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物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計的基本方法
物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計的基本方法 物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)不是教材所限的實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計教學(xué)的必要性 １９９６年上海高考第四（５）題要求測定陶瓷管上均勻電阻膜的厚度，就屬于設(shè)計型實(shí)驗(yàn)．但由于題目給出了全部實(shí)驗(yàn)器材和所有相關(guān)量，使實(shí)驗(yàn)定位在電阻或電阻率的測定上，又大大降低了實(shí)驗(yàn)難度，只屬于局部設(shè)計型實(shí)驗(yàn)．無論命題者出于何種考慮，設(shè)計型實(shí)驗(yàn)畢竟半遮半掩地出現(xiàn)了，這多少給教學(xué)工作者提了個醒． １．從小處著眼，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計教學(xué)上海作為高考改革的試點(diǎn)城市，其成功的改革將為全國高考提供可能的改革方向，甚至一些新穎的題型和情境，都可能為全國高考所借鑒．如１９９６年全國高考第２１題就是從１９９５年上海高考第一（５）題脫胎而來的．無疑上海高考關(guān)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計的考查是又一個成功的改革舉措，極有在全國推廣的價值．而物理《考試說明》中要求“會用在這些實(shí)驗(yàn)中學(xué)過的實(shí)驗(yàn)方法”，也為實(shí)驗(yàn)設(shè)計的考查在全國的推廣提供了可能． ２．從大處著眼，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計教學(xué)著名核物理學(xué)家錢三強(qiáng)先生在為郭奕玲、沈慧君編著的《物理學(xué)史》所作的序中，曾嚴(yán)厲指出：“今天我們科學(xué)界有一個弱點(diǎn)，這就是思想不很活潑，這也許跟大家過去受的教育有一定關(guān)系……”我們常常教育學(xué)生“應(yīng)該……”“必須……”；我們的考試題目常常不惜筆墨描述背景、附加條件，最后只有一個小小的空格“是……”．這樣培養(yǎng)選拔出來的人才在學(xué)校是好學(xué)生，步入社會是好職員，大腦中只是機(jī)械地跳動著兩個問題：“你要我做什么？你要我怎么做？”工作常常：“完成”的相當(dāng)漂亮，但思想僵化，毫無創(chuàng)見．這正是我們的悲哀！長期以來的這種教育選拔模式，致使我們現(xiàn)在仍只能在很羞澀地提到幾個美籍華人時才有一種借來的榮光與自豪！ 思想不活躍，是因?yàn)槲覀兘o了學(xué)生太多的“必須”的限制；思想僵化，是因?yàn)槲覀兞艚o學(xué)生太少的“可能”的余地．實(shí)驗(yàn)設(shè)計的教學(xué)，正是活躍思想，培養(yǎng)能力的一種好方法，授以實(shí)驗(yàn)的基本方法，讓學(xué)生自己去考慮有哪些可能的做法，自己會怎么做． 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計的基本方法１．明確目的，廣泛聯(lián)系題目或課題要求測定什么物理量，或要求驗(yàn)證、探索什么規(guī)律，這是實(shí)驗(yàn)的目的，是實(shí)驗(yàn)設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)．實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)，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(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，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(yàn)證規(guī)律的目的；對于探索型實(shí)驗(yàn)，在相應(yīng)的物理現(xiàn)象中，涉及哪些物理量……這些都是應(yīng)首先分析的． 舉例來說，要測定地球表面附近的重力加速度，我們就應(yīng)檢索：在所學(xué)知識范圍內(nèi)，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，并一一羅列出來： （１）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． （２）在超重或失重（但不完全失重）系統(tǒng)中，Ｆ⊥－ｍｇ＝±ｍａ⊥．若Ｆ⊥、ａ⊥和ｍ可測出，則重力加速度ｇ可測定． （３）在運(yùn)動學(xué)中，物體從光滑斜面上由靜止下滑，ｓ＝１２ｇｓｉｎθｔ２．若ｓ、θ和ｔ可測定，則重力加速度ｇ也可測定． （４）在運(yùn)動學(xué)中，物體從粗糙斜面上由靜止下滑，ｓ＝１２（ｇｓｉｎθ－μｇｃｏｓθ）ｔ２．若ｓ、θ、μ和ｔ可測，則重力加速度ｇ也可測定． （５）自由落體運(yùn)動中，ｈ＝１２ｇｔ２．若ｈ和ｔ可測出，則重力加速度ｇ也可測定． （６）用重力加速度測定儀測定． （７）在平拋運(yùn)動中，豎直方向在連續(xù)相等的時間內(nèi)位移之差Δｙ＝ｇｔ２．若Δｙ和ｔ可測，重力加速度ｇ同樣可以測出． （８）在斜拋運(yùn)動中，水平射程可以表示為ｘ＝ｖ０２ｓｉｎ２θ／ｇ．若ｘ、ｖ０和θ可測出，則重力加速度ｇ也可測出． （９）單擺做簡諧振動時，其周期可以表示為Ｔ＝２πｌ／ｇ．若Ｔ和ｌ可測，則ｇ可測． （１０）在焦耳測定熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)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． （１１）帶電粒子在的勻強(qiáng)電場平行板電容器中平衡時，ｍｇ＝ｑＵ／ｄ．若Ｕ、ｄ和帶電粒子的荷質(zhì)比（ｑ／ｍ）可測定，則ｇ可測出． （１２）假設(shè)一物體在地球表面附近繞地球做圓周運(yùn)動，ｍｇ＝ＧＭｍ／Ｒ２，ｇ＝ＧＭ／Ｒ２． ………… ２．選擇方案，簡便精確對于每一個實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，都可能存在多條思路、多種方案．教材中關(guān)于某個實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的實(shí)驗(yàn)方案，也只是眾多方案中的一種，而且不一定是最好的一種，而只是較可行的一種．那么在眾多實(shí)驗(yàn)方案中，我們應(yīng)如何選擇呢？一般來說，選擇實(shí)驗(yàn)方案主要有三條原則： （１）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(shí)施那些原理復(fù)雜、操作繁瑣和被測量不易直接測量的實(shí)驗(yàn)方案． （２）可行性原則實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)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(shí)際，不能超出現(xiàn)有條件． （３）精確性原則不同的實(shí)驗(yàn)方案，其實(shí)驗(yàn)原理、所用儀器以及實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案． 以上三原則通常要綜合考慮． 在前述方案中，方案（１）中常用的測力計誤差較大；（２）中Ｆ⊥和ａ⊥均不易測定；（３）中θ和ｔ不易測定且難以保證斜面足夠光滑；（４）中θ、ｔ和μ均不易測定；（５）中若用秒表計時人為因素較大，若用打點(diǎn)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(yùn)動的研究方法誤差較大；（８）中θ和ｖ０的測量難度較大；（９）中相對而言較切合中學(xué)實(shí)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(shí)驗(yàn)，無法付諸實(shí)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． ３．依據(jù)方案，選定器材實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)需要哪些器材． 在“用單擺測定重力加速度”的實(shí)驗(yàn)中，是利用單擺裝置來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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＝４π２ｌ／Ｔ２，周期需用秒表測定；擺長ｌ是從懸點(diǎn)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(shí)驗(yàn)原理表達(dá)式可以看出，實(shí)驗(yàn)與擺球質(zhì)量無關(guān)，故毋需使用天平． 當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)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．?dāng)[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．為了便于觀察，擺球振動的路徑宜長，但又要確保單擺做簡諧振動，故擺線宜長些，常取１米左右． ４．?dāng)M定步驟，合理有序實(shí)驗(yàn)之前，要做到心中有數(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(shí)驗(yàn)步驟．對一些可直接測量的物理量，可先行測量；對需通過實(shí)驗(yàn)裝置才能測定的物理量，須先組裝器材，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、觀察和測量． 在“利用單擺測定重力加速度”的實(shí)驗(yàn)中．原理表達(dá)式ｇ＝４π２ｌ／Ｔ２中的ｌ和Ｔ分別為單擺的擺長和單擺做簡諧振動的周期．因此應(yīng)先組裝單擺，再測定擺長，最后讓單擺做簡諧振動，測定周期Ｔ．根據(jù)所測數(shù)據(jù)計算出重力加速度ｇ的值．至于過程細(xì)節(jié)不再贅述． ５．?dāng)?shù)據(jù)處理，誤差分析高考對此要求不高，但常用的數(shù)據(jù)處理和誤差分析的方法還是應(yīng)該掌握，在設(shè)計實(shí)驗(yàn)時也應(yīng)予考慮． 三、建議我們不能說全國高考對中學(xué)教學(xué)起一種指揮棒的作用，但也無法低估高考對中學(xué)教學(xué)的導(dǎo)向作用，正確認(rèn)識并充分利用這種導(dǎo)向作用，對改善中學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀是大有裨益的．因此在高考命題上做點(diǎn)文章，使試題內(nèi)涵精些，外延寬些，少些“是什么”，多些“怎么樣”，思想自然活躍，花樣自然增多．以１９９６年全國高考第１５題為例，若把問題改為：“根據(jù)以上數(shù)據(jù)，能否驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律？試用必要的文字和簡明的算式闡明你的觀點(diǎn)．”這樣一改，同樣可考查即時速度、ΔＥＰ和ΔＥＫ的計算，但為學(xué)生提供的可能性增多了．為什么非得從“第一個點(diǎn)”開始考慮呢？見微知著，我們完全可以通過證明ΔＥＰ（ＢＣ）與ΔＥＫ（ＢＣ）相等來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，至少可說明ＢＣ過程機(jī)械能守恒． 總而言之，要改善中學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀，培養(yǎng)思想活躍、有創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的跨世紀(jì)人才，即需中學(xué)教育工作者的切實(shí)努力，也需全國高考的積極正確導(dǎo)向．
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