物理实验方法的运用研究

物理实验方法的运用研究

作者：李丹华

来源：《新教育·综合版》 2019年第12期

李丹华

科学实验对人类文明的发展起到了很大的推动作用，物理实验在其中占据了不可缺少的位置。科学实验与一般的经验、简单的观察之间存在着很大的区别，观察被称为实验的前提，而实验则是观察的进一步发展。观察又被称为是自然现象的集合，提供事物以达到人类活动的目的，而实验就是从自然界中提取它想要的东西。科学史表明：只有通过实验的方式，采用有效的实验方法，并结合着理性的思维，才能完成“必然性的证明”。

回顾物理学若干年的发展史，我们不难发现，实验以及理论是物理学的两大支柱。物理实验是基于一些物理现象或事实，在一些事物的指导下，提出物理模型，然后用实验来研究模型的正确性，并运用逐渐发展的实验技术和实验方法及实验结果来进一步完善物理学。物理实验的精髓、技术和仪器已被广泛应用到自然科学之外的众多学科中，并且普遍地向日常生活及生产的各个领域渗透和发展。而运用正确的实验方法，能够促使物理实验得到一定程度上的完善与发展，能够最大程度地减小实验误差，提高实验的准确性与科学性，使学生能够更好地去把握实验的精髓，掌握实验的流程，理解实验的原理，也有助于教师顺利地开展教学工作。

一、物理实验方法的作用

1.能够充分调动人的主观能动性。对于学生来说，高中物理知识具有很高的抽象性，对学生的逻辑思维能力有着很高的要求，所以学生学习起来可能会很困难，如果教师在实验教学上把握不当，严重时可能会使学生在物理学习中产生厌倦情绪，这对学生学好物理会有很大的阻碍作用。另外，中学生具有很强的好奇心，所以动手实践操作，在学生看来可能就相当于一次课外活动，可以使学生摆脱严肃的课堂。让学生动手实践既可以激发学生的好奇心，也可以提高学生的积极性以及对物理的学习兴趣。在教学中，对实验方法的应用研究可以帮助学生通过物理现象以及实验过程获得一定的感性认识，帮助学生吸收、巩固物理知识，建立与其他物理内容的链接。

2.能够实现科学研究的目的性。巴甫洛夫曾说：“观察是发现物质世界中客观存在的东西，而实验是从客观世界中搜寻它所需要的东西。”观察可以获得重要的感性内容，它为科学的研究提供了大量资料，给予了我们很大的便利，但局限性在于它仅可以搜集自然界所能提供的东西。而实验可以在合适的时机，通过恰当的实验方法来去获得人们所需要的东西。例如，人们在研究基本粒子的状态时，用到的方法是实验，通过高能加速器给带电粒子进行加速，使其具有非常高的能量，然后有目的、有针对性地去轰击试验的物质，轰击结果会出现大量的新物质，从而提炼出我们所需要的，同时为高能物理提供了必要的研究条件。

3.能够证明客观的必然性。恩格斯曾经说过，仅仅通过观察所总结出来的结论是不足以证明客观世界的必然性的，而通过实验我们能够得出一般简单的观察所得不到的结论，而且运用适用的实验方法能够验证自然界中一些理论的正确性，证明客观的必然性，促进社会生活的发展起。

二、常见的物理实验方法

1.转换法。在实验的过程中，我们常会受到各种因素的影响，包含外部因素以及实验的内部因素，或是主观因素和客观因素，使得实验无法朝着预期的方向进行，这时需要将原有的物

理量转换成其他比较方便测出的物理量，而最终达到的效果近似相同，这样的方法称为转换法。运用转换法思想的典型实验是“研究压力作用的效果与哪些因素有关”。

图1为研究压力作用的效果与哪些因素有关的实验装置图，甲和乙是在探究压力大小对压强的影响，虽然无法根据压力的大小直接得出压力对压强的影响，但可以通过观察海绵的形变程度来判断。在此过程中就是运用了转换法的思想，将压力的影响通过海绵表现出来，压力越大，海绵的形变程度越大，说明其所受的压强越大；反之，压力越小，海绵的形变程度越小，说明其所受的压强越小。同理，乙和丙是在探究受力面积对压强的影响，运用转换法思想将这种影响通过海绵表现出来，受力面积越小，海绵形变程度越大，说明其所受的压强越大；反之，受力面积越大，海绵形变程度越小，说明其所受的压强越小。

转换法测量主要有三个方面的意义：（1）把无法测量的量转化为可测量的量。例如我国古代曹冲称象的故事，曹冲将不能直接测量的大象的体重转化为可以测量的石块的重量，其中就包含了转换法这一思想。（2）把不易测准的量转化为容易测准的量。有时候即使我们有先进的测量仪器，对于一些物理量还是无法进行准确的测量，这时候就要尝试着把这种不宜测量的物理量转化为相对比较容易测量的物理量。最典型的例子就是利用阿基米德原理计算不规则物体的体积，把很难测量的不规则物体的体积转化成容易准确测量的水的体积来测量。（3）跳过一些不容易测量的量。例如在光电效应法测量普朗克常量实验中，利用了爱因斯坦的光电效应方法测出不同入射光频率对应的光电流遏止电压，绘制这两个物理量的关系直线，由该直线的斜率可快速求出普朗克常量，而不必考虑金属表面的逸出功究竟为多少。

2.补偿法。补偿法在物理实验中也比较常见。所谓补偿是指因为某一种效果的存在，造成另一种b效应的出现，如果该种效果不因b效应而显现出来，则称之为b效应对补偿效果的影响。基于补偿概念的测量方法叫补偿法。运用补偿法的典型实验为“补偿法测电压”。

在伏安法测电阻时，我们会用到电流表和电压表等测量仪器，由于这些仪器使用起来比较简单方便，因此，伏安法是一种比较普遍的测量方法。但是这些电表具有一定的内阻，内阻的存在会对测量结果产生影响，因此伏安法测量电阻时会常有一些明显的误差，测量的精确度会偏低,只有在知道电表阻值的情况下用修正的方法才可以得到相对精确的结果，但如果在外接法的电路中采用补偿回路测量电压，可以消除用电压表直接测电压所引起的系统误差。

上图2（a）为补偿法测电压的原理图。其中EX为待测电源，为补偿电源(补偿电源必须满足两个条件：1.可调；2.可精确读数)，G为灵敏电流计，实验时，通过调节E1输出电压，使灵敏电流G的读数为零，此时说明两电源的输出电压相等，读出E1大小即可知EX的输出电压。这种测量方法的优点在于：测量电压时不用从待测电路分出电流，因此消除了由于电流流经电压表而引起的系统误差。

图2（b）为实际应用电路，上半部分电路用于测量两端的电压，与图2（a）相比多了一个电压表，由于一般的可调电源不可以精确读数，因此将图中虚线部分看作是一个整体，即为一个可调且可以精确读数的补偿电源。这样的设置在很大程度上减小了实验的测量误差。

补偿法多数用在补偿法测量和补偿法校正这两个方面。其中补偿测量系统由四个基本部分组成：待测器件、补偿装置、测量装置和指零装置。物理实验中电桥应用非常广泛，种类也很多，它是利用电压补偿原理，并通过指零装置——灵敏电流计来显示出待测电阻与补偿电阻或者待测电压与补偿电压比较结果的。在测量过程中经常会存在一些不合理且又无法避免的影响因素而导致系统误差的出现，于是我们想办法给出了另一种因素去补偿这种不合理因素造成的影响，使得该影响逐渐消失或减弱，这个过程就是在利用补偿法修正系统误差。应用补偿法的实验有“电压补偿在伏安法测电阻中的应用”“电流补偿法测量电源电动势及内阻”等。

3.放大法。在科学实验中常常需要去测量一些微小的物理量。为了提高测量精度，常采取一定的措施使这些物理量放大后再进行测量。这种提高了测量精度、增加了物理量数值、延长了实验的作用时间，扩大了实验空间的测量方法，我们称之为放大法。

常用的放大法大致可分为三种：（1）累积放大法。在实验的过程中我们可能会遇到一些问题，比如我们需要测的物理量很小，或者受到实验仪器的自身限制，或者人体所存在的反应时间的阻碍等，不能达到我们想要测量的效果，这时候就要采用累积放大法来进行测量。比如用直尺测量一张纸的厚度，我们一般采用的方法是：取相同规格的纸100张，然后用直尺测量这100张纸的厚度，把测得的结果除以100，就得出一张纸的厚度。利用这种累计放大法能够在很大程度上减小误差。（2）机械放大法。该方法利用力学量之间的几何关系进行转换放大是物理实验中最简单、最直观的一种放大方法。例如中学物理中的游标卡尺和螺旋测微计均是机械放大的体现。（3）电学放大法。利用运放电路将微弱的电信号放大后再进行测量的方法，即为电学放大法。我们常常把其他物理量转换成电信号之后，再将电信号进行放大，然后再转换回去（例如光电转换、电磁转换等）。

以上介绍了六种在物理实验中比较常见的实验方法。在大多数科学实验中，我们经常对各种实验方法进行组合使用，以便使实验能够顺利有序地进行。通过对这些方法进行分析与归纳总结，并应用到物理学的实验教学中，能够让学生利用发散思维来消化所学习的实验知识、实验原理和实验方法，学会融会贯通和举一反三，增强学生的创造性思维。