物理實驗設(shè)計的基本方法

物理實驗設(shè)計的基本方法物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，而我們目前的物理教學(xué)，基本上是停留在關(guān)于物理學(xué)的知識系統(tǒng)的歸納和理論體系的闡述上，就連物理實驗本身的教學(xué)，也是按教材的分析按部就班地進(jìn)行純理論的講解。其弊端是顯而易見的，如果考查的實驗不是教材所限的實驗?zāi)?？一、明確目的，廣泛聯(lián)系題目或課題要求測定什么物理量，或要求^證、探索什么規(guī)律，這是實驗的目的，是實驗設(shè)計的出發(fā)點。實驗?zāi)康拿鞔_后，應(yīng)用所學(xué)知識，廣泛聯(lián)系，看看該物理量或物理規(guī)律在哪些內(nèi)容中出現(xiàn)過，與哪些物理現(xiàn)象有關(guān)，與哪些物理量有直接的聯(lián)系。對于測量型實驗，被測量通過什么規(guī)律需用哪些物理量來定量地表示；對于驗證型實驗，在相應(yīng)的物理現(xiàn)象中，怎樣的定量關(guān)系成立，才能達(dá)到驗證規(guī)律的目的......這些都是應(yīng)首先分析的。比如要測定地球表面附近的重力加速度，我們就應(yīng)在所學(xué)知識范圍內(nèi)檢索，哪些內(nèi)容涉及到重力加速度，它與其他物理量有何定量關(guān)系，并羅列出來：在靜力學(xué)中，靜止物體對豎直懸繩的拉力或?qū)λ街С治锏膲毫Υ笮【偷扔谥亓?，即T=N=mg。若T（或N）和m能測出，則重力加速度g可測定。在超重或失重（但不完全失重）系統(tǒng)中，F(xiàn)±-mg=±m(xù)a±。若F±.al和m可測出，則重力加速度g可測定。在運動學(xué)中，物體從光滑斜面上靜止下滑，s=12gsinOt2。若s、0和t可測定，則重力加速度g也可測定。在運動學(xué)中，物體從粗糙斜面上由靜止下滑，s=12（gsinO-pgcosO）t2。若s、0、p和t可測，則重力加速度g也可測定。自由落體運動中，h=12gt2。若h和t可測出，則重力加速度g也可測定。用重力加速度測定儀測定。在平拋運動中，豎直方向在連續(xù)相等的時間內(nèi)位移之差A(yù)y=gt2。若Ay和t可測，重力加速度g同樣可以測出。在斜拋運動中，水平射程可以表示為x=vo2sin20/g。若x、v0和0可測出，則重力加速度g也可測出。單擺做簡諧振動時，其周期可以表示為T=2n1/g。若T和l可測，則g可測。在焦耳測定熱功當(dāng)量的實驗中，若能測出水的質(zhì)量和升高的溫度，算出水增加的內(nèi)能，再測出重物的質(zhì)量和下落的高度，同樣可測定重力加速度。二、 選擇方案，簡便精確一般來說，選擇實驗方案主要有以下三條原則：簡便性原則即要求所選方案原理簡單、操作簡便，各量易測。應(yīng)盡量避免實施那些原理復(fù)雜、操作繁瑣和被測量不易直接測量的實驗方案?？尚行栽瓌t實驗方案的實施要安全可靠，不會對人身和器材造成危害；所需裝置和器材要易于置備，不能脫離實際，不能超出現(xiàn)有條件。精確性原則不同的實驗方案，其實驗原理、所用儀器以及實驗重復(fù)性等方面所引入的誤差是不同的。在選擇方案時，應(yīng)對各種可能的方案進(jìn)行初步的誤差分析，盡可能選用精確度高的實驗方案。在前述方案中，方案1中常用的測力計誤差較大；2中FL和al均不易測定；3中0和t不易測定且難以保證斜面足夠光滑；4中0、t和“勻不易測定；5中若用秒表計時人為因素較大，若用打點計時器計時，紙帶受振針阻力與通常小物塊所受重力相比不能忽略；6中儀器先進(jìn)但一般中學(xué)沒有；7中若用閃光照像技術(shù)則是一種好方案，但設(shè)備和技術(shù)都達(dá)不到要求，若用平拋運動的研究方法誤差較大；8中0和v0的測量難度較大；9中相對而言較切合中學(xué)實際；10中需測定的物理量多且很難采取絕熱措施；11中學(xué)階段不易測定荷質(zhì)比；12只是一個思想實驗，無法付諸實踐，但可估算，代入數(shù)據(jù)得g=9.857m/s2，與標(biāo)準(zhǔn)值9.81m/s2只相差4.8綜上所述，中學(xué)階段通常采用單擺法測定重力加速度。三、 依據(jù)方案，選定器材實驗方案選定之后，考慮該方案需要哪些裝置，被測量與哪些物理量有直接的定量關(guān)系，這些物理量分別需用什么儀器來測定，從而確定整個實驗需要哪些器材。在“用單擺測定重力加速度”的實驗中，是利用單擺裝置來進(jìn)行實驗的，故需鐵架臺、細(xì)線和擺球等來組裝單擺。重力加速度可表示為g=4n21/T2,周期需用秒表測定；擺長l是從懸點到擺球中心的距離，因此需用米尺和游標(biāo)卡尺分別測定擺線長度l和擺球直徑d。從實驗原理表達(dá)式可以看出，實驗與擺球質(zhì)量無關(guān)，故毋需使用天平。從實驗方便性和精確性角度考慮，還需對所選器材作進(jìn)一步要求，以期把系統(tǒng)誤差降到最小。如上述器材中，擺線的伸縮性和質(zhì)量應(yīng)較小，擺球的質(zhì)量應(yīng)較大。擺線伸縮性大，其長度會隨拉力變化而變化；擺球與擺線質(zhì)量相差越小，系統(tǒng)（擺線和擺球）質(zhì)心偏離擺球中心越遠(yuǎn)，誤差就越大。四、擬定步驟，合理有序?qū)嶒炛?，要做到心中有?shù)：如何組裝器材，哪些量先測，哪些量后測，應(yīng)從正確操作和提高效率的角度擬定一個合理而有序的實驗步驟.對一些可直接測量的物理量，可先行測量；對需通過實驗裝置才能測定的物