中学物理实验的学习步骤和方法
中学物理实验是培养学生科学的观察、实验能力，科学的思维、分析和解决问题能力的主要课程之一。正向李政道先生所说的那样：“教物理重要的是让学生懂道理……”根据中学物理教学的目的和教学大纲的基本要求，在中学物理实验的教学过程中应使学生在科学实验的基本方法上有一个实在的感受，从而培养他们的探索精神和创造性，并受到科学方法的教育。
1．实验设计
为使实验达到预期的目的，必须明白为什么要做这个实验，做这个实验是要解决现实技术问题、知识问题，还是要探索一下教材中将要出现的物理现象等等。解决实际问题的是什么样的，探索书中的知识问题时，应当明白是哪一个问题及什么现象。目的明确，是实验成功的前题。
设计实验的基本方法归纳为下面几种：
（1）平衡法。用于设计测量仪器。用已知量去检验测量另一些物理量。例如天平、弹簧秤、温度计、比重计等。
（2）转换法。借助于力、热、光、电现象的相互转换实行间接测量，例如打点计时器的设计，电磁仪表、光电管的设计等。
（3）放大法。利用迭加，反射等原理将微小量放大为可测量，例如游标尺、螺旋测微器、库仑扭秤、油膜法测分子直径等。
2．探索性实验的选题
学生探索性实验，并不是去揭示尚未认识的物理规律。而是在经历该实验的全过程之后，对探索性实验有一个实在的感受，掌握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。在选题方面应注意到以下几点：
（1）根据中学生学到的数学知识和在实验时间上的限制，实验结果的经验公式以一次线性为宜。如：
物理实验报告 ·化学实验报告 ·生物实验报告 ·实验报告格式 ·实验报告模板
①线性关系：Y=a+bx
②反比关系：Y=a+b/x
③幂关系：Y=axb
改直：logy=loga+blogx
④指数关系： Y=aexp（bx）
改直：Iny=Ina+bx
以上各式中x为自变量，y为应变量，同时又是被测量，a、b为常数。
（2）两个被测量之间的变化特征具有较强的可观察性。
（3）经验公式的理论分析不宜过于复杂。
3．物理实验的操作方法
操作能力，主要是指基本仪器的使用和数据的读出，仪器、设备的组装或连接，故障的排除等三个方面。
（1）基本仪器的作用。中学物理实验涉及的基本测量仪器有：米尺、卡尺、螺旋测微器、天平、停表、弹簧秤、温度计、气压计、安培计、伏特计、变阻箱、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方法，明确测量范围允许极限和精密程度；
②对某些仪器如电表等，在使用前，必须调节零点，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。
例如，弹簧秤的正确使用要求是：明确弹簧秤的测量范围；测量前，记下零点误差；使用弹簧秤时，施力的方向应与弹簧的轴线在同一直线上，不能使弹簧秤受力过久，以免引起弹性疲劳，损坏仪器；正确地观察读数，记取数据时，不仅要记录最小刻度能指示出来的数，还应读出一位估计数字，数据后面要写明单位。
又如，安培计的正确使用要求是：明确量程；使用前，调节零点；正确连接应与待测电路串联，并注意正、负极性；正确读取数据，注明单位。
（2）仪器、设备的组装或连接。要进行一个物理实验，总是需要先把各个仪器、部件、设备组装起来，并要求装配和连接必须正确无误。具体要求是：布局要合理，要便于观察和操作；连接要正确，简单；实验前要检查，必要时进行预备性调节。
例如，电路实验，操作要求是：
①按照实验原理电路图，安排好仪器、元件的布局，要便于连接，便于检查，便于操作，便于读取数据。
②正确地连接电路。
安培表、伏特表是否分别与待测电路串联、并联，正、负极性是否正确；滑线变阻器的接线是否合理；连接线路是否符合先支路、再并列、后干路、最后接电源的程序；电键是否能控制电路；接线是否简捷、牢固。
③实验前应先检查电路，发现问题及时纠正，并进行预备性调节。
④严格按操作程序操作，例如，改变电阻器的阻值，是否由小到大，或由大到小，最后，正确读取数据。
（3）故障的排除
实验中的故障排除，不单是一种操作能力，它涉及对实验原理的掌握程度、分析问题处理问题的方法、对各部件工作情况的了解等，是一种综合运用能力。
实验发生故障时，应根据各部件工作状态及各部件联结处的分析，可能产生故障的几种因素，逐个检查，以致最后排除故障。
总之，培养实验操作能力，是学习物理的必要基础，它有利于对知识的`理解，有利于自己创造条件探索问题，有利于学生智力的发展。
在物理学习中，培养操作能力，应有计划地、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认识，在头脑中形成操作的映象，要求按规定的程序，做一些目的单纯的定向训练；
第二，操作的阶调阶段
要求反复练习操作，提高操作的准确性、协调性。
4．物理实验中的观察内容
观察是对事物和现象的仔细察看、了解。它是思维的知觉，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、有计划而且比较持久的思维知觉，一般需要重点地观察实验的基本仪器、实验的设备和装置，实验中的各种物理现象和数据、图象、图表，以及教师的规范化操作等等。
（1）观察仪器的刻度。仪器刻度的观察，主要是弄清刻度值的单位及其最小分度值，由此可确定测量值应估读到哪一位。
（2）观察仪器的构造。主要是通过观察，了解仪器的结构原理、每个部件的作用、测量范围等等。
例如，液体温度计是利用液体热胀冷缩的原理制成的。它们的底部都有一个玻璃泡，上部是一根顶端封闭、内径细而均匀的玻璃管，在管和泡里有适量的某种液体，管上标有刻度，在温度改变时，液体热胀冷缩，管内液面位置就随着改变，从液体达到的刻度就可读出温度值，温度计由于用途不一，测量范围也各不相同。例如，体温计的测量范围是35～42℃，一般实验室的水银温度计其测量范围是20～100℃。
（3）观察仪器的铭牌。通过对仪器铭牌的观察可了解仪器的名称、规格、使用方法和使用条件等等。
例如，有的变阻器的铭牌上标有“滑动变阻器，1.5A50Ω的意思是滑动变阻器允许通入的最大电流是1.5A，最大阻值是50Ω。
（4）观察图像、图表、示意图、实物图。对图像的观察，主要是观察它反映的是什么物理现象，物理量变化过程怎样，物理量的变化遵循什么规律。
对图表的观察，主要通过观察了解图表的意义、用途、应用条件以及所列物理量的单位。
例如，液体的沸点表反映了不同液体沸腾时的温度，用它可以查找液体的沸点，单位是℃，因液体的沸点跟压强等条件有关系，表中所列的通常是在1标准大气压下的沸点值。
对示意图、电路图、实物图等的观察，主要观察它们分别反映的是什么物理模型，有何用途，仪器和电路的结构是怎样布局的，各个部件（或元件）如何连接，各部分有什么关系等等。
（5）观察实验装置的安装。通过对实验装置安装的观察，可了解该装置的用途，使用了哪些仪器和元件以及仪器配置的顺序和方法等等。
（6）观察实验的操作过程。通过对实验操作过程观察，可了解操作前需做哪些准备工作，操作实验的顺序和过程怎样（例略）。
（7）观察实验的现象。对实验现象的观察，主要是观察现象产生的条件和过程。
例如，两根相距很近的平行导线，当通入相同方向的电流时，两者会相互吸引；当通入相反方向电流时，两者就互相排斥。
（8）观察实验的数据。实验数据的观察，要求观测的方法要正确，数字的读数要根据仪器最小刻度达到一定的准确度，记录测量的结果时必须明确数据的单位。
例如，测物体长度，观察刻度时要眼睛正视制度线，不能斜视，观察装在玻璃量筒里或玻璃量杯里水面到达的刻度时，视线要跟水面凹形的底部相平，观察水银温度计时，视线要和水银面最高处相平。
（9）观察教师的示范演示。对教师示范演示的观察，要观察教师规范化的安装实验装置，合理地安排实验程序和正确的操作过程以及演示物理现象、数据的读取和记录，如何得到实验结果等等（例略）。
5．物理实验中的观察方法
物理实验观察，通常采用的方法有：对比观察法和归纳观察法。
（1）对比观察法。人们认识事物、现象，往往是通过对两个事物、现象的对比，或把某一现象发生变化的前、后情况进行比较来实现的。
例如，观察物质熔解或凝固时的体积变化，就可以把石蜡放在烧杯里，先用酒精灯徐徐加热使其全部熔解。这时，观察到石蜡液面是水平的，标出液面与烧杯接触的高度。撤去酒精灯，等石蜡冷却全部凝固后，经过观察发现：石蜡面与烧杯接触的高度虽然没有明显的变化，但表面凹下去了。
又如，在学习沸腾现象时，可以观察液体在沸腾前和沸腾时的情况，并进行比较。这时，要求学生做到细致、敏捷、全面、准确地观察。结果会发现：沸腾前，液体内部形成气泡，气泡在上升过程中逐渐变大，达到液面后破裂。通过液体沸腾前、后的情况对比，可以得知：沸腾是液体内部和表面都进行剧烈地汽化的现象。
我们还可以人为地控制条件，使液体分别在常压、加压、减压下沸腾，比较不同情况下的沸腾现象可知：同一种液体，沸点随外界压强变化而改变；如果研究对象为不同液体，使它们在相同外界压强的条件下沸腾，通过对比实验观察可知，在相同的压强下，不同液体的沸点是不同的。
从以上两个例子可以看出：使用对比观察法，有利于掌握现象的特征以及它与其它类似现象的区别。
（2）归纳观察法。总结一些现象的一般规律，反映现象的实质时，或研究一些涉及变化因素较多的问题时，通常采用归纳观察法。即通过对个别现象分别进行观察，得到一些个别的结论，再分析、归纳，从而得出一般的规律。
例如，为了便于研究质点的加速度与力、质量的关系，就在先确定质量这个因素是不变情况下，观察加速度与力之间的关系；然后在确定另一个因素——力是不变的情况下，观察加速度与质量之间的关系；最后，通过归纳得出牛顿第二运动定律。
可见，使用归纳观察法，有利于掌握现象的实质以及研究比较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、任务，激发学生的观察兴趣，要使学生养成善于观察、勤于思考的习惯，要教给学生观察的方法，对学生进行观察训练，要求观察得准确、全面、细致、敏捷。
6．实验结果的表示
实验结果的表示，首先取决于实验的物理模式，通过被测量之间的相互关系，考虑实验结果的表示方法。常见的实验结果的表示方法是有图解法和方程表示法。在处理数据时可根据需要和方便选择任何一种方法表示实验的最后结果。
（1）实验结果的图形表示法。把实验结果用函数图形表示出来，在实验工作中也有普遍的实用价值。它有明显的直观性，能清楚的反映出实验过程中变量之间的变化进程和连续变化的趋势。精确地描制图线，在具体数学关系式为未知的情况下还可进行图解，并可借助图形来选择经验公式的数学模型。因此用图形来表示实验的结果是每个中学生必须掌握的。
图解法主要问题是拟合面线，一般可分五步来进行。
①整理数据，即取合理的有效数字表示测得值，剔除可疑数据，给出相应的测量误差。
②选择坐标纸，坐标纸的选择应为便于作图或更能方使地反映变量之间的相互关系为原则。可根据需要和方便选择不同的坐标纸，原来为曲线关系的两个变量经过坐标变换利用对数坐标就要能变成直线关系。常用的有直角坐标纸、单对数坐标纸和双对数坐标纸。
③坐标分度，在坐标纸选定以后，就要合理的确定图纸上每一小格的距离所代表的数值，但起码应注意下面两个原则：
a.格值的大小应当与测量得值所表达的精确度相适应。
b.为便于制图和利用图形查找数据每个格值代表的有效数字尽量采用1、2、4、5避免使用3、6、7、9等数字。
④作散点图，根据确定的坐标分度值将数据作为点的坐标在坐标纸中标出，考虑到数据的分类及测量的数据组先后顺序等，应采用不同符号标出点的坐标。常用的符号有：×○●△■等，规定标记的中心为数据的坐标。
⑤拟合曲线，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一环，拟合曲线时应注意以下几点：
a.转折点尽量要少，更不能出现人为折曲。
b.曲线走向应尽量靠近各坐标点，而不是通过所有点。
c.除曲线通过的点以外，处于曲线两侧的点数应当相近。
⑥注解说明，规范的作图法表示实验结果要对得到的图形作必要的说明，其内容包括图形所代表的物理定义、查阅和使用图形的方法，制图时间、地点、条件，制图数据的来源等。
（2）实验结果的方程表示法。方程式是中学生应用较多的一种数学形式，利用方程式表示实验结果。不仅在形式上紧凑，并且也便于作数学上的进一步处理。实验结果的方程表示法一般可分以下四步进行。
①确立数学模型，对于只研究两个变量相互关系的实验，其数学模型可借助于图解法来确定，首先根据实验数据在直角坐标系中作出相应图线，看其图线是否是直线，反比关系曲线，幂函数曲线，指数曲线等，就可确定出经验方程的数学模型分别为：
Y=a+bx，Y=a+b/x，Y=ab，Y=aexp（bx）
②改直，为方便的求出曲线关系方程的未定系数，在精度要求不太高的情况下，在确定的数学模型的基础上，通过对数学模型求对数方法，变换成为直线方程，并根据实验数据用单对数（或双对数）坐标系作出对应的直线图形。
③求出直线方程未定系数，根据改直后直线图形，通过学生已经掌握的解析几何的原理，就可根据坐标系内的直线找出其斜率和截距，确定出直线方程的两个未定系数。
④求出经验方程，将确定的两个未定系数代入数学模型，即得到中学生比较习惯的直角坐标系的经验方程。
中学物理实验有它一套实验知识、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作科学的安排，由浅入深，由简到繁加以培养和锻炼。逐步掌握探索未知物理规律的基本方法。
7．分组实验问题
对学生分组实验，目前存在的主要问题是：
①有的学生不讲求实验目的是否达到，不按实验规则和实验步骤进行实验，只是在实验室里把仪器当作玩具胡乱地摆弄几下就了事；
②有的学生不遵守实验室的纪律，在实验室内串来串去，大声讲话，干扰别人的实验操作；
③在分组实验中的操作往往由一人包办到底，其余同学只是陪坐，不能参与实验活动；
④有的同学不重视实验的科学性，不重视实验现象和实验数据的真实性，而是凑凑实验数据了事，将实验课变成了凑数据、拼结论的课。针对上述情况，在组织分组实验，特别是进实验室做第一个实验时，实验前的教育，从开始就着手培养良好的实验习惯。如爱护仪器，遵守实验室的各种纪律，实验前弄清实验目的，实验原理，实验步骤，了解实验时的注意事项以及实验仪器的操作和放置。如实验仪器的放置应方便操作和易于观察，需要观察和读数的仪器、仪表应放在中间靠近操作者，需要调节的仪器、仪表应放在面前稍偏右，其它器件以不影响操作，不防碍观察做有序的放置。应要求学生人人参加实验活动，认真观察实验现象和记录真实的实验数据。实验结束后，将实验仪器清理归还原处。认真处理实验所测出的数据，分析归纳实验中观察的现象，从而得出实验结论，分析实验误差，并写出简单的实验报告。
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