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1、物理实验的简单设计物理实验的简单设计 物理实验物理实验物理实验是科学实验的一种。物理实验是科学实验的一种。所所谓谓科科学学实实验验，就就是是人人们们根根据据研研究究的的目目的的，利利用用科科学学仪仪器器设设备备人人为为地地控控制制或或模模拟拟自自然然现现象象，排排除除干干扰扰、突突出出主主要要因因素素，在在最最有有利利的的条条件件下下去去研研究究自自然然规规律律的的一一种活动。种活动。在在物物理理学学产产生生和和发发展展的的进进程程中中，物物理理实实验验自自始始至至终终占占有有极极其其重重要要的的地地位位。可可以以说说它它是是发发现现物物理理奥奥秘秘、总总结结规规律律的的钥钥匙匙。我我们们提提
2、出出的的假假设设与与猜猜想想是是否否正正确确，一一般般都要通过实验来验证。都要通过实验来验证。历史上许多实验的设计非常巧妙，不仅目历史上许多实验的设计非常巧妙，不仅目的明确，思考周密，而且抓住关键，出奇的明确，思考周密，而且抓住关键，出奇制胜。例如，制胜。例如，1717世纪伽利略设计研究惯性世纪伽利略设计研究惯性定律定律, ,自由落体的实验自由落体的实验; ;历史上持续了近历史上持续了近300300年的测定光速的实验年的测定光速的实验;1911;1911年卢瑟福研年卢瑟福研究原子内部结构的粒子散射实验等，就是究原子内部结构的粒子散射实验等，就是巧妙设计的典范。由于我们的知识所限，巧妙设计的典范
3、。由于我们的知识所限，对这些实验还难于理解，但是我们可以对对这些实验还难于理解，但是我们可以对教材中的一些实验认真加以分析，就会得教材中的一些实验认真加以分析，就会得到很多启发。到很多启发。 实验设计实验设计 1.1.确定实验目的确定实验目的 2. 2.确定实验中的变量确定实验中的变量 3. 3.实验变量的控制实验变量的控制 4. 4.实验的组成部分（实验对象，实验源，实验效果显示器）实验的组成部分（实验对象，实验源，实验效果显示器） 5. 5.实验效果显示的方法实验效果显示的方法( (转换法，对比法，放大法转换法，对比法，放大法) ) 6. 6.选择实验仪器选择实验仪器 7. 7.确定实验步
4、骤确定实验步骤 8. 8.设计实验数据记录表设计实验数据记录表 9. 9.实施实验实施实验10.10.实验数据处理实验数据处理11.11.总结规律总结规律 物理实验设计的三步曲物理实验设计的三步曲确定变量确定变量( (一般都是多个变量一般都是多个变量: :如引起如引起I I变化的变化的V,R,;V,R,;一个因一个因变量变量I,I,二个自变量二个自变量R,V;R,V;) )如何控制变量如何控制变量( (这样只研究两个变量这样只研究两个变量: :一个因变量一个因变量I,I,一个一个自变量自变量R R或或V;V;) )设计实验设计实验: :实验对象实验对象: : 因变量因变量( (电阻电阻R R上
5、的电流上的电流I)I)实验源实验源: : 自变量自变量( (引起电流变化的电源引起电流变化的电源V)V)实验效果显示器实验效果显示器: : 电流表电流表 1.确定实验目的假设假设( (在实验的基础上提出在实验的基础上提出):):研究电路中的电流研究电路中的电流I I与电压与电压U U电阻电阻R R的关系的关系2.确定实验的变量变量:因变量:I自变量:U R3.实验变量的控制控制变量实验法: 在决定事物或者过程的规律的多个因素在决定事物或者过程的规律的多个因素( (变量变量) )中，先固定一些变量因素不变，只改变其中的中，先固定一些变量因素不变，只改变其中的一个变量因素，进行观察实验，如此多次反
6、复一个变量因素，进行观察实验，如此多次反复然后再运用归纳法或者逻辑推理等方法，综合然后再运用归纳法或者逻辑推理等方法，综合出多个变量因素之间的关系，从而得出物理规出多个变量因素之间的关系，从而得出物理规律。律。1.1.固定固定R:R: 改变改变U:U:研究研究I I与与U U的关系的关系2.2.固定固定U:U: 改变改变R:R:研究研究I I与与R R的关系的关系4.实验的组成部分实验对象实验对象:电阻电阻实验源实验源:电源电源(电池电池)实验效果显示器实验效果显示器:电压表电压表,电流表电流表物理实验的基本组成部分物理实验的基本组成部分分析的依据：分析的依据：统编初中物理教材，统编初中物理教
7、材，个实验，其中演示实验个实验，其中演示实验个，学个，学生分组实验生分组实验个，小实验个，小实验个，习个，习题中的设计实验题中的设计实验个。这些实验都渗个。这些实验都渗透着物理学工作者十分丰富而新颖的方透着物理学工作者十分丰富而新颖的方法论思想。法论思想。例如，为了研究物体发声的原因，通过观察，提出物体例如，为了研究物体发声的原因，通过观察，提出物体发声的原因是物体振动引起的，这一假设是否正确呢，发声的原因是物体振动引起的，这一假设是否正确呢，我们可以设计实验来验证。如图我们可以设计实验来验证。如图1 1，拿一个音叉，用小，拿一个音叉，用小锤敲击它，音叉发出了声音，但是难于观察到音叉在振锤敲击
8、它，音叉发出了声音，但是难于观察到音叉在振动，此时我们可以采用许多办法，例如，用手轻轻地接动，此时我们可以采用许多办法，例如，用手轻轻地接触音叉，感受音叉在振动。为了使更多的人观察到它的触音叉，感受音叉在振动。为了使更多的人观察到它的振动，教材中设计用细线拴一个小乒乓球，轻轻地接触振动，教材中设计用细线拴一个小乒乓球，轻轻地接触音叉，通过观察乒乓球被弹出，从而说明音叉在振动，音叉，通过观察乒乓球被弹出，从而说明音叉在振动，实验尽管是很简单的，但是其设计思想确实非常巧妙的。实验尽管是很简单的，但是其设计思想确实非常巧妙的。这个实验还可以用来研究声音的响度与振幅等因素的关这个实验还可以用来研究声音
9、的响度与振幅等因素的关系。系。又如，我们要验证凸透镜对光线的会聚又如，我们要验证凸透镜对光线的会聚作用（或者是研究凸透镜的成像规律），作用（或者是研究凸透镜的成像规律），拿一个凸透镜，找一个光源（可以是太拿一个凸透镜，找一个光源（可以是太阳，蜡烛，手电筒等），汇聚的光线或阳，蜡烛，手电筒等），汇聚的光线或所成的像呈现在光屏上，以便于观察，所成的像呈现在光屏上，以便于观察，如图如图2 2。再再如如，我我们们验验证证物物体体在在水水中中受受到到浮浮力力，可可以以在在弹弹簧簧秤秤下下栓栓一一个个铁铁块块，放放入入水水中中，借借助助观观察察弹弹簧簧秤秤示示数数的的减减小小说说明明铁铁块块受受到到了了浮
10、浮力力，如图如图3 3。通通过过以以上上及及许许多多实实验验的的观观察察，我我们们发发现现, ,一一个个完完整整的成功的物理实验大致可由三个部分组成：的成功的物理实验大致可由三个部分组成：1.1.实实验验对对象象：它它是是我我们们要要研研究究的的对对象象，可可以以是是一一个个物物体体，一一件件事事物物，或或者者一一个个现现象象等等，例例如如以以上上实验中的音叉，凸透镜，铁块等；实验中的音叉，凸透镜，铁块等；2.2.实实验验源源：它它是是对对实实验验对对象象施施加加一一个个作作用用，或或者者对对实实验验对对象象发发出出一一个个信信号号的的发发生生源源，例例如如以以上上实实验验中中的的小小锤锤，蜡
11、蜡烛烛，水水等等；做做力力学学、热热学学、电电学学、光光学学实实验验，要要分分别别选选取取力力源源、热热源源、电电源源、光光源源等。等。3.3.实实验验效效果果显显示示器器：它它是是用用来来呈呈现现实实验验对对象象接接受受实实验验源源的的作作用用或或信信号号后后所所产产生生的的效效应应的的装装置置。通通过过它它直直接接或或间间接接地地进进行行效效果果的的观观察察。例例如如以以上上实实验中的乒乓球，光屏，弹簧秤等等。验中的乒乓球，光屏，弹簧秤等等。 当当然然，上上述述分分法法不不是是绝绝对对的的。有有些些简简单单的的实实验验中中，例例如如拨拨动动钢钢尺尺研研究究声声音音的的发发生生以以及及决决定
12、定音音调调的的因因素素，此此时时实实验验对对象象和和实实验验效效果果显显示示器器都都是是钢钢尺尺，也也就就是是说说实实验验效效果果就显示在实验对象身上。就显示在实验对象身上。可可以以对对教教材材中中的的实实验验逐逐个个进进行行研研究究，分分析析它它的的基基本本组组成成部部分分，这这对对学学习习实实验验设设计计是是很有帮助的。很有帮助的。物理实验的基本组成部分视频资料物理实验的基本组成部分视频资料天津老师的讲课录像:显示喇叭发生在振动洪恩课件济南老师:固体平面镜的形变(激光演示) 实例实例 实验对象实验对象 实验源实验源 显示器显示器 物体的物体的 手的手的 细管中细管中形变形变 玻璃瓶玻璃瓶
13、压力压力 的色水的色水 帕斯卡球帕斯卡球 液体液体 活塞活塞 橡皮膜橡皮膜 空气压缩空气压缩 气室中气室中 硝化棉硝化棉引火仪引火仪 的气体的气体 活塞活塞 被点燃被点燃 气体的气体的 细管中细管中热膨胀热膨胀 气体气体 手捂手捂 的色水的色水 奥斯特奥斯特 导线中导线中 磁针磁针 实验实验 的电流的电流 电源电源 偏转偏转 光光 电电 效效 应应 锌板锌板 弧光灯弧光灯 验电器验电器 透镜成像透镜成像 凸透镜凸透镜 蜡烛蜡烛 光屏光屏 粒子粒子 荧光屏荧光屏散射实验散射实验 金箔金箔 放射源放射源 显微镜显微镜 5.实验效果显示的方法实验效果显示的方法我我们们了了解解实实验验的的基基本本组组
14、成成部部分分，是是为为了了根根据据要要求求进进行行实实验验设设计计。实实验验设设计计中中确确定定实实验验对对象象、选选择择实实验验源源相相对对来来讲讲是是比比较较容容易易的的，困困难难的的是是如如何何明明显显地地显显示示实实验验的的效效果果，在在物物理理实实验验中中，常用的方法有以下几种。常用的方法有以下几种。转换法，转换法，对比法，对比法，放大法放大法平衡法平衡法转换方法转换方法也也称称间间接接方方法法。在在物物理理实实验验中中，常常有有一一些些现现象象因因不不明明显显而而不不易易观观察察或或者者不不易易直直接接观观察察，这这就就要要借借助助于于力力、热热、电电、光光、机机械械等等方方法法之
15、之间间的的相相互互转转换换，以以间间接接地地实实现现可可观观察察、容容易易观观察察或或观观察察效效果果明明显显的的目目的的。这这里里说说的的转转换换主主要要是是从从效效果果相相当当的的思思想想出出发发进进行行的的转转换换。例例如如难难于于观观察察到到音音叉叉的的振振动动，我我们们利利用用小小乒乒乓乓球球，轻轻轻轻地地接接触触音音叉叉，通通过过观观察察乒乒乓乓球球被被弹弹出出，从从而而说说明明音音叉叉在在振振动动；通通过过放放在在喇喇叭叭纸纸盆盆上上小小纸纸屑屑的的跳跳动动，间间接接地地说说明明纸纸盆盆发发声声时时在在振振动动，这这都都是是很很典型的利用了转换的方法。典型的利用了转换的方法。 放
16、大方法放大方法在在实实验验观观测测过过程程中中，有有些些物物理理量量因因太太小小而而不不能能直直接接观观测测时时，就就可可以以借借助助于于声声、光光或或叠叠加加等等方方法法，将将待待测测量量放放大大后后再再去去观观测测。如如放放大大镜镜、望望远远镜镜、显显微微镜镜等等仪仪器器的的设设计计都都源源于于放放大大的的思思想想。还还有有的的实实验验中中，需需要要测测量量一一些些微微小小量量，如如金金属属丝丝的的直直径径，纸纸的的厚厚度度，一一段段头头发发的的质质量量等等，可可以以将将细细导导线线缠缠绕绕在在木木棒棒上上，测测出出若若干干圈圈导导线线所所占占的的长长度度，然然后后求求出出直直径径等，用的
17、都是这种方法。等，用的都是这种方法。比较方法比较方法物物理理实实验验常常通通过过对对一一些些物物理理现现象象或或物物理理量量的的比比较较，来来达达到到异异中中求求同同或或同同中中求求异异的的实实验验目目的的，此此即即比比较较法法。实实际际上上可可以以说说每每一一个个实实验验中中都都要要利利用用了了比比较较的的方方法法，例例如如确确定物理现象的有无、现象的强弱等。定物理现象的有无、现象的强弱等。当当然然，物物理理实实验验效效果果显显示示的的设设计计方方法法绝绝不不限限于于上上述述几几种种，需需要要在在实实验验设设计计中中灵灵活活运运用用以以达达到到实实验验的的目目的的。我我们们可可以以对对教教材材中中的的实实验验逐逐个个进进行行分分析析，看看这这些些实实验验中中是是如如何显示实验效果的。何显示实验效果的。以下几条略以下几条略6.选择实验仪器选择实验仪器 根据实验的三个基本组成部分选择仪器器材根据实验的三个基本组成部分选择仪器器材7.确定实验步骤确定实验步骤8.设计实验数据记录表设计实验数据记录表9.9.实施实验实施实验10.10.实验数据处理实验数据处理11.11.总结规律总结规律
