物理实验及其类别

第一节　物理实验及其类别

一、物理实验及其方法

物理实验是人们根据研究的目的，运用科学仪器设备，人为地控制、创造或纯化某种自然过程，使之按预期的进程发展，同时在尽可能减少干扰客观状态的前提下进行观测，以探究物理过程变化规律的一种科学活动。同时，物理实验也是有目的、有计划地运用仪器设备，在人为控制的条件下，使物理现象反复再现，从而帮助人们进行观测，并获取资料的一种科学方法。

科学研究中常用实验验证法和实验归纳法对求知事物进行探究。实验验证法是指根据有关经验和知识，经过推理提出假设和预见，然后通过实验来验证的方法；实验归纳法是指根据研究目的，人为地控制条件，从大量的事实中找出普遍特征并得出规律的方法。

在中学物理教学中，常用的实验方法有观察法、控制变量法、放大法、转换法、模拟法、留迹法、理想化方法、累积法、替代法、外推法等。

（一）观察法

观察是对事物和现象的仔细察看、了解，是人们学习认知活动的门户和源泉。物理实验中的观察是有目的、有计划且比较持久的感知活动，是学生获得感性认识的智力条件。在物理实验的观察中，学生常用的工具是视觉和听觉，有时还可运用触觉、嗅觉和味觉，包括耳闻、目睹、手摸、鼻嗅、舌尝等。

在中学物理实验中，要引导学生观察实验的基本仪器、实验的设备和装置，各种物理现象和数据、图象、图表，以及教师的规范化操作等等。

（二）控制变量法

在一些实验中，往往存在多种变化因素，为了研究这些因素之间的关系，可以先控制某些因素不变，依次研究某一因素的影响，然后分析得出总体关系。典型的例子是验证牛顿第二定律的实验，为了验证加速度与合外力及物体质量三者的关系，可以先保持质量不变，研究加速度与合外力的关系；再保持合外力不变，验证加速度与质量的关系，从而得到物体的加速度与合外力成正比，与物体的质量成反比。又如研究导体中的电流强度与导体的电阻和导体两端电压的关系，可以先保持电阻不变，研究电流强度与电压的关系，再保持电压不变，研究电流强度与电阻的关系，从而得到导体中的电流强度与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。

（三）放大法

在物理实验中，为了更好、更方便地对实验中一些微小量的测量与显示，有时需对一些量进行适当的放大。放大的方法通常运用在力学、电学、光学等实验中。常用的放大法有机械放大、电放大和光放大。

1.机械放大

具体包括以下两种：

①杠杆放大。对微小长度变化利用杠杆放大的典型事例是钢丝受力伸长的实验演示。钢丝受力时，长度的微小改变可以利用杠杆机构加以放大。同样，热学中固体的热膨胀也可用杠杆放大。

②螺旋放大。螺旋测微器是另一个对长度及其微小变化放大后进行精密测量的典型事例，它把测微螺杆的微小进退，通过有较大周长的可动刻度盘表示出来。

2.电放大

例如，用单根导线切割磁感线来产生电流的演示实验，由于感生电流很微弱，可以在示教电流表上附加一个放大电路，使感生电流放大从而能在示教电流表上显示出来。

3.光放大

常用的是利用幻灯、投影进行光放大。另外，微小形变的显示往往采用“光杠杆”的放大形式，例如可用面镜（平面、柱面、球面等）反射的方法进行放大。

（四）转换法

对于某些不容易直接测量（或显示）的量（或现象），实验中常借助于力、热、电、光、等之间的相互转换，用某些容易直接测量（或显示）的量（或现象）来代替；或者，根据研究对象在一定条件下可以有相同的效果作间接的观察、测量。比如用油膜法估测分子的直径时转换为测量面积就是转换法在物理实验中应用的例子。

在物理量的转换测量中的关键器件是传感器。传感器种类很多，实验中所用的传感器主要有电容传感器、电感传感器、电阻传感器、热电传感器、压电传感器、磁电传感器、光电传感器等。

（五）模拟法

有时候由于物理现象比较复杂或实验技术的难度较大，难以直接观察和显示控制，可改用与它有一定相似性、较易行的实验，通过模拟比较，间接地去认识和研究。如静电场中的等势线，就是根据稳恒电流场与静电场的相似性，改用描绘稳恒电流场的等势线模拟静电场，从实验中加深对静电场电势分布的认识。

（六）留迹法

利用物理原理，把瞬息即逝的现象（位置、轨迹、图象等）直接记录下来，以便能直观地和长时间地保留、比较、研究。例如，通过纸带上打出的小车运动过程中不同时刻的位置，用描迹法画出平抛物体的轨迹，用示波器显示变化的电压、电流等等。

（七）理想化方法

实际物理现象中往往复杂多变，为此，实验时常可采用忽略某些次要因素或假设一些理想条件的办法，以便能突出现象的主要因素，取得合理的近似结果。如单摆实验中，假设摆线不可伸长，质量远小于摆球质量（可忽略），摆球为均质小球，悬点的摩擦和空气阻力均不计等；用油膜法估测分子直径中，假设形成的是单分子的薄膜，分子与分子紧挨着排列的；不计电源内阻，认为电动势不变；入射的是平行单色光等，都作了理想化的处理。

（八）累积法

某些微小量的测量，在现有仪器的准确度内难以测准，可以通过将这些微小量累积，然后求平均就能减小误差。如要测一页书纸的厚度，可测若干页书纸的总厚度，然后除以纸张数；在用单摆测定重力加速度的实验中，测定单摆的周期时用的也是累积法。

（九）替代法

利用“替代法”，可以将测量中某些较难准确测定的物理量易测量，从而使不可感知的物理现象变成可感知，使变化微小的物理现象增大可见度，使不容易直接测量的物理量易于测量。有时还用“替代法”减小实验的误差。

现象替代，即用某些容易显示的现象代替不容易显示的现象。如各种电表用指针的偏转代替电流电压的变化。

等效替代，即用效果相同的容易观察测量的量代替不容易观察测量的量。如“碰撞中的动量守恒”实验中用小球飞出的水平位移代替飞出速度。

等值替代，即用已知量代替待测量，当外界条件完全相同时它们是等值的。如不等臂天平称质量时的替代。

（十）外推法

“外推法”是在“图象法”的基础上，将图线经过适当延长，使之与坐标轴相交，然后研究其交点所赋予的物理意义及由此而说明的物理原理。如“用电流表和电压表测定电池的电动势和内电阻”的实验中，可从图线与电压坐标轴的交点求出电动势。

二、中学物理实验的分类⁽¹⁾

中学物理实验有不同的类别，也有不同的教育功能。对中学物理实验教学类型作一个比较完整的分类，可以帮助我们认识不同类别实验的功能，这些认识能有利于实验教学的有效开展。根据不同的分类标准，中学物理教学实验有不同的分类。

（一）技能训练实验、测量性实验、验证性实验和探索性实验

按照实验知识、技能、能力等训练的目的和功能的标准来分类，中学物理实验可以分为技能训练实验、测量性实验、验证性实验、探索性实验几类。

1.技能训练实验

技能训练实验有两种类型：一种是让学生掌握基本实验仪器的调整、操作、使用方法以及注意事项。如刻度尺、天平、滑动变阻器、温度计、测力计、量筒、压强计、秒表、安培计、伏特计、示波器等基本仪器的使用。做好这类实验，要引导学生了解并学会使用实验器材，掌握实验的基本要领，形成正确的操作规范。通过实验操作，让学生对操作实验有所体会，知道在什么条件下使用什么样的实验仪器，其操作规范和要领怎么样等等。另一类是让学生巩固和应用所学物理知识，提高理论联系实际的能力以及训练学生的实际操作技能的实验。如安装简单照明电路、组装显微镜、组装望远镜、安装收音机等。做好这类实验，要引导学生明确实验任务、实验的基本原理、操作的基本要领。

从教学方式角度来看，技能训练实验教学是一种“实验－操作－训练”方式。在中学物理实验中，可以说所有实验项目都有技能训练的要求，技能训练实验是进一步实验教学的基础。教师要指导学生通过严格的实验训练，让学生进行有效的模仿，能够根据实验目标，正确地选择和使用物理测量工具、物理实验装置，合理地安排实验步骤，规范、熟练地组装和调试设备，积极地完成实验操作和实验任务，并能初步学会排除实验故障，初步学会分析实验误差及其产生原因，写出完整的实验报告。

2.测量性实验

测量性实验不同于技能训练实验。虽然技能训练实验也能直接测量物理量或是直接观察基本现象，但主要功能是基本的实验技能的操练。而测量性实验是学生具备基本的实验技能的条件下，对未知的物理量或物理常数进行测定。大量的测量性实验是根据已知的规律用直接测量的物理量来求得待测的物理量，即间接测得物理量，并要进一步进行误差分析，或进行测量方法的比较，以期用最佳的实验方法和途径精确测得物理量。如测定物质的密度、测定固体的比热、用冲击摆测弹丸的速度、测定普适气体恒量、测定重力加速度、用伏安法测电动势和内电阻等实验，都是属于这类实验。测量性实验的教学方式一般是“任务驱动—实验操作—分析评价”的流程。做好测量性实验的关键是教师要引导学生明确实验的任务、掌握所依据的原理，还要兼顾实验仪器容易选择、实验组装方便、测量准确度高等因素。

3.验证性实验

验证性实验一般有两类，一类是安排在学生学习了物理规律之后做的实验，目的在于验证所学物理规律的正确性。如学生学习了平抛运动规律以后做实验验证平抛运动规律的正确性，学习了动量定理后做实验以验证动量定理的正确性，学习了机械能守恒定律以后做实验机械能守恒定律等等。从教学方式来看，这类验证性实验的教学属于“理论学习—实验验证”的方式。另一类是学生并没有学习相应的知识或规律，但学生已经对相应的知识或规律做出了有根据的猜想与假设，为了验证这种猜想与假设的正确性，设计实验进行验证。如在“力的合成”的教学中，教师在引导学生对“一个力与它的两个分力在怎么样关系”问题的探讨中，让学生有理有据地猜测它们可能的关系，教师对这种猜想假设进行精炼的讲解，然后设计力的合成的实验进行验证。从教学方式上看，这类的验证性实验教学属于“问题探讨－猜想假设－实验验证”的方式。

无论哪一类验证性实验的教学，都要发挥实验教学的发展性的教育功能。关键是教师要引导好学生设计实验的教学活动，切不能让学生做照样画葫芦般的机械化操作。要让学生明确实验的设计思想和实验原理，自己构想实验方法，控制实验条件，排除干扰因素，在实验中测量数据，并对数据进行有效的处理，从中归纳实验的结论，从而验证所学的规律或猜想假设。

4.探索性实验

探索性实验亦称为探究性实验，它是指学生在未知所探求知识或规律的前提下，通过实验设计、实验操作、实验分析，对这些知识或规律进行科学认识的实验形式。现行高中物理课程十分重视探究性实验的教学，各个模块都安排了一些实验探究活动。如“通过实验研究质量相同、大小不同的物体在空气中下落的情况，从中了解空气对落体运动的影响”，“通过实验认识滑动摩擦、静摩擦的规律”，“通过实验，探究加速度与物体质量、物体受力的关系”，“用打点计时器或光电计时器探究恒力做功与物体动能变化的关系”，“通过实验认识电场和磁场的性质”，“通过实验认识感应电动势的产生条件及影响感应电动势大小的因素”，“通过实验认识共点力平衡的条件”，“通过实验认识刚体的平衡条件”，“通过实验理解光的折射定律”，“探究并理解透镜成像的规律”，“通过实验探究门电路的基本作用”，“通过实验认识安培力”，“通过探究理解楞次定律”，“通过实验，了解电容器和电感器对交变电流的导通和阻碍作用”，“通过实验，探究变压器的电压与匝数的关系”，“通过实验探究，了解气体的实验定律”，“通过实验探究单摆的周期与摆长的关系”，“通过实验认识波的干涉现象、衍射现象”等等。这些内容都可以根据教学的实际情况，把实验安排成探究性的形式来进行。

从实验教学方式来看，物理探究性实验教学的基本方式是：创设情境—提出问题—实验探究—形成结论—交流讨论。这类实验一般安排在学习物理规律之前，先创设问题情境，让学生发现并提出探究的问题，通过实验的探究活动，模拟科学家发现事物规律的研究活动，去探索物理量之间的必然关系，总结出物理规律，从而领会科学探究的一般过程并学会科学探究的一般方法。

（二）常规物理实验与数字化实验

如果按照物理实验是否要用到信息技术的标准来分类，则物理实验可以分成常规物理实验和数字化物理实验。

1.常规物理实验

常规物理实验是用传统手段和方法来进行的实验。许多常规物理实验由于其实验器材简易、操作方便、现象生动、过程有趣，在激发学生学习物理兴趣和培养学习动机，获得丰富、具体、明确的感性知识，培养学生的观察和实验能力，培养实事求是的科学态度方面，具有不可代替的重要作用。因此，应大力加强用常规手段和方法做物理演示和学生实验，最大限度地利用实验室现有的器材，力求利用多年闲置的器材开发新的实验。另外，还要鼓励利用学生身边的物品和器具做实验。倡导用日常器具做实验，有利于学生动手能力的提高、创新意识的培养、科学素养的提高。

2.数字化实验

数字化实验主要有基于D IS的实验和虚拟实验。前者主要由真实实验装置、传感器、数据采集器、计算机及其分析软件构成的实验系统；后者主要利用虚拟现实技术而做的非真实的实验。

DIS实验系统是基于M BL（Microcomputer-based Lab）技术由20世纪80年代发展起来的。这种数字化的实验系统主要由“计算机数据采集系统（DIS）”及配套的专用实验仪器等组成。教育部2006年7月19日发布的《中小学理科实验室装备规范》中第一次将“计算机数据采集系统”列入装备标准中，是新配备标准增加的重要内容之一，并规定“计算机数据采集系统”应具有在线和离线功能。

在D IS实验系统中，传感器探测非电物理信号（如温度、光强等）并将其转换为电信号，通过数据采集器将电信号转换成计算机可识别的数字信号，最后由分析软件将这些测量数据实时显示为图象和数据表等，以帮助学生利用图象变化来观察实验现象，理解和分析实验规律，以及表达探究结果等。

许多物理实验涉及大量的测量采集、数据测量、绘制规律的曲线和图象，这些工作往往是耗费时间的“苦差事”，而且绘制的曲线和图象又往往难以说明问题。如用“实验方法研究匀变速直线运动”、“通过实验认识滑动摩擦、静摩擦的规律”、“用实验探究恒力做功与物体动能变化的关系”等实验，均可以采用基于D IS实验系统来做实验。高中物理课程标准已经将“认识传感器”、“利用与计算机相连的传感器进行实时测量，做物理实验”、“利用传感器制作简单的自动控制装置”等作为教学的内容。随着中学物理实验室D IS实验系统的配置，在中学物理教学中运用DIS实验将越来越普及。

（三）“学生实验”、“实验”、“演示”、“做一做”、“问题与练习”等⁽²⁾

高中物理教材中的实验，根据它们在物理学中和物理教学中的地位、难易程度、用时长短、学校的器材条件，分成以下几类：

1.“学生实验”

这类实验是在物理实验室中做的定量实验。这些实验要按照教学要求，由学生们分组进行。一个学生实验编为一节，在节的标题中有“实验”二字的实验，如“实验：探究小车速度随时间变化的规律”，是全体学生都必须完成的较大的实验。这类实验有些是验证性的，多数则是探究性的。一般可在两课时或一课时内完成操作，数据处理往往要在课后进行。

2.“实验”

“实验”栏目中的实验都是要求学生亲自动手做的随堂实验，这类实验比学生实验简单，用时短，多数是定性实验。

3.“演示”

演示实验一般是由于器材或其他因素所限，主要由教师来做的实验。在课堂上由教师操作，学生观察、思考、讨论。有些演示的操作应该有学生的参与。

4.“做一做”

在“做一做”栏目中，有些是实验性的活动。这些实验中，有的要用到计算机，有的要用到生活中的器材，有条件的要尽量多做。“做一做”栏目中实验的趣味性较强。这些实验属于扩展性的实验，不作统一要求，学生可根据自身的情况选做。

5.“问题与练习”

在“问题与练习”中也有一些实验性的题目。这些题目中的器材也是容易获得的。这些实验的难度比“做一做”中的低些，学生应当完成。

另外，教材还安排了很多探究性的学习活动，而实验往往是这些探究活动的重要组成部分。

高中物理把物理实验分成“学生实验”、“实验”、“演示”、“做一做”、“问题与练习”，有些实验强调学生必做，有些实验则让学生根据兴趣与爱好选做；有些实验强调学生定量操作，有些实验则让学生定性进行；有的实验要求学生课内做，有的实验则让学生课外做。这样的分类和做法反映了物理实验教学有一个统一的基准要求，也体现了实验教学尊重学生的选择性，以满足学生个性化和多样化发展的需求。