張金義

近年來高考對物理實驗的考查已基本成型,分值約占17到21分,充分體現(xiàn)了中學(xué)物理實驗的重要性。考查內(nèi)容已從簡單的重復(fù)性(或記憶型)轉(zhuǎn)化到了能力考核上,對中學(xué)物理實驗教學(xué)來說,課程標(biāo)準(zhǔn)中明確指出“實驗?zāi)芰κ侵冈诶斫獾幕A(chǔ)上獨立完成20個基本學(xué)生實驗,會正確使用這些實驗中所使用過的儀器進(jìn)行測量觀察,會觀察分析實驗中的現(xiàn)象,能應(yīng)用數(shù)學(xué)知識處理實驗數(shù)據(jù)并得出結(jié)論等。許多學(xué)生和教師在實驗學(xué)習(xí)和教學(xué)中都存在一些誤區(qū),或簡單重復(fù)實驗步驟、實驗操作;或孤立記憶實驗結(jié)論或?qū)嶒炓?或沿用課本上給定的方法處理數(shù)據(jù)等。另外眾多的復(fù)習(xí)資料中雖然也逐一例舉了每個實驗的步驟、方法、結(jié)論,都針對某個具體實驗展開一些討論,提出了注意事項和誤差原因,但都不夠全面,都沒有給出全面而系統(tǒng)的指導(dǎo)方向和備考策略,沒有真正領(lǐng)悟教材的意圖。這種教學(xué)既不符合物理實驗教學(xué)的要求,也不利于提高學(xué)生應(yīng)對高考實驗?zāi)芰Φ目疾?更不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

物理學(xué)本身就是一門實驗科學(xué),許多重要的物理規(guī)律都建立在實驗的基礎(chǔ)上,沒有可靠的實驗為依據(jù)就沒有物理學(xué)的發(fā)展。人類物理學(xué)的發(fā)展就是人們不斷的觀察現(xiàn)象、分析本質(zhì)、總結(jié)規(guī)律從而設(shè)計實驗,改進(jìn)實驗,分析實驗的歷史。事實上,每一次物理實驗上的重大突破,都能使物理學(xué)有一次質(zhì)的飛躍。就中學(xué)物理學(xué)所涉及到的史實有:引力恒量的測定既證明了萬有引力的存在又使萬有引力有了實用價值;楊氏干涉實驗為光的波動性提供了有力證據(jù);光電效應(yīng)又證明了光的粒子性;動量守恒定律的建立為研究微觀粒子的運動提供了理論上的武器;α粒子散射實驗幫助人們認(rèn)識了原子的核式結(jié)構(gòu),叩開了微觀領(lǐng)域的大門;牛頓對射散現(xiàn)象的研究,使人們認(rèn)識了自然光的成分,弄清了自然界五彩斑斕的原因;通過觀察氫光譜使人們了解了原子的躍遷和能級,進(jìn)而有了光譜分析的應(yīng)用;質(zhì)譜儀的發(fā)明為分析同位素提供了稱量的工具;回旋加速器將人們從研究領(lǐng)域帶入了微觀高速世界……物理學(xué)的前沿仍然是在尋找實驗數(shù)據(jù)來解釋萬有引力的的本質(zhì),并試圖建立大統(tǒng)一理論。

因此,中學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué),首先要明確物理實驗的重要性;其次要培養(yǎng)善于觀察實驗現(xiàn)象,分析事物本質(zhì)的物理品質(zhì);再次要通過學(xué)習(xí)教材中規(guī)定的學(xué)生實驗,掌握物理實驗中所涉及到實驗儀器的使用、計數(shù)、觀察和讀數(shù),盡可能學(xué)會用常規(guī)儀器進(jìn)行直接測量或間接測量,以達(dá)到看似不可能完成的測量;掌握實驗中所隱含的實驗思想、實驗數(shù)據(jù)的處理方法以及誤差分析方法,培養(yǎng)學(xué)生必備的物理實驗?zāi)芰蛯嶒灱寄堋Ｕ蔷売谏鲜鲈?在中學(xué)物理教材中規(guī)定了20個經(jīng)典物理實驗,有的重在介紹儀器的使用;有的重在培養(yǎng)觀察能力;有的重在介紹數(shù)據(jù)處理方法;有的強(qiáng)調(diào)動手能力,驗證物理結(jié)論;有的重在培養(yǎng)實驗技能;有的要求分析誤差產(chǎn)生的原因等。旨在要求中學(xué)生掌握中學(xué)物理實驗范圍內(nèi)常用儀器的使用,會分析觀察實驗現(xiàn)象,掌握一些簡單的實驗方法,會應(yīng)用所有的知識分析處理實驗數(shù)據(jù)并得出實驗結(jié)論,培養(yǎng)學(xué)生必備的物理實驗技能,為今后的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。因此,筆者結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗,仔細(xì)研究高考考綱的要求和近年來高考中出現(xiàn)的實驗考查題型,針對中學(xué)物理實驗提出以下六個方面的應(yīng)試策略:

一、掌握實驗中所使用過儀器的原理、構(gòu)造、使用方法及讀數(shù),掌握不同實驗中儀器的選擇

即了解每一種儀器的構(gòu)造、原理、調(diào)整和讀數(shù),如常用測量工具游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、秒表、電壓表、電流表的讀數(shù)方法;打點計時器的結(jié)構(gòu)及工作原理;示波器各旋鈕的功能和作用,萬用表使用時的調(diào)零和歐姆檔量程的選擇。學(xué)會合理選擇儀器,不同的測量對象選擇不同精度的儀器。

二、分析弄清實驗原理的合理性

物理實驗的合理性是指既要符合實際,同時還能在現(xiàn)有的條件下實施該方案,并能使實驗結(jié)果接近真實值。如:驗證力的平行四邊形法則中選用橡皮條;打點計時器時間間隔為0.02秒是緣于交流電的頻率為50赫茲;確定勻變速紙帶的瞬時速度和加速度是根據(jù)勻變速運動的規(guī)律;測金屬電阻率的實驗中只需測金屬絲的電阻、長度和直徑,是根據(jù)間接測量法;測電流表的內(nèi)阻采用半偏法是利用了并聯(lián)電路等值均分電流的特點;驗證機(jī)械能守恒實驗中選取第一二兩點的距離接近2mm,是因為自由落體在2秒內(nèi)的位移為1.96毫米(g=9.8);測定電池的電動勢和內(nèi)阻是根據(jù)閉合電路歐姆定律;電場中等勢線描繪實驗中,利用了電流場來模擬靜電場。通過這些合理性分析弄清其合理性都來源于正確的理論指導(dǎo),從而明確理論指導(dǎo)實驗,實驗驗證理論的關(guān)系。

三、體會實驗方法的科學(xué)性

如驗證力的平行四邊形法則中體現(xiàn)了合力與分力的等效思想;油膜法測分子直徑實驗中體現(xiàn)了用宏觀量測微觀量;金屬電阻率實驗中體現(xiàn)了間接測量法;描繪小燈泡伏安特性曲線實驗中通過實驗數(shù)據(jù)再現(xiàn)了金屬電阻率隨溫度升高而增大的特性;此外電學(xué)實驗中分壓式和限流式接法的選擇;為什么用單擺測重力加速度而不用自由落體?電場中等勢線的描繪實驗中,基準(zhǔn)點為什么等分為5個?為什么引入圖像法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?用油膜法測分子直徑實驗中,為什么用油酸酒精溶液而不用純油酸?在驗證動量守恒實驗中,為什么不用測定時間而只需測定小球的水平射程?伏安法測電阻中,為什么要對電流表進(jìn)行內(nèi)外接法的選擇等,都體現(xiàn)了實驗方法的科學(xué)性。

四、認(rèn)真分析實驗步驟,弄清它們的可操作性

在具體每一個實驗中,對包括實驗步驟的先后順序,安裝、拆解儀器的順序,測量物理量的先后順序等都要弄清。使用打點計時器計時時,一定要先通電后讓紙帶運動,驗證動量守恒實驗中需先測量小球的質(zhì)量,后開始碰撞;利用單擺測量重力加速度實驗中,需要先組裝單擺后測擺長和半徑;半偏法測電流表內(nèi)阻中,先閉合開關(guān)S1,調(diào)整電位器使電流表指針到滿刻度,再閉合開關(guān)S2,調(diào)整電阻箱使電流表指針至滿刻度的一半;串聯(lián)式限流電路閉合開關(guān)前,需要求滑動變阻器阻值處于最大;測定玻璃折射率中,首先確定入射線,然后通過出射線確定玻璃中的折射線。上述實驗操作都是圍繞實驗?zāi)康拈_展的,要逐個領(lǐng)悟到實際中的可操作性。

五、針對實驗?zāi)康?認(rèn)真分析每一個實驗,弄清控制實驗條件的必要性

在實驗過程中適時控制一些必要條件,目的在于還原事實真相,揭示事物變化的本質(zhì),減少不必要的誤差。這既有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新精神,又利于減少實驗誤差。如:測定單擺周期時,要求擺角很小,擺線適當(dāng)長一些且從最低點開始計時;驗證動量守恒定律實驗中,要求入射小球的質(zhì)量大于被碰小球的質(zhì)量;研究平拋運動中,斜槽末端保持切線水平,且運動小球每次要從同一位置由靜止釋放,Y軸的確定要依據(jù)重垂線;油膜法測分子直徑實驗中,配制好的油酸溶液不能放置時間太長;半偏法測內(nèi)阻中,要求串入電路中的可變電阻(電位器)值遠(yuǎn)大于電流表內(nèi)阻且要求電源電動勢選用較大的;另外測定玻璃折射率實驗中,入射角選取要適當(dāng),玻璃磚不能太薄,兩大頭針位置適當(dāng)遠(yuǎn)一些;用雙縫干涉測定光的波長實驗中,要保持光線的同軸共線,單縫和雙縫要保持平行;驗證牛頓第二定律實驗中,要求小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于勾碼質(zhì)量等?；瑒幼冏杵髟陔娐分写?lián)和并聯(lián)接法的依據(jù),都是根據(jù)給定器材和實驗對象對客觀條件的控制。

六、分析控制實驗的條件,設(shè)法提高實驗的精確性

對每一個實驗的數(shù)據(jù)和實驗結(jié)論,要分析其產(chǎn)生誤差的原因,探尋減小誤差的方法,分析其測量值與真實值的差異,如:半偏法中電表內(nèi)阻的測量值小于真實值;單擺周期的測定中,要測量30次全振動的時間,而不是測一次;影響重力加速度測量值的最大因素是單擺周期的測定過程;測電池電動勢和內(nèi)阻實驗中,采用圖像法處理有利于減小偶然誤差;精確長度的測量需精密的儀器,如電阻絲直徑的測定要選用螺旋測微器;內(nèi)接法測量值大于真實值,外接法測量值小于真實值;歐姆表測定電阻時電池電動勢減小會導(dǎo)致測量值偏大;驗證機(jī)械能守恒實驗中,由于阻力的作用,實際結(jié)果是重力勢能的減少略大于動能的增加等。

此外,中學(xué)物理電學(xué)實驗中電學(xué)儀器的選擇和電路的選擇是普遍公認(rèn)的難點和高考的熱點,為此將電路的選擇歸納為三原則(見下表)。針對不同的實驗對象和實驗要求仔細(xì)體會電路中的三原則,相互比較,逐步領(lǐng)會和掌握,以達(dá)到根據(jù)實驗器材和實驗?zāi)康脑O(shè)計實驗電路的本領(lǐng)。

總之,中學(xué)物理實驗教學(xué)不是簡單重復(fù)課本實驗,背誦實驗方法和步驟。由于受客觀條件的限制,現(xiàn)階段高考對實驗的考查只停留在筆答的形式,故在實驗教學(xué)中要緊密圍繞實驗?zāi)康?培養(yǎng)學(xué)生分析現(xiàn)象,探尋本質(zhì)的思維品質(zhì);針對實驗?zāi)康?設(shè)計實驗過程,改進(jìn)實驗方法的本領(lǐng);掌握處理實驗數(shù)據(jù),分析誤差原因,控制實驗條件,總結(jié)實驗結(jié)論等物理實驗思想,從而掌握常用實驗方法和實驗技能,這也是高考實驗考查的目的,同時也只有從上述幾方面去研究分析每一個實驗,通過這些有限實驗的分析和研究,掌握物理實驗的基本思想、方法和技能,才能更好的應(yīng)對高考對實驗的考查。