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        YPT所涉及實(shí)驗(yàn)方法的探究

        2017-05-18 13:52:38宋家瑋鄒京琪
        課程教育研究 2017年14期
        關(guān)鍵詞:控制變量法轉(zhuǎn)換法

        宋家瑋+鄒京琪

        【摘要】YPT實(shí)驗(yàn)是基于 IYPT的一類實(shí)驗(yàn),YPT實(shí)驗(yàn)以其奇妙的現(xiàn)象展示了物理之美。掌握YPT的實(shí)驗(yàn)方法有助于對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深層次的定量分析。本文是對(duì)YPT所涉及實(shí)驗(yàn)方法的歸納總結(jié),結(jié)合具體題目總結(jié)了幾種在YPT賽題中常用的物理方法:控制變量法、轉(zhuǎn)換法、等效替代法和放大法,可供準(zhǔn)備YPT競賽的同學(xué)參考,對(duì)指導(dǎo)開展競賽也有一定的啟示和借鑒。

        【關(guān)鍵詞】YPT實(shí)驗(yàn) 控制變量法 轉(zhuǎn)換法 等效替代法 放大法

        【中圖分類號(hào)】O4-33 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089(2017)14-0232-02

        引言

        IYPT(International Young Physicists' Tournament)是國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽的簡稱,是當(dāng)前世界上最重要的中學(xué)物理競賽項(xiàng)目之一。而YPT實(shí)驗(yàn)是基于 IYPT的一類實(shí)驗(yàn),與傳統(tǒng)競賽不同,YPT賽題需要同學(xué)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,實(shí)驗(yàn)方案的不同直接影響實(shí)驗(yàn)的觀察效果,合理地運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法可以達(dá)到事半功倍的效果。下面主要就控制變量法,轉(zhuǎn)換法、等效替代法、極端實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行具體闡述。

        1.控制變量法

        控制變量法是實(shí)驗(yàn)中最常見的方法,在多變量問題中尤為重要。

        2015年IYPT的第14道賽題環(huán)繞的光(Circle of Light):當(dāng)一束激光照射在一根金屬絲上時(shí),可以在垂直于金屬絲的屏幕上觀察到一個(gè)光圈,解釋這個(gè)現(xiàn)象并研究相關(guān)因素。此賽題實(shí)驗(yàn)變量眾多,包括光的波長、頻率、金屬絲的直徑和材質(zhì)、入射角以及距離等。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的過程中,應(yīng)采用控制變量法,只改變一個(gè)實(shí)驗(yàn)變量,才能得出實(shí)驗(yàn)變量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

        2.轉(zhuǎn)換法

        轉(zhuǎn)化法即對(duì)于一些看不見、摸不著的現(xiàn)象或不易直接測(cè)量的物理量,通常用一些非常直觀的現(xiàn)象去認(rèn)識(shí),或用易測(cè)量的物理量間接測(cè)量。

        2016年IYPT的第六題電制蜂巢(Electric Honeycomb):將一個(gè)垂直的金屬針放在一個(gè)水平的金屬盤子上方,在盤子上放一些油,假如你對(duì)金屬針和盤子施加恒定的高電壓,可以產(chǎn)生格狀結(jié)構(gòu)。請(qǐng)解釋并研究這一現(xiàn)象。

        研究油面的格狀結(jié)構(gòu)需要探尋油表面產(chǎn)生微擾的臨界電壓,用人眼去判斷油面的起伏缺乏說服力,我們可采用觀察激光光束反射形成的光斑來判斷。將觀察油面的微擾轉(zhuǎn)化為觀察油面反射形成的光斑,放大油面擾動(dòng)的效應(yīng),將一個(gè)不易測(cè)量的量轉(zhuǎn)化為一個(gè)易于測(cè)量的量。

        同樣,2016年IYPT的第九題水波(Water waves):用一個(gè)豎直振動(dòng)的水平圓柱來產(chǎn)生水波,當(dāng)改變激勵(lì)頻率和振幅的時(shí)候,水波會(huì)看起來流向或背離圓柱。請(qǐng)研究這個(gè)現(xiàn)象。用肉眼去判斷水波的走向容易帶來視覺的偏差,且與觀察角度,觀察者的主觀意識(shí)有著較大關(guān)系,但我們可以借助其他物體的走向來判讀,例如,在水中撒上金粉,由于撒入的物質(zhì)體積較小,故不會(huì)影響原有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

        在YPT實(shí)驗(yàn)中,很多題目都會(huì)通過轉(zhuǎn)化,將一個(gè)不易觀察的物理量轉(zhuǎn)化成一個(gè)易于表征的量,提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的說服力,但是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意不能改變實(shí)驗(yàn)的原有屬性。

        3.等效替代法

        等效替代法是在保證某種效果(特性和關(guān)系)相同的前提下,將實(shí)際的、復(fù)雜的物理問題和物理過程轉(zhuǎn)化為等效的、簡單的、易于研究的物理問題和物理過程來研究和處理的方法。但在運(yùn)用等效替代法時(shí),一定要注意實(shí)驗(yàn)量之間的等價(jià)性。

        4.放大法

        放大法是指把微弱的力量通過另一種方法表現(xiàn)出來。

        2016年IYPT第17題瘋狂的旅行箱(Crazy suitcase):當(dāng)一個(gè)人拉著一個(gè)兩輪的旅行箱的時(shí)候,在某些時(shí)候旅行箱會(huì)很劇烈地左右擺最終傾覆。研究這個(gè)現(xiàn)象。一個(gè)人可否通過不同的裝箱方法來抵制或激化這種現(xiàn)象嗎?由初步的預(yù)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,是人給箱子施加的不平衡的力矩導(dǎo)致了箱子的傾覆。為了突出人對(duì)箱子的影響效果,可以將行李箱同比例縮小。人施加的力矩保持不變,箱子的質(zhì)量減小,放大箱子的搖晃現(xiàn)象。

        用極端實(shí)驗(yàn)放大實(shí)驗(yàn)效果可以初步得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論,適用于定量系數(shù)不高的實(shí)驗(yàn)。

        總結(jié)

        YPT實(shí)驗(yàn)具有極大的探究性和開放性,學(xué)生在準(zhǔn)備YPT類競賽的過程中,要合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,可綜合運(yùn)用控制變量法、轉(zhuǎn)換法、等效替代法、放大法等實(shí)驗(yàn)方法,通過轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)測(cè)量量或者放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等方法,做出更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,為定量測(cè)量做好準(zhǔn)備。同樣,教師在指導(dǎo)備賽過程中,應(yīng)有針對(duì)性的輔導(dǎo)。這些實(shí)驗(yàn)方法同時(shí)也可以作為平時(shí)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充。

        參考文獻(xiàn):

        [1]張一馳,陳晨,陸建隆.依托“YPT實(shí)驗(yàn)”提高學(xué)生探究能力的實(shí)踐探索[J].物理教師,2016(10):27-31

        [2]陳晨.科學(xué)探究視角下IYPT的過程分析及對(duì)高中物理探究式教學(xué)的啟示[J].物理教學(xué)探討,2015(3):14-17

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