出規(guī)律。最終能否得到需要的結(jié)論是未知的。4、對外公布，尋求承認(rèn)，最終確定。一、實(shí)驗(yàn)的基本特點(diǎn)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簽榱税l(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、探究新規(guī)律。21二、實(shí)驗(yàn)研究的基本方法對對象的一般觀察提出假設(shè)模型運(yùn)用數(shù)學(xué)和邏輯進(jìn)行推理實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)（忽略次要因素，創(chuàng)造理想化的物理?xiàng)l件，以求易于測量）形成理論（包括對假設(shè)進(jìn)行的修正和推廣，且理論必須服從實(shí)驗(yàn)的判決）（以上方法最早由伽利略創(chuàng)立）二、實(shí)驗(yàn)研究的基本方法對對象的一般觀察22三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本方法

1、

建立實(shí)驗(yàn)原理①

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容，確定待測物理量與其他物理量的關(guān)系，建立一定的思想基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)。如推導(dǎo)出公式。②

分析實(shí)驗(yàn)原理的科學(xué)性，原理是否正確，是否確切，與現(xiàn)行的基本原理是否沖突？三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本方法

1、

建立實(shí)驗(yàn)原理①

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3③

實(shí)驗(yàn)原理的可行性。儀器制作、器材選擇、實(shí)驗(yàn)條件和操作能否符合所求未知量的條件。如果實(shí)驗(yàn)原理不能滿足科學(xué)性和可行性的要求，或者引起邏輯混亂，則實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是不可取的。③

實(shí)驗(yàn)原理的可行性。儀器制作、器材選擇、實(shí)驗(yàn)條件和操作能否242、

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方案決定了實(shí)驗(yàn)的“框架”和“工藝”，實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方案的研究設(shè)計(jì)是最能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者的想象力等創(chuàng)造性思維能力的方面之一。要能夠抓住對象的本質(zhì)特性，建立恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头椒āＨ纾褐苯訙y量、間接測量定性、半定量、定量數(shù)值法、圖示法、精確度2、

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方案決定了實(shí)驗(yàn)的25①

自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想要清晰，找出實(shí)驗(yàn)中要解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)，確定解決方法②

根據(jù)知識結(jié)構(gòu)建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄖR面要廣）③

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ廷?/p>

設(shè)計(jì)其他實(shí)驗(yàn)方案（從另一個角度入手）⑤用相同的實(shí)驗(yàn)方法解決不同實(shí)驗(yàn)中的相同問題⑥

實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方案的比較和選擇注意點(diǎn)：①自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想要清晰，找出實(shí)驗(yàn)中要解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)，263、

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置和選擇實(shí)驗(yàn)器材（1）

分析裝置組合的原理和特點(diǎn)a、設(shè)計(jì)裝置：裝置的組合原理大多是由設(shè)計(jì)思想所決定的，組合適當(dāng)?shù)难b置才能恰當(dāng)?shù)剡x擇實(shí)驗(yàn)器材。b、考慮裝置的性能：實(shí)驗(yàn)條件是否可變，改變范圍是多少，樣品位置是否可靠，樣品能否更換，操作是否方便。3、

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置和選擇實(shí)驗(yàn)器材（1）分析裝置組合的原理27

（2）了解儀器的結(jié)構(gòu)、原理和性能a、

了解儀器面板結(jié)構(gòu)、工作原理，在整套裝置中起什么作用，輸入輸出信號的特點(diǎn)。b、

注意儀器的調(diào)節(jié)方法、技巧和操作規(guī)程。c、

注意儀器的技術(shù)參數(shù)，誤差范圍，誤差來源。

（2）了解儀器的結(jié)構(gòu)、原理和性能a、

了解儀器面板結(jié)構(gòu)、工28（3）

實(shí)驗(yàn)儀器的選擇原則a、盡可能簡單、明了、直觀、易操作。b、合理選擇精度，根據(jù)具體的目的要求來考慮，過“粗”、過“細(xì)”都會帶來麻煩。要通盤考慮，避免一臺“精”、一臺“粗”。c、

要滿足實(shí)驗(yàn)的主客觀條件。（3）實(shí)驗(yàn)儀器的選擇原則a、盡可能簡單、明了、直觀、易操作29

（4）

其他器材的選用a、

絕緣材料b、

保溫和干燥材料和設(shè)備，通風(fēng)設(shè)備c、

安全防護(hù)器具

（4）其他器材的選用a、

絕緣材料304、實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)操作（1）

實(shí)驗(yàn)條件的選擇a、

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理選擇b、

根據(jù)儀器的技術(shù)指標(biāo)選擇c、

根據(jù)誤差理論