物理实验设计的基本方法

物理实验设计的基本方法物理学是一门实验科学，而我们目前的物理教学，基本上是停留在关于物理学的知识系统的归纳和理论体系的阐述上，就连物理实验本身的教学，也是按教材的分析按部就班地进行纯理论的讲解。其弊端是显而易见的，如果考查的实验不是教材所限的实验呢？一、明确目的，广泛联系题目或课题要求测定什么物理量，或要求^证、探索什么规律，这是实验的目的，是实验设计的出发点。实验目的明确后，应用所学知识，广泛联系，看看该物理量或物理规律在哪些内容中出现过，与哪些物理现象有关，与哪些物理量有直接的联系。对于测量型实验，被测量通过什么规律需用哪些物理量来定量地表示；对于验证型实验，在相应的物理现象中，怎样的定量关系成立，才能达到验证规律的目的......这些都是应首先分析的。比如要测定地球表面附近的重力加速度，我们就应在所学知识范围内检索，哪些内容涉及到重力加速度，它与其他物理量有何定量关系，并罗列出来：在静力学中，静止物体对竖直悬绳的拉力或对水平支持物的压力大小就等于重力，即T=N=mg。若T（或N）和m能测出，则重力加速度g可测定。在超重或失重（但不完全失重）系统中，F±-mg=±ma±。若F±.al和m可测出，则重力加速度g可测定。在运动学中，物体从光滑斜面上静止下滑，s=12gsinOt2。若s、0和t可测定，则重力加速度g也可测定。在运动学中，物体从粗糙斜面上由静止下滑，s=12（gsinO-pgcosO）t2。若s、0、p和t可测，则重力加速度g也可测定。自由落体运动中，h=12gt2。若h和t可测出，则重力加速度g也可测定。用重力加速度测定仪测定。在平抛运动中，竖直方向在连续相等的时间内位移之差Ay=gt2。若Ay和t可测，重力加速度g同样可以测出。在斜抛运动中，水平射程可以表示为x=vo2sin20/g。若x、v0和0可测出，则重力加速度g也可测出。单摆做简谐振动时，其周期可以表示为T=2n1/g。若T和l可测，则g可测。在焦耳测定热功当量的实验中，若能测出水的质量和升高的温度，算出水增加的内能，再测出重物的质量和下落的高度，同样可测定重力加速度。二、 选择方案，简便精确一般来说，选择实验方案主要有以下三条原则：简便性原则即要求所选方案原理简单、操作简便，各量易测。应尽量避免实施那些原理复杂、操作繁琐和被测量不易直接测量的实验方案。可行性原则实验方案的实施要安全可靠，不会对人身和器材造成危害；所需装置和器材要易于置备，不能脱离实际，不能超出现有条件。精确性原则不同的实验方案，其实验原理、所用仪器以及实验重复性等方面所引入的误差是不同的。在选择方案时，应对各种可能的方案进行初步的误差分析，尽可能选用精确度高的实验方案。在前述方案中，方案1中常用的测力计误差较大；2中FL和al均不易测定；3中0和t不易测定且难以保证斜面足够光滑；4中0、t和“匀不易测定；5中若用秒表计时人为因素较大，若用打点计时器计时，纸带受振针阻力与通常小物块所受重力相比不能忽略；6中仪器先进但一般中学没有；7中若用闪光照像技术则是一种好方案，但设备和技术都达不到要求，若用平抛运动的研究方法误差较大；8中0和v0的测量难度较大；9中相对而言较切合中学实际；10中需测定的物理量多且很难采取绝热措施；11中学阶段不易测定荷质比；12只是一个思想实验，无法付诸实践，但可估算，代入数据得g=9.857m/s2，与标准值9.81m/s2只相差4.8综上所述，中学阶段通常采用单摆法测定重力加速度。三、 依据方案，选定器材实验方案选定之后，考虑该方案需要哪些装置，被测量与哪些物理量有直接的定量关系，这些物理量分别需用什么仪器来测定，从而确定整个实验需要哪些器材。在“用单摆测定重力加速度”的实验中，是利用单摆装置来进行实验的，故需铁架台、细线和摆球等来组装单摆。重力加速度可表示为g=4n21/T2,周期需用秒表测定；摆长l是从悬点到摆球中心的距离，因此需用米尺和游标卡尺分别测定摆线长度l和摆球直径d。从实验原理表达式可以看出，实验与摆球质量无关，故毋需使用天平。从实验方便性和精确性角度考虑，还需对所选器材作进一步要求，以期把系统误差降到最小。如上述器材中，摆线的伸缩性和质量应较小，摆球的质量应较大。摆线伸缩性大，其长度会随拉力变化而变化；摆球与摆线质量相差越小，系统（摆线和摆球）质心偏离摆球中心越远，误差就越大。四、拟定步骤，合理有序实验之前，要做到心中有数：如何组装器材，哪些量先测，哪些量后测，应从正确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤.对一些可直接测量的物理量，可先行测量；对需通过实验装置才能测定的物