觀察與實驗

王高

物理學是一門以實驗為基礎的學科. 觀察和實驗是獲得感性材料、探索物理規律、認識物理世界的基本手段，也是檢驗物理理論真理性的唯一標準.

■ 一、 觀察

觀察，主要是指人們對于物理現象在自然發生的條件下或者在有目的的實驗條件下進行考察分析的一種方法. 人類科學發展史上，有許多通過觀察獲得重大發現的成功實例：伽利略因觀察教堂里的掛燈隨風擺動的等時性而發明了鐘擺；牛頓因觀察自由落體而發現了萬有引力. 觀察是人類認識自然的最基本的方法，是獲得感知、為建立科學理論提供原始資料的重要途徑和手段.

■ 1. 觀察的類型

（1） 根據觀察的手段和方法不同，可分為直接觀察和間接觀察.

直接觀察：感官直接作用于觀察對象，有直觀、生動的特點. 優點：運用方便、干擾最小，比使用儀器更具有直接的現實性. 缺點：對于高難度的研究對象，在一定條件下要受到感官能力的限制. 如人的耳朵只能聽到頻率在20~20 000 Hz范圍內的聲波，對次聲波、超聲波是聽不到的.

間接觀察:是人們借助于儀器或其它技術手段間接地從外部獲取感性材料的一種方法. 優點：擴大了感知的范圍和種類，提高了觀察的精確度和反應能力，使人們對于自然界的認識能力得到了很大的提高. 缺點：由于儀器本身的復雜性和干擾性，易帶來一些認識上的錯覺和誤會.

（2） 根據觀察的性質和內容，又可分為質的觀察和量的觀察.

質的觀察，是考察事物具有或不具有某種屬性和特征以及它與其它事物是否具有何種性質聯系的一種觀察方法.

量的觀察，是對研究對象的某些性質和特征進行數量描述和測定的一種觀察方法，其目的在于深刻地、精確地把握事物質的特征及其數量的關系.

■ 2. 觀察的基本原則

（1） 客觀性原則要求觀察者必須客觀地、實事求是地反映所觀察到的事實，既不能隨意增減觀察到的事實，又不能臆造一些不存在的事實.

（2） 全面性原則在觀察研究對象時，從空間上講，要觀察事物的各個方面、各個部分、各個層次；從時間上講，要觀察事物發展變化的各個階段以及它的全過程；同時，要觀察事物內部各要素之間以及該事物與外界其它事物的聯系.

（3） 典型性原則在選擇觀察對象時要注意選擇那些能夠集中反映一類事物的共性，其自然現象表現的過程較純粹、最少干擾、最易于觀察的事物作為觀察對象.

（4） 辯證性原則觀察不僅要看到事物的存在，同時也要看到事物的變化，力戒孤立、靜止、凝固不變的形而上學觀點. 觀察的辯證性還要求注意觀察的時間、地點、條件和范圍，不能把在特定條件下觀察的結果隨意延伸，應妥善處理典型性與隨機性、特殊性與普遍性的辯證關系.

■ 3. 觀察的作用

（1） 觀察是收集科學事實，形成科學認識的基礎. 物理學原理往往可以從客觀實踐中總結、概括、抽象而得到，這些都要通過觀察來進行.

（2） 觀察是檢驗假說和理論的重要標準之一. 哥白尼“日心說”、牛頓萬有引力定律，海王星的發現都是通過觀察后獲得的.

■ 4. 觀察的程序

觀察是收集第一手材料的最基本、最常用的方法. 在科學研究上，第一手原始材料具有極其重要的價值，它是一切科學研究的起點，科研往往從問題開始，進而進行觀察、調查和實驗，從這個意義上講，科學源于問題.

然而，由于人們的一切認識，包括產生的一切問題，歸根到底發源于觀察所得到的事實，從這個意義上講，科學始于觀察.

科學觀察的一般過程可分為準備、實施觀察、整理資料三個階段，具體步驟包括：明確觀察目的，制訂觀察計劃，做好物質準備，進行實際觀察，整理觀察資料.

科學家法拉第曾說過：“沒有觀察就沒有科學，科學發現誕生于仔細的觀察之中. ”

■ 二、 實驗

為了能夠仔細觀察研究某一現象或過程發生的原因、特點、量的決定因素和規律，盡可能排除外界各種干擾的影響，突出主要因素，在一定條件下使這一現象或過程重演，這就是科學實驗的方法.

實驗是根據一定的研究目的，運用一定的物質手段，人為地變革、控制或模擬客觀對象或過程，在有利的條件下研究物理規律的方法. 實驗與觀察都是科學認識的基本方法，但實驗方法比單純觀察方法有明顯的優點，它克服了單純觀察的局限性. 實驗方法源于觀察，又高于觀察.

■ 1. 實驗思想

實驗在物理學中不僅是一種方法，而且是一種思想. 實驗中的物理思想超越各個具體的物理實驗，是對物理實驗問題的深層次思考及概括. 實驗思想既體現于構成實驗的諸要素（如原理、方法、條件、數據等）之中，又體現在對各個要素進行選擇、運用、處理和分析之中. 具體體現在：

（1） 實驗設計與制作任何一個實驗，都是在一定的理論或原理指導下設計的，這些理論或原理的本身就體現了實驗的思想. 每個實驗都包含著科學家認識物理世界的本來方式和實驗裝置的精巧構思，這是實驗的精髓.

（2） 實驗方法實驗方法是指在各種物理實驗中使用的處理和解決問題的方法. 在中學物理的各種實驗方法中，體現出了物理思想，如：伽利略的自由落體實驗中，有“加速度的建立”、“大膽的猜想”、“沖淡重力”、“合理外推”等.

（3） 實驗條件的控制和實驗操作在實驗中調整和使用儀器裝置要有目的、有步驟、有要求，操作須規范，動作要清楚明了、干凈利索，如砝碼不能用手拿，用溫度計時手不能握住玻璃泡等. 在實驗操作中，必須控制好實驗條件，如平拋運動實驗中，要求調節軌道出口水平，每次從同一高度釋放小球等.

（4） 實驗數據處理和分析設計數據表格，正確記錄及處理實驗數據，給出測量對結論的判定性及結果的準確性的分析，在這些過程中體現的物理思想是：在操作測量的基礎上，運用圖象處理數據，分析現象，得到結論，盡可能減少數據處理的主要誤差.

■ 2. 實驗方法

許多物理實驗具有極其豐富和精彩的物理思想，揭示了解決問題的途徑和方法，這些思想指導下的具體方法已經超越了具體的實驗而是有普遍的指導意義.

（1） 實驗設計方法

① 放大法為了測量、觀察細小的物體，人們產生了放大的動機，在這個動機促使下，人們設計、制造了一系列精巧的物理儀器或裝置. 溫度計內徑做得很細，以便觀察的現象明顯，能體現出溫度的細小差別；螺旋測微器則通過螺紋將縱向的微小變化放大成圓周方向上的較大變化；卡文迪許實驗裝置巧妙地利用了二次放大，測出了萬有引力常量.

② 控制變量法在研究一個量與多個變量之間的關系時，有意控制其中一些變量不變，研究其中一個變量與因素的關系. 例如在研究影響加速度大小的因素時，加速度與外力、物體的質量有關，如果我們研究加速度與外力的關系，就保持物體的質量不變.

③ 轉化法把不可測的量轉化為可測的量，把測不準的量轉化為測得準的量. 例如彈簧測力計把力的大小轉化為彈簧的形變量讀出.

④ 累積法把某些物理量（有時這些量是難以直接測量的微小量）累積后測量. 如要測量導線的直徑，可以把導線密繞在鉛筆上20圈，測量出寬度，再求平均值.

⑤ 留跡示蹤法把研究對象在運動變化過程中的徑跡用一定的手段記錄下來，能形象、直觀、及時地顯示出物理過程. 如通過紙帶上打出的點記錄小車的位移和時間，用描跡法畫出平拋物體的運動軌跡.

⑥ 比較法天平是測量質量的儀器，測量質量的過程實際上是把未知的質量與標準質量進行比較的過程.

（2） 實驗數據處理方法

① 直接尋求兩個物理量之間的關系

根據實驗的數據予以直接闡述. 如伽利略斜面實驗，當小球從靜止開始沿斜面滾下時，每隔一定時間間隔所通過的位移之比為12 ∶ 22 ∶ 32……，從而得到位移與時間平方成正比的結果.

② 逐差法將實驗數據按前后順序每隔一定項數進行分組，然后對應項相減. 例如在測定勻變速直線運動的加速度這個實驗中，測得連續相等時間Ｔ內的位移分別s1、s2、s3……s6. 得加速度a=■，由于充分利用了數據，可以減小偶然誤差.

③ 圖象法把數據之間的關系直觀地顯示出來，這是最常用的方法之一. 圖象法具有以下優點：可以去掉測量誤差較大的數據；有多次測量取平均值的作用；能簡便地從圖中求出實驗需要的某些結果；可直接讀出在實驗條件內沒有觀測到的某些值，或把圖線延伸得到測量范圍以外的數據；通過坐標變換將較復雜的函數關系用直線表示出來.

■ 3. 實驗程序

（1） 實驗設計周密的實驗設計應包括確立進行實驗的理論基礎，以便在實驗中不斷得到正確指導；也包括對實驗儀器效用的了解，以便在實驗后能正確地分析其結果，還包括對各種可能出現的偶然情況的估計，以便在隨機情況出現時能及時加以排除.

在探究加速度與力和質量的關系實驗中，放在木板上的物體肯定要受到木板的摩擦力，給實驗的設計帶來了新的思考：摩擦力無法克服，能否盡量減小摩擦力的影響？自然界摩擦力最小的環境是空氣中，若能將物體懸浮在空氣中，就能使摩擦力減小到比較理想的狀態（近似為零），于是氣墊導軌裝置就出現了. 但其因為經濟等原因不具有普遍性，于是人們又在探尋更簡單的辦法，平衡摩擦力的思想又出現了，就有了在木板的一端墊高，讓重力沿斜面的分力來平衡摩擦力的辦法.

（2） 實驗實施即操作流程，它是實驗能否正確完成的規范. 只有照此辦理，才能克服、避免我們實驗操作中的隨意和失誤，以高效、簡潔的操作工藝求得科學的真實和規律的本源. 實驗程序的實現過程便是科學思想的成熟過程，認識和靈感的深化和升華過程.

（3）實驗數據的處理和分析對通過自己親自實驗獲得的實驗數據，做出科學的分析和歸納，得到實驗的結論. 結果分析是根據已有理論或提出新假說對實驗結果進行合理說明的問題.

■ 4. 實驗的作用

實驗可以簡化和純化研究對象，即根據研究的目的選出和突出主要因素，舍棄和排除次要、偶然因素，使需要的屬性或關系在簡化、純粹的形態下暴露出來，以形成準確認識.

實驗可以強化和激化研究對象，即根據研究的需要可以人為地創造特殊條件，改變事物存在的狀態，甚至將其推向極端狀態，以便顯示其規律.

實驗可以再現和重演自然過程，即通過人為的控制，對于曇花一現、時過境遷、規模大、周期長的事物和現象，使其再現、重演，縮小其規模，減短其周期，以達省時省力、經濟快速地認識的目的.

■ 5. 實驗類型例析

（1） 探究性實驗：這類實驗旨在通過實驗探索某種物理規律、研究某個物理問題. 這類實驗安排在有關知識的教學之前進行，或可作為教學同時進行實驗. 其目的是讓學生通過實驗觀察，對尚未學過的知識有一感性認識，并可歸納得出初步結論，為進一步學習有關規律打下基礎.

■ 例1某同學用如圖1所示裝置做探究彈力和彈簧伸長關系的實驗. 他先測出不掛砝碼時彈簧下端指針所指的標尺刻度，然后在彈簧下端掛上砝碼，并逐個增加砝碼，測出指針所指的標尺刻度，所得數據列表如下：（重力加速度g＝9.8 m/s2）

（1） 根據所測數據，在坐標紙上作出彈簧指針所指的標尺刻度x與砝碼質量m的關系曲線.

（2） 根據所測得的數據和關系曲線可以判斷，在_____N范圍內彈力大小與彈簧伸長關系滿足胡克定律. 這種規格彈簧的勁度系數_____N/m.

■ 解析（1） 標尺刻度x與砝碼質量m的關系曲線見圖2.

（2） 根據曲線可以判斷，在0～5.0 N范圍內彈力大小與彈簧伸長關系滿足胡克定律；彈簧的勁度系數為25.0 N/m

（2） 驗證性實驗：這類實驗要求用實驗的方法來驗證科學家已歸納、總結和已證明的結論，通過實驗過程的再現，加深對規律適用條件和結論的理解. 這類實驗安排在學習過有關知識之后進行，要求學生定量分析實驗數據，從中得出結論，并與所驗證的定律作比較，以達到驗證目的. 如果實驗結論與物理定律有偏離，還應分析產生誤差的主要原因.

■ 例2在驗證機械能守恒定律的實驗中，已知打點計時器所用電源的頻率為50 Hz，查得當地的重力加速度g=9.80 m/s2，測得所用重物的質量為1.00 kg. 實驗中得到一條點跡清晰的紙帶如圖3所示，把第一個點記做O，另選連續的4個點A、B、C、D作為測量的點. 經測量知道A、B、C、D各點到O點的距離分別為62.99 cm、70.18 cm、77.76 cm、85.73 cm. 根據以上數據，可知重物由O點運動到C點，重力勢能的減少量等于_____J，動能的增加量等于______J. （取3位有效數字）.

■ 解析重力勢能的減少量等于重力做的功W＝mgh=mg·OC=1×9.8×77.76×10-2 J＝7.62 J.

動能的增加量等于mv2C/2，vC為BD段的中間時刻的瞬時速度，等于BD段的平均速度.

即vC=（85.73-70.18）/0.02×2=388.8 cm/s，

∴ΔEk=0.5×1×v2C=7.56 J.

（3） 基本技能性實驗：熟悉某些基本測量儀器的操作與使用的實驗. 這類實驗的目的是訓練實驗操作技能，能正確操作和使用. 例如游標卡尺、螺旋測微器、打點計時器、天平、測力計等的使用.

■ 例3圖4為彈簧秤測力的示意圖，該彈簧秤的量程為_______N，測量值應為_______N.

■ 答案50；27.

（4） 測量性實驗：這類實驗以某一原理或物理規律（公式）為依據，通過測量相關的物理量，從而實現測定某個（或某些）物理量或物理常數為實驗目的. 這類實驗的目的是讓學生運用已掌握的知識和熟悉的器材，測定某些物理常數和物理量，要求學生理解實驗所依據的原理，明確實驗的條件、步驟和過程.

■ 例4一個有一定厚度的圓盤，可以繞通過中心垂直于盤面的水平軸轉動. 用下面的方法測量它勻速轉動時的角速度.

實驗器材：電磁打點計時器，米尺，紙帶，復寫紙片.

實驗步驟：

（1） 如圖5所示，將電磁打點計時器固定在桌面上，將紙帶的一端穿過打點計時器的限位孔后，固定在待測圓盤的側面上，使得圓盤轉動時，紙帶可以卷在圓盤側面.

（2） 啟動控制裝置使圓盤轉動，同時接通電源，打點計時器開始打點.

（3） 經過一段時間停止轉動和打點，取下紙帶，進行測量.

① 由已知量和測量量表示的角速度的表達式為ω=________，式中各量的意義是：__________________________________.

② 某次實驗測得圓盤半徑r=5.50×10-2 m，得到的紙帶的一段如圖6所示，求得角速度為_____.

■ 解析① v=（x2-x1）/（n-1）T，又v=ωr，因此ω=（x2-x1）/（n-1）T，T為打點計時器打點的時間間隔，r為圓盤的半徑，x1、x2是紙帶上選定的兩點間分別對應的米尺上的刻度值，n為選定的兩點間的打點數（含兩點）.

② 6.8 rad/s

（5） 設計性實驗：由學生根據實驗目的，運用已掌握的物理規律、實驗方法，選擇熟悉的儀器、器材、自行獨立設計的新的實驗構想或方案. 設計方案涉及到對實驗原理的認識和理解，包括選擇合理的實驗方法，配置合適的實驗器材，安排正確的實驗步驟，設計科學的數據處理方法，采用客觀的誤差分析方法，最后給予總結和評價.

■ 例5如圖7所示為一實驗小車中利用光電脈沖測量車速和行程的裝置示意圖，A為光源，B為光電接收器，A、B均固定在車身上，C為小車的車輪，D為與C同軸相連的齒輪. 車輪轉動時，A發出的光束通過旋齒上的間隙后變成脈沖光信號，被B接受并轉換成電信號，由電子電路記錄和顯示. 若實驗顯示單位時間內的脈沖數為n，累計脈沖數為N，則要測出小車的速度和行程還必須測量的物理量或數據是_____________；小車速度的表達式為v=________；行程的表達式s=______.

■ 解析由題意可知，D與C同軸，即在相同時間內D、C所轉的圈數應相同，又知每次通過D上的齒間隙發送一個脈沖，齒的間隙數等于齒輪齒數p，而求小車速度與行程必須知道車輪的半徑R.

由單位時間內D所轉圈數為n/p可知小車速度為2πR·n/p，小車行程為2πR·N/p.