中学物理实验的学习方法

中学物理实验是培养学生科学观察和实验能力、科学思维、分析和解决问题能力的主要课程之一。正如李政道先生所说，“教物理重要的是让学生明白道理……”根据中学物理教学的目的和教学大纲的基本要求，在中学物理实验教学过程中，要让学生对科学实验的基本方法有真实的感受，从而培养他们的探索精神和创造能力，受到科学方法的教育。

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为了使实验达到预期目的，我们必须明白为什么要做这个实验，做这个实验是为了解决实际的技术问题和知识问题，还是为了探究课本上会出现的物理现象等等。有什么解决实际问题的办法？在探究书中的知识问题时，要明白是哪些问题，是什么现象。明确的目的是实验成功的前提。

设计实验的基本方法可以归纳如下:

(1)平衡法。用于设计测量仪器。用已知量检查和测量其他物理量。如天平、弹簧秤、温度计、比重计等。

(2)转换方法。间接测量是通过力、热、光、电现象的相互转换来进行的，如设计点计时器、电磁仪、光电管等。

(3)扩增法。利用叠加反射原理将微小的量放大到可以测量，如游标、螺旋千分尺、库仑扭秤、油膜法测量分子直径。

2.探索性实验的选题

学生的探索性实验不是为了揭示未知的物理规律。但经历了实验的全过程，对探索性实验有了真实的感受，掌握了探索未知物理规律的基本方法。

探索性实验的选题应与学生的知识水平和学习任务相适应。选题时应注意以下几点:

(1)根据中学生所学的数学知识和实验时间的限制，实验结果的经验公式应该是线性的。比如:

①线性关系:Y=a+bx

②反比:y = a+b/X。

③幂关系:Y=axb

拉直:logy=loga+blogx

④指数关系:Y=aexp(bx)

拉直:Iny=Ina+bx

上述公式中，x为自变量，y为因变量，同时被测量，a和b为常数。

(2)两个被测对象之间的变化特征具有很强的可观测性。

(3)经验公式的理论分析不宜过于复杂。

3.物理实验操作方法

操作能力主要指基本仪器的使用和数据读取，仪器设备的组装或连接，以及故障排除。

(1)基本仪器功能。中学物理实验涉及的基本测量仪器有:米尺、卡尺、螺旋千分尺、天平、秒表、弹簧秤、温度计、气压计、电流表、电压表、变阻器、万用表、示波器。

使用基本测量仪器的规范要求是:

(1)了解测量仪器的使用，明确测量范围的允许极限和精度；

(2)对于某些仪器，如电表，在使用前，必须调整零点，或记下零点误差；

③牢记使用规则和操作程序；

④正确读取数据。

比如弹簧秤的正确使用要求是:明确弹簧秤的量程；测量前，记下零位误差；使用弹簧秤时，施力方向应与弹簧轴线在同一直线上，弹簧秤受力时间不宜过长，以免造成弹性疲劳，损坏仪器；在正确观察读数和记忆数据时，不仅要记录下最小刻度所能表示的数字，还要读出一个估计数，单位要写在数据之后。

再比如，电流表的正确使用要求是:量程清晰；使用前，调整零点；正确接线应与被测电路串联，注意正负极性；正确读取数据并标明单位。

(2)仪器设备的组装或连接。进行一个物理实验，总是要先把各种仪器、部件、设备组装起来，要求组装和连接必须正确。具体要求是:布局要合理，便于观察和操作；连接应正确、简单；实验前进行检查，必要时进行初步调整。

例如，在电路实验中，操作要求是:

①根据实验原理电路图，安排仪器和元件的布局，以便于连接、检查、操作和数据读取。

②正确连接电路。

电流表、电压表是否分别与被测电路串、并联，正负极性是否正确；滑动变阻器的接线是否合理；连接线是否符合先支后并联、先干线后电源连接的程序；钥匙是否能控制电路；接线是否简单牢固。

(3)实验前应检查电路，发现问题及时纠正，并做好准备调整。

④严格按照操作规程操作，比如改变电阻的阻值，无论是由小变大，还是由大变小，最后，正确读取数据。

(3)故障排除

实验中的故障排除不仅是一种操作能力，也是一种综合应用能力，涉及到对实验原理的掌握、分析解决问题、了解各种元件的工作情况。

实验中出现故障时，要根据各部件的工作状态和对各部件连接处的分析，逐一检查，最终排除故障。

总之，培养实验操作能力是学习物理的必要基础，有利于理解知识，为探究问题创造条件，发展学生智力。

在物理学习中，操作能力的培养要有计划、分阶段地进行。

第一，操作的认知阶段。

要求对操作技能有初步的了解，在脑海中形成操作的形象，按照规定的程序做一些简单的定向训练；

第二，分步操作阶段。

要求反复练习操作，提高操作的准确性和协调性。

4.物理实验中的观察

观察是对事物和现象的仔细观察和理解。它是思维的感知，是智力活动的门户和源泉。中学物理实验中的观察是一种有目的、有计划、持久的思维感知。一般要重点观察实验中的基本仪器、实验设备和装置、各种物理现象和数据、图像和图表，以及教师的规范操作。

(1)观察仪器刻度。仪器校准的观察主要是找出校准值的单位及其最小分度值，从中可以确定测量值应该在哪个位置读取。

(2)观察仪器的结构。主要是通过观察，了解仪器的结构原理，各部件的作用，测量范围等等。

例如，液体温度计是利用液体受热膨胀，冷却收缩的原理制成的。它们的底部都有一个玻璃泡，顶部有一个封闭的玻璃管，顶部有一个细而均匀的内径。试管和气泡中有适量的某种液体，试管标有刻度。当温度变化时，液体热胀冷缩，管内液位位置也随之变化。温度值可以从液体达到的刻度上读出。由于用途不同，温度计的量程也不同。比如温度计的量程是35 ~ 42℃，一般实验室水银温度计的量程是20 ~ 100℃。

(3)观察仪器的铭牌。通过观察仪器的铭牌，可以知道仪器的名称、规格、使用方法和使用条件。

比如有些变阻器的铭牌上标有“滑动变阻器，1.5A 50ω”，表示滑动变阻器允许的最大电流为1.5A，最大阻值为50ω。

(4)观察图像、图表、示意图和实物图。对图像的观察主要是观察它反映了什么物理现象，物理量如何变化，物理量变化遵循什么规律。

对图表的观察，主要是通过观察了解图表所列物理量的含义、用途、应用条件和单位。

比如液体的沸点表反映了不同液体的沸腾温度，用它可以求出液体的沸点，单位是℃。因为液体的沸点与压力等条件有关，所以表中所列的沸点通常在1标准大气压。

原理图、电路图、实物图等的观察。，主要观察它们分别反映什么物理模型，有什么用途，仪器和电路的结构如何布局，元件(或元件)如何连接，有什么关系等等。

(5)观察实验装置的安装情况。通过观察实验装置的安装，可以知道装置的用途，使用哪些仪器和部件，仪器配置的顺序和方法。

(6)观察实验的操作过程。通过观察实验的操作过程，可以知道操作前需要做哪些准备，操作实验的顺序和过程是怎样的(例子略)。

(7)观察实验现象。实验现象的观察主要是观察现象发生的条件和过程。

比如，两条相距很近的平行线，当施加同方向的电流时，会相互吸引；当施加相反方向的电流时，它们互相排斥。

(8)观察实验数据。实验数据的观测要求观测方法要正确，数字读数要按照仪器的最小刻度达到一定的精度，记录测量结果时数据的单位必须明确。

比如测量物体的长度，观察刻度时要直视系统线，不能斜视。在玻璃量筒或玻璃量杯中观察水面达到的刻度时，视线应与水面的凹底平齐，观察水银温度计时，视线应与水银面的最高点平齐。

(9)观察老师的示范。观察教师的演示，需要观察教师对实验装置的规范安装，实验程序的合理安排和正确的操作过程，物理现象的演示，数据的读取和记录，如何得到实验结果等。

5.物理实验中的观察方法

物理实验观察常用的方法有:对比观察和归纳观察。

(1)比较观察法。人们往往通过比较两个事物和现象，或者比较一个现象变化前后的情况来认识事物和现象。

比如，通过观察物质熔化或凝固时的体积变化，可以将石蜡放入烧杯中，用酒精灯慢慢加热，使其全部熔化。此时观察到石蜡的液面是水平的，并标出液面与烧杯接触的高度。取出酒精灯，石蜡冷却完全凝固后，观察到石蜡表面与烧杯的接触高度没有明显变化，但表面呈凹形。

再比如，在学习沸腾现象时，可以观察液体沸腾前和沸腾时的情况，并进行比较。这时候就要求学生仔细、及时、全面、准确地观察。结果表明，沸腾前液体中形成气泡，气泡在上升过程中逐渐变大，到达液面后破裂。通过比较液体沸腾前后的情况，可以知道沸腾是液体内部和表面都被剧烈汽化的现象。

我们也可以人为控制条件，使液体分别在常压、加压和减压下沸腾。通过比较不同条件下的沸腾现象，我们可以知道，同一种液体的沸点随着外界压力的变化而变化；如果研究对象是不同的液体，让它们在相同的外压下沸腾。通过对比实验观察可以看出，在相同压力下，不同液体的沸点是不同的。

从以上两个例子可以看出，运用比较观察法有利于掌握该现象的特点及其与其他类似现象的区别。

(2)归纳观察。在总结某些现象的一般规律，反映现象的本质，或者研究一些涉及许多变化因素的问题时，通常采用归纳观察法。即通过单独观察个别现象，得出一些个别的结论，然后进行分析总结，从而得出一般的规律。

例如，为了便于研究加速度与力和一个质点的质量的关系，在质量因子确定为常数的情况下，观察加速度与力的关系。然后在另一个因素——力不变的情况下，观察加速度与质量的关系；最后通过归纳得出牛顿第二运动定律。

可见，运用归纳观察法有利于掌握现象的本质，研究更复杂现象的一般规律。

总之，培养观察能力，要明确观察的目的和任务，激发学生观察的兴趣，培养学生善于观察、勤于思考的习惯，教会学生观察方法，训练学生观察，要求观察准确、全面、细致、敏捷。

6.实验结果的表示

实验结果的表达依赖于实验的物理模型，实验结果的表达方法是通过测量结果之间的关系来考虑的。实验结果常用的表示方法有图解法和方程表示法。在处理数据时，可以根据自己的需要和方便，选择任何一种方法来表示实验的最终结果。

(1)实验结果的图形表示。在实验工作中，用函数图表示实验结果也具有普遍的实用价值。具有明显的直观性，能够清晰地反映实验过程中变量之间的变化过程和连续变化趋势。在具体数学关系未知的情况下，可以精确地画线，借助图形选择经验公式的数学模型。所以每个中学生都有必要用图形来表达实验的结果。

图解法的主要问题是拟合曲面线，一般可分为五个步骤。

(1)整理数据，即取合理的有效数字代表测量值，剔除可疑数据，给出相应的测量误差。

(2)图表纸的选择，图表纸应以易于绘制或更能反映变量之间的关系为原则。可以根据需要和方便选择不同的绘图纸，通过坐标变换，利用对数坐标可以将原本是曲线的两个变量之间的关系变成直线。常用的有直角方格纸、单对数方格纸和双对数方格纸。

(3)坐标分度，在选择好图纸后，需要合理确定图纸上每个单元格的距离所代表的值，但至少要注意以下两个原则:

A.网格值的大小应与测量值所表示的精度相适应。

B.为了方便绘图，用图形找出数据的每个单元格值所代表的有效数字，应尽量使用1，2，4，5，避免使用3，6，7，9。

④做散点图，根据确定的坐标分度值，将数据标注为坐标纸中的点的坐标。考虑到数据的分类和测量数据组的顺序，应使用不同的符号来标记点的坐标。常用的符号有:×○●△■等。，标记的中心被定义为数据的坐标。

⑤拟合曲线是用图形表示实验结果的主要目的，也是培养学生作图方法和技巧的关键环节。拟合曲线时，应注意以下几点:

a转弯点要尽量少，不能人为弯曲。

b .曲线的走向应尽可能靠近每个坐标点，而不是经过所有点。

c .除了曲线通过的点之外，曲线两侧的点数应该相似。

⑥注释:标准化作图法表示实验结果。需要对获得的图形进行说明，包括图形所表示的物理定义、查阅和使用图形的方法、绘图时间、地点和条件、绘图数据的来源等。

(2)实验结果的方程表示。方程是中学生广泛使用的数学形式，实验结果用方程表示。它不仅形式紧凑，而且便于进一步的数学处理。实验结果的方程表示一般可以分为以下四个步骤。

①建立数学模型。对于只研究两个变量之间关系的实验，可以借助图解法确定其数学模型。先根据实验数据，在直角坐标系下做出相应的图形，看图形是直线、反比曲线、幂函数曲线、指数曲线等。，经验方程的数学模型可以确定如下:

Y=a+bx，Y=a+b/x，Y=a\b，Y=aexp(bx)

(2)拉直，为了方便地找出曲线关系方程的待定系数，在确定的数学模型的基础上，用对数法将数学模型转化为直线方程，根据实验数据在单对数(或双对数)坐标系中作出相应的直线图形。

③求线性方程的待定系数。根据拉直的直线图形和学生已掌握的解析几何原理，求出直线在坐标系中的斜率和截距，确定直线方程的两个待定系数。

④求经验方程，将两个待定系数代入数学模型，得到中学生习惯的直角坐标系经验方程。

中学物理实验有一套实验知识、方法、习惯和技能。要学好这套系统的实验知识、方法、习惯和技能，需要教师在教学过程中进行科学的安排，由简单到复杂进行培养和锻炼。逐步掌握探索未知物理规律的基本方法。

7.小组实验问题

目前学生分组实验存在的主要问题有:①有些学生不注重实验目的是否达到，不按照实验规则和步骤进行，只是在实验室里把仪器当玩具摆弄几下；(2)有的学生不遵守实验室纪律，在实验室里趾高气扬，大声喧哗，干扰他人实验操作；(3)小组实验中，操作往往是一个人安排到最后，其余同学只是坐在一起，无法参与实验活动；(4)部分学生不注重实验的科学性，不注重实验现象和实验数据的真实性。而是他们把实验数据收集起来，把实验班变成了收集数据、拼结论的班。针对以上情况，在组织小组实验时，尤其是进入实验室做第一次实验时，实验前的教育要从一开始就培养良好的实验习惯。比如爱护仪器，观察实验室的各种学科，实验前明确实验目的、实验原理、实验步骤，了解实验中的注意事项以及实验仪器的操作和摆放。比如实验仪器的摆放要便于操作和观察，需要观察和读数的仪器仪表要放在中间靠近操作者的位置，需要调整的仪器仪表要放在正前方稍偏右的位置，其他设备要摆放有序，不影响操作，不妨碍观察。要求学生参与实验活动，认真观察实验现象，记录真实的实验数据。实验结束后，将实验仪器清理干净，放回原处。认真处理实验中测得的数据，分析总结实验中观察到的现象，从而得出实验结论，分析实验误差，写出简单的实验报告。