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1、物理实验设计与 教学探索,西南大学物理科学与技术学院，400715 http:/,本章主要内容,想一想,为什么说物理学是一门实验科学？,第一节 物理实验教学的功能,一、物理实验在物理学发展中的地位,物理学本质上是一门实验科学，任何物理概念的建立，物理规律的发现，都必须以严格的科学实验为基础；人们提出的理论是否正确，又必须通过实验和生产实践来检验。这一点可以用物理学发展史中一系列的生动事实所证明。,,经典电磁学理论的发展,1886年，赫兹在做放电实验时，偶然发现一个线圈两端发出了电火花。他想到，这可能与电磁波有关。于是，他制作了一个电磁波探测器谐振环，他把谐振环放在放电的莱顿瓶附近，反复调整谐振
2、环的位置和小球的间距，终于在两个小球间闪出电火花。赫兹认为，这种电火花是莱顿瓶放电时发射出的电磁波，就这样，人们怀疑并期待已久的电磁波终于被实验证明了。,二、物理实验在物理教学中的地位物理实验及其教学是物理教学的重要组成部分，它既是物理教学的重要基础，又是物理教学的重要内容、方法和手段。,1、物理实验是物理教学的重要基础,在物理教学中运用实验可以给学生创造一个学习物理的良好环境，通过学生的观察和实验，使学生能主动地获取物理知识，掌握和运用物理知识，并发展他们的能力。同时，促进学生科学品质和世界观的形成，掌握科学的方法和实验技能，形成良好的科学习惯。“物理、物理、以物论理”，物理教学离不开实验，
3、在物理教学中必须以实验为基础，不然就违背了物理教学的规律。,（1）物理实验本身就是物理学的不可分割的重要内容物理学知识包括三个因素：实验（事实）、物理思想（逻辑方法论）和数学（表达式或计算公式）。所以，实验内容本身就是教师要教，学生应该学的重要内容。如：牛顿运动定律 （2）实验教学是物理教学的重要组成部分实验是物理概念、规律教学中必不可少的基础。没有实验，物理教学只能是“空中楼阁”，就会把本来生动的、丰富的物理知识变成一堆枯燥难懂的材料。如：楞次定律教学,2、物理实验是物理教学的重要内容,（3）实验是培养学生实验能力（特别是操作能力）的保证,从教师的演示、示范和学生自己的动手操作中，学生可以从
4、中学到实验的基本知识、基本技能和基本方法，可以发展能力，培养良好的实验素质。,器材展示,器材安放,过程演示,原理讲解,3、物理实验是物理教学的重要方法,在众多的教学方法中，基本的教学方法有五种 ：观察法 、实验法、讲授法 、自学法 、讨论法 ，可见物理实验是物理教学的重要方法。,4、物理实验是物理教学的重要手段,（1） 物理教学中可以应用小实验引人课题,铁钎叉“鱼”,实验引出疑问：为什么瞄准了，却叉不到鱼？ 引出本节课的主题：光的折射,(2)用实验建立物理概念或定律,用激光演示仪探究光的折射规律,（3）用实验巩固、复习所学的知识,利用今天所学习的光的折射知识， 试着画出光路图，解释“筷子折断”
5、这一生活现象!,三、物理实验教学功能,物理实验是物理知识的主要源泉，也是物理教学的基本研究方法和手段，它对物理学的发展始终起着决定性作用，同样它对物理教学也起着重要的作用。实验在物理教学中的作用可以体现在物理教学的各个环节中，贯穿于整个物理教学过程。,纸带为什么会断呢？,向上迅速提纸带,1、激发学习兴趣，培养学习动机,,通过观察人站在体重计上迅速下蹲和迅速起立时体重计示数的变化，感知超重和失重现象。,2、提高感知效果，优化学习环境,3、创设物理情景，启发学生思维,如，用实验创设情境引入楞次定律,4、探究（验证）物理规律，学会研究方法,用实验演示楞次定律,,5、培养学生能力，掌握实验技能,学生在
6、预习、了解实验目的和原理过程中，可以培养学生的自学能力、记忆能力；在实际操作中，学生在选择实验器材、装配实验仪器、排除实验故障过程中锻炼了学生的动手能力，分析问题、解决问题的能力，运用知识的能力；在研究现象的原因、实验的结果和形成结论的过程中，要进行概括，通过分析、比较、推理、判断等过程培养学生的逻辑思维能力，发展学生的想象能力；在学生汇报实验结果的过程中，培养了学生概括总结、组织表达的能力。同样，在制作教具过程中，也需要思维、实验操作技能，发展了学生的想象力和创造能力。,,6、形成物理图像，认识物理过程,自制“模拟电梯”结合DISlab数字化实验仪演示超重和失重过程中重物示重的变化。,7、养
7、成良好习惯，学会科学方法,实验要求实事求是、一丝不苟、手脑并用，可以培养学生实事求是的科学态度和遵守纪律、爱护仪器的良好习惯。实验创造了理论联系实际的学习过程，它不仅能用实验手段去验证事物的属性，发现事物的变化、联系和规律，还能活化所学到的知识，还能让学生从学习中学习、体会科学的研究方法，掌握科学的学习和认知方法，如实验归纳法、实验验证法、实验探究法、理想实验法等等。,伽利略的理想实验为牛顿第一定律打下了坚实的基础。,,8、提高科学素养，培养创新意识,在物理教学中，我们要严格要求学生实事求是地对待实验过程、实验数据，不随意涂改数据、编造数据，要尊重客观事实。要知道理论和实验总是存在着差异，有实
8、验误差是必然的，我们的责任是如何减小误差，首先要尊重客观事实，再分析、探索实验结果产生误差的原因。在实验教学过程中，有时会发现预料结果之外的现象，这些出乎人们预料的现象的出现都是有科学原因的，追索这些原因，能学到许多书本上没有的知识，使知识的视野更加开阔、知识更深化，更重要的是培养学生开拓创新的精神。,第二节 物理实验设计的原则与方法,1.科学性设计的方案应有科学的依据及正确方式： （1）方案中所依据的原理应遵循物理规律，且要求选用的规律简明、正确。 （2）方案中安排的步骤应有合理的顺序，其操作符合实验规则要求。 （3）方案中进行数据处理及误差分析应依据科学的研究方法。,一、实验设计原则,,2
9、.安全性设计方案实施时，应安全可靠，不会对仪器、器材和人造成危害。 （1）选用器材时，应考虑仪器、器材的性能及量值的要求（如：仪表量程、电器的额定值、测力计的弹性限度等）。 （2）设计方案时应设计保护措施。,3.精确性实验误差应控制在误差允许的范围之内，尽可能选择误差较小的方案。 （1）在安装器材时或使用仪器之前，应按实验要求对器材、仪器精心调整（如：校正零点）。 （2）选用合适的测量工具及合适的量值范围，使之与被测数值相匹配。 （3）针对实验中可能出现的因操作而带来的误差，要多次重复测量，以选取有效信息或数据。 （4）设计合理的数据处理方式,,4.简便性、直观性设计的实验要便于操作、读数，便
10、于进行数据处理，便于实验者观察、测量。,二、实验设计的基本思维方法,1 .嫁接法“嫁接”是植物学中的概念，指在一般品质的植物枝条上接上优秀品种或不同类植物，从而得到品质优良的果实。在物理仪器的设计中应用类似的方法，在一般的仪器上配置一些先进的器件，从而使整套设备的性能大大提高。例如，激光瞄准器在枪械上的应用，数字计时器、CCD、计算机等在物理实验上的应用。,改进法就是在原设计制造仪器的基础上，对在实际使用过程中暴露出来的缺陷与不足进行改进，增强其性能，总体上并不作根本性的改动。这种改动小到一个螺栓从右旋改为左旋，大到主要部件的更新。例如，气垫导轨材料的改进（用异形铝合金代替圆筒形铸铝），即减轻
11、了重量又不易变形。,2. 改进法,组合法就是考虑到实验的方便和一些常用工具、仪器的通用性，把若干个相互联系的实验组合成一个系统，只须配上每个实验专用的仪器或某些巧妙的连接零件，就可以用一个系统作若干个实验。例如：力学、光学实验组合箱。分割法就是把实验仪器的某些部件从整体上分离出来，进行一些特定的实验演示。它与组合法属于同一设计思想。如，一个实验多种方法、一种仪器多种用途。,3. 组合、分割法,在进行物理研究时，有时受客观条件的限制，无法对某些自然现象进行实验。此时我们人为地创造一定的条件和因素，使之与自然现象有一定的相似特征，从而在模拟的条件下进行实验，变无法为有法。例如，静电场等势线的描绘实
12、验，直接描绘静电场的等势线是很困难的，由于静电场和直流电流场遵循相似的规律，所以我们用电流场来模拟静电场；又如我们用三棱镜对光的色散来模拟彩虹实验，都属于这种思维方法。,4. 模拟法,5. 放大法,将难于测量的微小量通过一定的规律放大后再进行测量，这种处理方法为放大法。如，油膜法测分子直径实验中，对于一滴油体积的测量方法；单摆测重力加速度实验中，单摆振动周期的测量方法；杨氏模量实验中的光杠杆原理等都属于这一思维方法。,,在物理实验中，通过对一些物理现象或物理量的比较，从而达到异中求同或同中求异的目的。如，天平测物体质量，将待测质量与砝码质量进行比较。进行光谱分析时，将某种未知物质的明线光谱或吸
13、收光谱与元素的特征光谱进行比较、观察，异中求同，即可以鉴别物质或确定它的化学组成。,6 .比较法,用一个标准的已知量替代被测量，并调整此标准量，使整个系统恢复到替代前的状态，则被测量等于标准量。替代法又叫等效法。如，验证力的合成满足平行四边形法则实验方法。研究平抛物体的运动实验中，用位移来替代速度。,7. 替代法,,有些物理过程是瞬息即逝的，我们需要将瞬息即逝的现象（位置、轨迹、图象等）记录下来研究。如，用示波器观察交流电的波形；用打点计时器打点记录物体的位置和时间。,8 .留迹法,9. 控制变量法,在实验中或实际问题中，常有多个因素在变化，造成规律不易表现出来，这时可以先控制一些物理量不变，
14、依次研究某一个因素的影响和作用。如，验证牛顿第二定律；验证欧姆定律得实验方法。,也称间接测量法。把一些不容易直接观察到或不容易测量的物理量，采用间接的方法，借助于力、热、电、光等现象之间或物理量之间的必然联系，使观察或测量更容易、更明显些。例如，无法直接测定金属的电阻率，我们就转化为测定金属丝的直径、长度和电阻，由电阻定律来间接测量金属的电阻率。许多测量仪器也是根据转换的思想设计制作的，如，温度计是把温度转化为测体积的大小，电流表和电压表把电流的大小和电压的高低转化为指针偏转角度的大小来显示。,10. 转换法,,11. 累积法,把难以用常规仪器直接准确测量的物理量用累积的方法，把小量变大便于测
15、量，还有利于提高测量的准确度，减小误差。如：用直尺测细金属丝的直径。用直尺测一页纸的厚度。,第三节 物理实验教学探索,一、新课程标准对物理实验教学的要求,1、通过典型实例，认识实验在物理学发展中的重要地位和作用。了解可重复性和可控制性是对物理实验的基本要求。2、通过实验认识测量的意义；理解系统误差与偶然误差、绝对误差与相对误差，以及有效数字的概念；会用有效数字表达测量结果；知道精度和准确度的区别；能对实验误差进行初步分析。,3、初步具有发现问题、提出实验、研究课题的能力；能根据实验目的，设计并讨沦实验方案，确定科学、合理的实验步骤。4、根据实验要求合理选择并安装实验器材，正确进行实验操作。对较
16、复杂或没使用过的仪器，能读懂仪器说明书，并按说明书正确使用该仪器。具备用已有的知识和设备能否完成实验的判断能力。能排除实验中出现的一般故障。,5、正确观察和如实记录实验现象和数据，养成实事求是的科学精神。会用正确方法处理实验数据，得出实验结论。6、在实验过程中能与他人合作交流。能够对实验方案和实验结果进行评估和反思，具有对结果进行质疑、改进方案的意识。能够用科学语言，正确地写出实验报告。,二、教学要求在物理实验教学中的实施,物理实验教学的要求,课堂教学要求,其它教学要求,学生通过物理实验全过程的学习，在获取和巩固物理知识的过程中要理解和掌握运用实验手段处理物理问题的基本方法与技能。要培养观察能力、思维能力和操作能力，提高自己对物理学习的动机和兴趣。在实验过程中要养成严谨、求实的态度和不断求索的精神。,
