中學物理實驗的學習步驟和方法
中學物理實驗是培養學生科學的觀察、實驗能力，科學的思維、分析和解決問題能力的主要課程之一。正向李政道先生所說的那樣：“教物理重要的是讓學生懂道理……”根據中學物理教學的目的和教學大綱的基本要求，在中學物理實驗的教學過程中應使學生在科學實驗的基本方法上有一個實在的感受，從而培養他們的探索精神和創造性，并受到科學方法的教育。
1．實驗設計
為使實驗達到預期的目的，必須明白為什么要做這個實驗，做這個實驗是要解決現實技術問題、知識問題，還是要探索一下教材中將要出現的物理現象等等。解決實際問題的是什么樣的，探索書中的知識問題時，應當明白是哪一個問題及什么現象。目的明確，是實驗成功的前題。
設計實驗的基本方法歸納為下面幾種：
�。�1）平衡法。用于設計測量儀器。用已知量去檢驗測量另一些物理量。例如天平、彈簧秤、溫度計、比重計等。
�。�2）轉換法。借助于力、熱、光、電現象的相互轉換實行間接測量，例如打點計時器的設計，電磁儀表、光電管的設計等。
�。�3）放大法。利用迭加，反射等原理將微小量放大為可測量，例如游標尺、螺旋測微器、庫侖扭秤、油膜法測分子直徑等。
2．探索性實驗的選題
學生探索性實驗，并不是去揭示尚未認識的物理規律。而是在經歷該實驗的全過程之后，對探索性實驗有一個實在的感受，掌握探索未知物理規律的基本方法。
探索性實驗的選題應與學生的知識水平和學習任務相適應。在選題方面應注意到以下幾點：
�。�1）根據中學生學到的數學知識和在實驗時間上的限制，實驗結果的經驗公式以一次線性為宜。如：
物理實驗報告 ·化學實驗報告 ·生物實驗報告 ·實驗報告格式 ·實驗報告模板
�、倬�性關系：Y=a+bx
�、诜幢汝P系：Y=a+b/x
�、蹆珀P系：Y=axb
改直：logy=loga+blogx
�、苤笖店P系： Y=aexp（bx）
改直：Iny=Ina+bx
以上各式中x為自變量，y為應變量，同時又是被測量，a、b為常數。
（2）兩個被測量之間的變化特征具有較強的可觀察性。
�。�3）經驗公式的理論分析不宜過于復雜。
3．物理實驗的操作方法
操作能力，主要是指基本儀器的使用和數據的讀出，儀器、設備的組裝或連接，故障的排除等三個方面。
�。�1）基本儀器的作用。中學物理實驗涉及的基本測量儀器有：米尺、卡尺、螺旋測微器、天平、停表、彈簧秤、溫度計、氣壓計、安培計、伏特計、變阻箱、萬用表、示波器。
使用基本測量儀器的規范要求是：
�、倭私鉁y量儀器的使用方法，明確測量范圍允許極限和精密程度；
�、趯δ承﹥x器如電表等，在使用前，必須調節零點，或記下零點誤差；
�、劾斡浭褂靡巹t和操作程序；
�、苷_讀取數據。
例如，彈簧秤的正確使用要求是：明確彈簧秤的測量范圍；測量前，記下零點誤差；使用彈簧秤時，施力的方向應與彈簧的軸線在同一直線上，不能使彈簧秤受力過久，以免引起彈性疲勞，損壞儀器；正確地觀察讀數，記取數據時，不僅要記錄最小刻度能指示出來的數，還應讀出一位估計數字，數據后面要寫明單位。
又如，安培計的正確使用要求是：明確量程；使用前，調節零點；正確連接應與待測電路串聯，并注意正、負極性；正確讀取數據，注明單位。
�。�2）儀器、設備的組裝或連接。要進行一個物理實驗，總是需要先把各個儀器、部件、設備組裝起來，并要求裝配和連接必須正確無誤。具體要求是：布局要合理，要便于觀察和操作；連接要正確，簡單；實驗前要檢查，必要時進行預備性調節。
例如，電路實驗，操作要求是：
�、侔凑諏嶒炘黼娐穲D，安排好儀器、元件的布局，要便于連接，便于檢查，便于操作，便于讀取數據。
�、谡_地連接電路。
安培表、伏特表是否分別與待測電路串聯、并聯，正、負極性是否正確；滑線變阻器的接線是否合理；連接線路是否符合先支路、再并列、后干路、最后接電源的程序；電鍵是否能控制電路；接線是否簡捷、牢固。
�、蹖嶒炃皯葯z查電路，發現問題及時糾正，并進行預備性調節。
�、車栏癜床僮鞒绦虿僮鳎�，改變電阻器的阻值，是否由小到大，或由大到小，最后，正確讀取數據。
�。�3）故障的排除
實驗中的故障排除，不單是一種操作能力，它涉及對實驗原理的掌握程度、分析問題處理問題的方法、對各部件工作情況的了解等，是一種綜合運用能力。
實驗發生故障時，應根據各部件工作狀態及各部件聯結處的分析，可能產生故障的幾種因素，逐個檢查，以致最后排除故障。
總之，培養實驗操作能力，是學習物理的必要基礎，它有利于對知識的`理解，有利于自己創造條件探索問題，有利于學生智力的發展。
在物理學習中，培養操作能力，應有計劃地、分階段地進行。
第一，操作的認知階段
要求對操作技能有初步的認識，在頭腦中形成操作的映象，要求按規定的程序，做一些目的單純的定向訓練；
第二，操作的階調階段
要求反復練習操作，提高操作的準確性、協調性。
4．物理實驗中的觀察內容
觀察是對事物和現象的仔細察看、了解。它是思維的知覺，智力活動的門戶和源泉。中學物理實驗中的觀察是一種有目的、有計劃而且比較持久的思維知覺，一般需要重點地觀察實驗的基本儀器、實驗的設備和裝置，實驗中的各種物理現象和數據、圖象、圖表，以及教師的規范化操作等等。
�。�1）觀察儀器的刻度。儀器刻度的觀察，主要是弄清刻度值的單位及其最小分度值，由此可確定測量值應估讀到哪一位。
（2）觀察儀器的構造。主要是通過觀察，了解儀器的結構原理、每個部件的作用、測量范圍等等。
例如，液體溫度計是利用液體熱脹冷縮的原理制成的。它們的底部都有一個玻璃泡，上部是一根頂端封閉、內徑細而均勻的玻璃管，在管和泡里有適量的某種液體，管上標有刻度，在溫度改變時，液體熱脹冷縮，管內液面位置就隨著改變，從液體達到的刻度就可讀出溫度值，溫度計由于用途不一，測量范圍也各不相同。例如，體溫計的測量范圍是35～42℃，一般實驗室的水銀溫度計其測量范圍是20～100℃。
（3）觀察儀器的銘牌。通過對儀器銘牌的觀察可了解儀器的名稱、規格、使用方法和使用條件等等。
例如，有的變阻器的銘牌上標有“滑動變阻器，1.5A50Ω的意思是滑動變阻器允許通入的最大電流是1.5A，最大阻值是50Ω。
�。�4）觀察圖像、圖表、示意圖、實物圖。對圖像的觀察，主要是觀察它反映的是什么物理現象，物理量變化過程怎樣，物理量的變化遵循什么規律。
對圖表的觀察，主要通過觀察了解圖表的意義、用途、應用條件以及所列物理量的單位。
例如，液體的沸點表反映了不同液體沸騰時的溫度，用它可以查找液體的沸點，單位是℃，因液體的沸點跟壓強等條件有關系，表中所列的通常是在1標準大氣壓下的沸點值。
對示意圖、電路圖、實物圖等的觀察，主要觀察它們分別反映的是什么物理模型，有何用途，儀器和電路的結構是怎樣布局的，各個部件（或元件）如何連接，各部分有什么關系等等。
（5）觀察實驗裝置的安裝。通過對實驗裝置安裝的觀察，可了解該裝置的用途，使用了哪些儀器和元件以及儀器配置的順序和方法等等。
�。�6）觀察實驗的操作過程。通過對實驗操作過程觀察，可了解操作前需做哪些準備工作，操作實驗的順序和過程怎樣（例略）。
（7）觀察實驗的現象。對實驗現象的觀察，主要是觀察現象產生的條件和過程。
例如，兩根相距很近的平行導線，當通入相同方向的電流時，兩者會相互吸引；當通入相反方向電流時，兩者就互相排斥。
�。�8）觀察實驗的數據。實驗數據的觀察，要求觀測的方法要正確，數字的讀數要根據儀器最小刻度達到一定的準確度，記錄測量的結果時必須明確數據的單位。
例如，測物體長度，觀察刻度時要眼睛正視制度線，不能斜視，觀察裝在玻璃量筒里或玻璃量杯里水面到達的刻度時，視線要跟水面凹形的底部相平，觀察水銀溫度計時，視線要和水銀面最高處相平。
�。�9）觀察教師的示范演示。對教師示范演示的觀察，要觀察教師規范化的安裝實驗裝置，合理地安排實驗程序和正確的操作過程以及演示物理現象、數據的讀取和記錄，如何得到實驗結果等等（例略）。
5．物理實驗中的觀察方法
物理實驗觀察，通常采用的方法有：對比觀察法和歸納觀察法。
�。�1）對比觀察法。人們認識事物、現象，往往是通過對兩個事物、現象的對比，或把某一現象發生變化的前、后情況進行比較來實現的。
例如，觀察物質熔解或凝固時的體積變化，就可以把石蠟放在燒杯里，先用酒精燈徐徐加熱使其全部熔解。這時，觀察到石蠟液面是水平的，標出液面與燒杯接觸的高度。撤去酒精燈，等石蠟冷卻全部凝固后，經過觀察發現：石蠟面與燒杯接觸的高度雖然沒有明顯的變化，但表面凹下去了。
又如，在學習沸騰現象時，可以觀察液體在沸騰前和沸騰時的情況，并進行比較。這時，要求學生做到細致、敏捷、全面、準確地觀察。結果會發現：沸騰前，液體內部形成氣泡，氣泡在上升過程中逐漸變大，達到液面后破裂。通過液體沸騰前、后的情況對比，可以得知：沸騰是液體內部和表面都進行劇烈地汽化的現象。
我們還可以人為地控制條件，使液體分別在常壓、加壓、減壓下沸騰，比較不同情況下的沸騰現象可知：同一種液體，沸點隨外界壓強變化而改變；如果研究對象為不同液體，使它們在相同外界壓強的條件下沸騰，通過對比實驗觀察可知，在相同的壓強下，不同液體的沸點是不同的。
從以上兩個例子可以看出：使用對比觀察法，有利于掌握現象的特征以及它與其它類似現象的區別。
�。�2）歸納觀察法�？偨Y一些現象的一般規律，反映現象的實質時，或研究一些涉及變化因素較多的問題時，通常采用歸納觀察法。即通過對個別現象分別進行觀察，得到一些個別的結論，再分析、歸納，從而得出一般的規律。
例如，為了便于研究質點的加速度與力、質量的關系，就在先確定質量這個因素是不變情況下，觀察加速度與力之間的關系；然后在確定另一個因素——力是不變的情況下，觀察加速度與質量之間的關系；最后，通過歸納得出牛頓第二運動定律。
可見，使用歸納觀察法，有利于掌握現象的實質以及研究比較復雜現象的一般規律。
總之，培養觀察能力，要明確觀察的目的、任務，激發學生的觀察興趣，要使學生養成善于觀察、勤于思考的習慣，要教給學生觀察的方法，對學生進行觀察訓練，要求觀察得準確、全面、細致、敏捷。
6．實驗結果的表示
實驗結果的表示，首先取決于實驗的物理模式，通過被測量之間的相互關系，考慮實驗結果的表示方法。常見的實驗結果的表示方法是有圖解法和方程表示法。在處理數據時可根據需要和方便選擇任何一種方法表示實驗的最后結果。
�。�1）實驗結果的圖形表示法。把實驗結果用函數圖形表示出來，在實驗工作中也有普遍的實用價值。它有明顯的直觀性，能清楚的反映出實驗過程中變量之間的變化進程和連續變化的趨勢。精確地描制圖線，在具體數學關系式為未知的情況下還可進行圖解，并可借助圖形來選擇經驗公式的數學模型。因此用圖形來表示實驗的結果是每個中學生必須掌握的。
圖解法主要問題是擬合面線，一般可分五步來進行。
①整理數據，即取合理的有效數字表示測得值，剔除可疑數據，給出相應的測量誤差。
�、谶x擇坐標紙，坐標紙的選擇應為便于作圖或更能方使地反映變量之間的相互關系為原則�？筛鶕枰头奖氵x擇不同的坐標紙，原來為曲線關系的兩個變量經過坐標變換利用對數坐標就要能變成直線關系。常用的有直角坐標紙、單對數坐標紙和雙對數坐標紙。
�、圩鴺朔侄龋谧鴺思堖x定以后，就要合理的確定圖紙上每一小格的距離所代表的數值，但起碼應注意下面兩個原則：
a.格值的大小應當與測量得值所表達的精確度相適應。
b.為便于制圖和利用圖形查找數據每個格值代表的有效數字盡量采用1、2、4、5避免使用3、6、7、9等數字。
�、茏魃Ⅻc圖，根據確定的坐標分度值將數據作為點的坐標在坐標紙中標出，考慮到數據的分類及測量的數據組先后順序等，應采用不同符號標出點的坐標。常用的符號有：×○●△■等，規定標記的中心為數據的坐標。
�、輸M合曲線，擬合曲線是用圖形表示實驗結果的主要目的，也是培養學生作圖方法和技巧的關鍵一環，擬合曲線時應注意以下幾點：
a.轉折點盡量要少，更不能出現人為折曲。
b.曲線走向應盡量靠近各坐標點，而不是通過所有點。
c.除曲線通過的點以外，處于曲線兩側的點數應當相近。
�、拮⒔庹f明，規范的作圖法表示實驗結果要對得到的圖形作必要的說明，其內容包括圖形所代表的物理定義、查閱和使用圖形的方法，制圖時間、地點、條件，制圖數據的來源等。
�。�2）實驗結果的方程表示法。方程式是中學生應用較多的一種數學形式，利用方程式表示實驗結果。不僅在形式上緊湊，并且也便于作數學上的進一步處理。實驗結果的方程表示法一般可分以下四步進行。
�、俅_立數學模型，對于只研究兩個變量相互關系的實驗，其數學模型可借助于圖解法來確定，首先根據實驗數據在直角坐標系中作出相應圖線，看其圖線是否是直線，反比關系曲線，冪函數曲線，指數曲線等，就可確定出經驗方程的數學模型分別為：
Y=a+bx，Y=a+b/x，Y=ab，Y=aexp（bx）
�、诟闹�，為方便的求出曲線關系方程的未定系數，在精度要求不太高的情況下，在確定的數學模型的基礎上，通過對數學模型求對數方法，變換成為直線方程，并根據實驗數據用單對數（或雙對數）坐標系作出對應的直線圖形。
�、矍蟪鲋本�方程未定系數，根據改直后直線圖形，通過學生已經掌握的解析幾何的原理，就可根據坐標系內的直線找出其斜率和截距，確定出直線方程的兩個未定系數。
④求出經驗方程，將確定的兩個未定系數代入數學模型，即得到中學生比較習慣的直角坐標系的經驗方程。
中學物理實驗有它一套實驗知識、方法、習慣和技能，要學好這套系統的實驗知識、方法、習慣和技能，需要教師在教學過程中作科學的安排，由淺入深，由簡到繁加以培養和鍛煉。逐步掌握探索未知物理規律的基本方法。
7．分組實驗問題
對學生分組實驗，目前存在的主要問題是：
①有的學生不講求實驗目的是否達到，不按實驗規則和實驗步驟進行實驗，只是在實驗室里把儀器當作玩具胡亂地擺弄幾下就了事；
②有的學生不遵守實驗室的紀律，在實驗室內串來串去，大聲講話，干擾別人的實驗操作；
�、墼诜纸M實驗中的操作往往由一人包辦到底，其余同學只是陪坐，不能參與實驗活動；
�、苡械耐瑢W不重視實驗的科學性，不重視實驗現象和實驗數據的真實性，而是湊湊實驗數據了事，將實驗課變成了湊數據、拼結論的課。針對上述情況，在組織分組實驗，特別是進實驗室做第一個實驗時，實驗前的教育，從開始就著手培養良好的實驗習慣。如愛護儀器，遵守實驗室的各種紀律，實驗前弄清實驗目的，實驗原理，實驗步驟，了解實驗時的注意事項以及實驗儀器的操作和放置。如實驗儀器的放置應方便操作和易于觀察，需要觀察和讀數的儀器、儀表應放在中間靠近操作者，需要調節的儀器、儀表應放在面前稍偏右，其它器件以不影響操作，不防礙觀察做有序的放置。應要求學生人人參加實驗活動，認真觀察實驗現象和記錄真實的實驗數據。實驗結束后，將實驗儀器清理歸還原處。認真處理實驗所測出的數據，分析歸納實驗中觀察的現象，從而得出實驗結論，分析實驗誤差，并寫出簡單的實驗報告。
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