摘要：實驗設計在實驗教學中起著重要作用，設計是做好教學實驗的保證。中學物理教學實驗設計的方法有模擬法、比較法、平衡法、放大法、轉(zhuǎn)換法、圖像法、極限法、理想化方法等。

關(guān)鍵詞：物理教學；實驗設計；實驗方法

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2007)5(S)-0053-3

物理學是一門以實驗為基礎的學科，實驗是物理學最基本、最重要的研究方法。在中學物理教學的過程中加強實驗教學，不僅是向?qū)W生傳授科學知識的需要，而且是對學生進行實驗技能訓練、培養(yǎng)學生科學思維能力、使學生掌握科學研究方法、全面發(fā)展學生素質(zhì)的需要。然而，多年來實驗教學仍是一個薄弱環(huán)節(jié)。一方面，有些學校具備一定的實驗條件，但實驗教學未受到足夠的重視；另一方面，有些學校想開展實驗教學，卻苦于缺乏實驗設備。不論是哪種情況，要想開展好物理實驗教學，都應當先做好兩件事情：一是端正實驗教學態(tài)度；二是做好教學實驗設計。態(tài)度是做好實驗教學工作的前提，設計是做好教學實驗的保證。一個實驗往往有多種不同的方法和手段來實現(xiàn)，“壇壇罐罐當器材、拼拼湊湊做實驗”、“科學就在身邊、實驗就在手中”也說明了這個道理。利用現(xiàn)有實驗器材或者再添置、開發(fā)一些器材，經(jīng)過精心設計，也可以很好地完成實驗教學任務?？梢姡瑢嶒炘O計在實驗教學中起著重要作用。中學物理教學實驗設計的方法有很多種，可將其歸納為以下類別：

1 模擬法：也叫再現(xiàn)法，就是抓住事物的本質(zhì)特征，模擬自然現(xiàn)象發(fā)生的條件，在實驗室里重現(xiàn)自然物理現(xiàn)象和過程，從而揭示物理規(guī)律的一種實驗設計方法。

例如：用棱鏡對光進行色散可以模擬彩虹；自然界海市蜃樓的景象持續(xù)的時間短促、轉(zhuǎn)瞬即逝，利用人工方法模擬海市蜃樓，把大自然的壯觀幻景再現(xiàn)出來，使人能較長時間觀察與研究這種現(xiàn)象，并由此揭示其形成機制就是光在非均勻媒質(zhì)中傳播時光線彎曲所產(chǎn)生的景象；模擬法測繪靜電場，是用電流場模擬靜電場，且它與原靜電場的分布完全一樣，當用探針去測模擬場時，它不受干擾，因此可以通過測量模擬場而間接地達到測量靜電場的目的。2 比較法：比較法是通過實驗對一些物理現(xiàn)象或物理量的對照比較和分析研究，達到異中求同或同中求異的目的，以揭示所研究事物的某種性質(zhì)或規(guī)律的一種實驗設計方法。比較可以采取橫向?qū)Ρ群涂v向?qū)Ρ取M向?qū)Ρ纫话闶前蜒芯繉ο蠓譃閮蓚€或兩個以上的組群，一個是對照組，作為比較的標準。另一個是實驗組，通過某種實驗處理確定對實驗組的影響；縱向?qū)Ρ仁菍嶒灂r間前后的對比，即對同一組進行施加影響因素前和施加影響因素后的對比。

例如：研究物體的沉浮條件時，用重量相等的鋁盒與鋁團作比較；研究自由落體運動時，要否定亞里士多德關(guān)于“重的物體先落地”的錯誤觀點，可用質(zhì)量相等的紙團和紙片做比較演示其下落，進而用牛頓管做實驗比較羽毛與鐵片的下落；把兩種不同的金屬片鉚在一起做成雙金屬片進行受熱膨脹的比較；用黑白顏色截然不同的兩種物體表面來對比物體吸熱本領(lǐng)的不同；在自感現(xiàn)象觀察的實驗中，通過燈泡亮度的比較，顯示自感現(xiàn)象的存在；光譜分析也是運用比較法設計的；用電位差計測電源電動勢，就是在輔助電路上用待測電源與標準電源進行比較的方法。

3 平衡法：所謂平衡，就是矛盾雙方的平衡，分析平衡就是分析矛盾的雙方。在一個平衡的系統(tǒng)中，總存在著偏離平衡的因素，平衡就是指偏離平衡的不同因素的作用相互抵消的效應。在物理教學中，各種不同的平衡情況總對應著一個數(shù)學方程式，據(jù)此，就可由已知的物理量去尋求未知的物理量。平衡原理應用于實驗設計的例子很多。

例如：利用天平測質(zhì)量，是依據(jù)等臂杠桿平衡時兩邊質(zhì)量相等的原理；用彈簧秤測力，是根據(jù)二力平衡的原理；用托里拆利實驗測大氣壓強，是根據(jù)管內(nèi)一定高度的液柱所產(chǎn)生的壓力與大氣壓力相等；用惠斯登電橋測電阻，是利用電橋的平衡條件R₁/R₂=R_x/R₀來測定；測定金屬的比熱容，是利用系統(tǒng)達到熱平衡時吸熱與放熱相等來實現(xiàn)的；用電位差計測電源電動勢，也是在輔助電路上利用了平衡方法。4 放大法：在物理實驗觀測過程中，有些物理量由于太小而不能直接觀測時，就要借助聲、光、電或疊加等方法，將待測量放大后再進行觀測。中學物理實驗中常用的放大法有：

(1)電放大。例如：用單根導線切割磁感線來產(chǎn)生感應電流的演示實驗，由于感應電流很微弱，可以在示教電表上附加一個放大電路，使感應電流放大從而能在示教電表上明顯地顯示出來。

(2)光放大。例如：利用投影放大驗電器的驗電實驗、電解過程中的化學反應現(xiàn)象、水波的干涉現(xiàn)象；載流導體磁相互作用的實驗投影演示；金屬線脹系數(shù)測定實驗中，利用光杠桿放大法將金屬棒的微小膨脹放大后進行測量。

(3)機械放大。例如：熱膨脹的實驗演示中，銅棒受熱膨脹時，其長度的微小變化可以利用機械杠桿機構(gòu)加以放大后觀察。

(4)疊加放大。例如：用搖繩切割地磁場的磁感線來產(chǎn)生感應電流的演示實驗，由于感應電流太微弱，所以可以用很多股導線捆綁在一起組成搖繩，通過搖繩上多股導線的感應電流的疊加，便可以在示教電表上明顯地顯示出來。

5 轉(zhuǎn)換法：轉(zhuǎn)換法是一種間接測量或間接觀察的方法。在物理實驗中，常有一些現(xiàn)象因為不明顯而不易觀察或者不易直接觀察，這時可運用等效的思想，遵循等效的原則，借助力、熱、電、光、機械等方法之間的相互轉(zhuǎn)換以間接地達到可觀察、容易觀察或觀察效果明顯的目的。

例如：彈簧秤是把力的大小轉(zhuǎn)換為彈簧的伸長量來測量；固體的熱脹冷縮現(xiàn)象不明顯，可以轉(zhuǎn)換為指針偏轉(zhuǎn)或拉斷鋼釘來觀測；伏安法測電阻是把測電阻轉(zhuǎn)換為測量電壓和電流；邁克爾遜干涉儀則是把測光速轉(zhuǎn)換成測光的干涉條紋。

6 圖像法：根據(jù)實驗所獲得的物體運動軌跡、直觀圖形或數(shù)據(jù)，借助數(shù)學手段建立相應的坐標系，將這些軌跡、圖形或數(shù)據(jù)反映成坐標系下的圖像，然后加以分析研究，以揭示所研究事物的某種性質(zhì)或規(guī)律的一種實驗設計方法。

例如：研究單擺的振動規(guī)律，可以借助沙擺或墨擺在勻速運動紙板上留下的軌跡來實現(xiàn)；研究彈簧振子的振動規(guī)律，可以借助傳感器和計算機處理軟件，將其離開平衡位置的位移隨時間的變化規(guī)律形成圖像后進行分析；研究波的干涉規(guī)律時，借助水波干涉的投影圖像進行觀測分析。

7 極限法：極限法是物理實驗中常用的一種方法(有人稱之為極限思想)。在許多實際情況中，理論是在極限情況(或理想情況)下得到的，而實際上都不可能實現(xiàn)，于是就用極限法來解決。

例如：氣墊導軌上的許多物理實驗都與瞬時速度有關(guān)。然而，在這些實驗中所測定的瞬時速度往往是極短時間(或極短距離)內(nèi)的平均速度=δ_s/δ_t(δ_s是第一、第二擋光邊之間的距離，δ_t是兩次擋光之間的時間間隔)，由于無法做到δt→0，所以后者只能是前者的近似值。為了測得真正意義下的瞬時速度，可以采用極限法來解決：測出從待測點A起逐漸變短(即擋光距離δs不斷變小)的若干個δt內(nèi)的，畫出-δ_t圖線。對于勻變速直線運動，它是一條方程為=v_A+a/2δ_t的直線。將圖線延伸(外推)到坐標δ_t=0處，對應的值(直線截距)就等于A點的瞬時速度v_A。

8 理想化方法：理想化方法就是通過實驗，同時借助邏輯思維和想象力，有意識地突出研究對象的主要條件，完全排除次要因素和無關(guān)因素的干擾，在大腦中形成理想化的研究客體或各因素之間的相互聯(lián)系，從而探索物理世界內(nèi)在奧秘的一種科學抽象的方法。理想化方法一般有三種形式：對物理條件理想化——抓住起主要作用的條件，完全忽略其它條件的影響；建立理想模型——分為對象模型和過程模型；進行理想實驗。

例如：用紙帶落體法研究自由落體運動規(guī)律，是忽略空氣阻力和撞針對紙帶阻力影響后的理想化實驗；探究單擺振動規(guī)律的實驗，首先是用變式實驗抽象出單擺模型，然后是在擺角小于5°的情況下、且在忽略空氣阻力影響后進行的理想化實驗；實驗室里所做的有關(guān)研究理想氣體狀態(tài)變化規(guī)律的實驗也都是理想化實驗；對于伽利略，很多人都知道其比薩斜塔實驗，但他更為重要的實驗應當是斜面理想實驗，由此得到了慣性定律，并為物理學奠定了重要的方法論基礎。

當然，實驗設計方法遠不止這些，而且一個實驗中可能會貫穿多個方法。關(guān)鍵是明確并掌握了這些實驗設計方法，就可以在物理教學的過程中，運用現(xiàn)有實驗器材或經(jīng)適當配置，通過恰當?shù)膶嶒炘O計而很好地完成實驗教學任務。

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(欄目編輯王柏廬)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。