高中物理實驗基礎

張先德

實驗是物理學的基礎，物理實驗是高中物理教學中的重要內(nèi)容，在教學中應重視學生對物理實驗的理解，重視學生實驗技能的提高，使學生正確使用物理實驗儀器和工具，獲得較準確地信息，并會處理數(shù)據(jù)、分析誤差、歸納結(jié)論，提高應試技巧.

現(xiàn)結(jié)合自己的教學總結(jié)如下.

1 物理實驗的目的與要求

1.1 實驗目的

（1）教會學生用實驗研究物理現(xiàn)象與規(guī)律，包括：A.正確選擇實驗方法與實驗器材；B.學會控制實驗條件；C.知道如何實驗、判斷結(jié)果的可靠程度.

（2）幫助學生理解和掌握有關(guān)課程內(nèi)容和物理概念，以形成物理思想，培養(yǎng)解決物理問題的能力.

（3）通過實驗培養(yǎng)掌握基本物理量的測量方法，以培養(yǎng)實驗技能.

（4）培養(yǎng)學生嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度、科學的實驗方法及良好的實驗習慣.

1.2 做好實驗的基本要求

（1）實驗前必須做好如下準備：①明確實驗目的，弄懂實驗原理；②了解儀器性能，熟悉操作步驟；③設計記錄表格，掌握注意事項.

（2）實驗中必須手腦并用：①正確的調(diào)整和使用實驗儀器；②保證滿足實驗條件，注意規(guī)范實驗操作；③認真觀察實驗現(xiàn)象并記錄數(shù)據(jù).

（3）實驗后必須對數(shù)據(jù)進行處理：①尊重實驗客觀事實，正確分析記錄數(shù)據(jù)；②合理做出實驗結(jié)論，獨立完成實驗報告.

2 實驗的七種主要思想

（1）控制變量法：在實驗中，常有多個因素在變化，造成規(guī)律不易表現(xiàn)出來，這時可以先控制一些物理量不變，依次研究某一個因素的影響和利用.如牛頓第二定律就是用這種方法研究的.

（2）等效替代法： 某些物理量不直觀或不易測量，可以用較直觀、較易測量而且又有等效效果的量代替，從而簡化問題.如在描繪電場中的等勢線時，用電流場來模擬靜電場等都用了等效思想.

（3）累積法： 把某些難以用常規(guī)儀器直接準確測量的物理量用累積的方法，將小量變大量，不僅可以便于測量，而且還可以提高測量的準確程度，減小誤差.如分析打點計時器打出的紙帶時，可隔幾個點找出計數(shù)點分析；測量單擺的周期時，可測30-50個全振動的時間.

（4）留跡法： 有些物理過程是瞬息即逝的，我們需要將其記錄下來研究，如同攝像機一樣拍攝下來分析.如用沙擺描繪單擺的振動曲線；用打點計時器記錄物體位置；用頻閃照相機拍攝平拋的小球位置等.

（5）外推法： 有些物理量可以局部觀察或測量，作為它的極端情況，不易直接觀測，如果把這局部觀察測量得到的規(guī)律外推到極端，可以達到目的.例如在測電源電動勢和內(nèi)電阻的實驗中，無法直接測量I=0（斷路）時的路端電壓（電動勢）和短路（U=0）時的電流，通過一系列U、I對應值點畫出直線并向兩方延伸，交U軸點為電動勢，交I軸點為短路電流.

（6）近似法： 在復雜的物理現(xiàn)象和物體運動中，影響物理量的因素較多，有時為了突出主要矛盾，可以有意識的設計實驗條件、忽略次要因素的影響，用近似量當成真實量進行測量.

（7）放大法 ：對于物理實驗中微小量或小變化的觀察，可采用放大的方法.例如游標卡尺、放大鏡、顯微鏡等儀器都是按放大原理制成的.

3 基本測量和讀數(shù)規(guī)則

3.1 基本測量

（1）長度的測量： 儀器有刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器.

（2）時間的測量： 儀器主要是打點計時器和停表.

（3）質(zhì)量的測量： 儀器是天平.

（4）電路的測量：電流、電阻、電壓等是直流電路中重要的物理量，也是考查幾率很高的內(nèi)容，要學會這些表的連接、量程的選擇、讀數(shù)及構(gòu)造原理.

（5）其它物理量的測量 ：溫度、體積等的測量，都以長度測量為基礎.

3.2 測量儀器的讀數(shù)規(guī)則

在直接測量中讀出的測量值的有效數(shù)字的最后一位要與讀數(shù)誤差所在的一位取齊，因而測量儀器讀數(shù)規(guī)則為：測量誤差出現(xiàn)在哪一位，讀數(shù)就應相應讀到哪一位.在中學階段一般可根據(jù)測量儀器的最小分度來確定讀數(shù)誤差出現(xiàn)的位置.對于常用的儀器可按下述方法讀數(shù)：

（1）最小分度是“1”的儀器，測量誤差出現(xiàn)在下一位，下一位按十分之一估讀.如最小刻度是1 mm的刻度尺，測量誤差出現(xiàn)在毫米的十分位上，估讀到十分之幾毫米.

（2）最小分度是“2”或“5”的儀器，測量誤差出現(xiàn)在同一位上，同一位分別按二分之一或五分之一估讀.如學生用的電流表0.6 A量程，最小分度為0.02 A，誤差出現(xiàn)在安培的百分位，只讀到安培的百分位，估讀半小格，不足半小格的舍去，超過半小格的估讀，以安培為單位讀數(shù)時，百分位上的數(shù)字可能為0、1、2、…、9；學生用的電壓表為15 V量程，最小分度為0.5 V，測量誤差出現(xiàn)在伏特的十分位上，只估讀到伏特的十分位，估讀五分之幾小格，以伏特為單位讀數(shù)時，十分位上的數(shù)字可能為0、1、2、…、9.

（3）下列儀器在最小分度間不進行估讀：游標卡尺只要求讀數(shù)是游標最小分度值的整數(shù)倍；液體溫度計讀數(shù)為1℃的整數(shù)倍即可；體溫計讀數(shù)應是0.1 ℃的整數(shù)倍；機械秒表和指針式電子秒表在最小分度間不進行估讀；歐姆表一般不要求估讀，指針靠近哪條刻線，就讀哪條刻線的數(shù)值.

4 有效數(shù)字和數(shù)據(jù)處理

4.1 有效數(shù)字

帶有一位不可靠數(shù)字的近似數(shù)據(jù)叫有效數(shù)據(jù)，有效數(shù)字的最后一位是測量者估讀出來的，因此這一位數(shù)字是不可靠的，也是誤差所在位.

計算中遵守有效數(shù)字規(guī)則：

（1）不可靠數(shù)字與別的數(shù)相加減、相乘除，所得的結(jié)果也是不可靠的.

（2）計算結(jié)果只能保留一位不可靠數(shù)字，但在計算過程中，可以保留兩位不可靠數(shù)字，最后再四舍五入.

（3）物體的個數(shù)、實驗的次數(shù)是準確數(shù)，它們與近似數(shù)相乘除時，有效數(shù)字的位數(shù)應等于原來近似數(shù)的有效數(shù)字位數(shù).

有效數(shù)字的位數(shù)是從左起第一位非零數(shù)字算起到最后一位數(shù)字（含零）的總位數(shù)，其最后一位即不可靠數(shù)字，是估讀得到的.

4.2 實驗數(shù)據(jù)常用的處理方法

4.2.1 直接比較法

中學物理的某些實驗，只需通過定性的確定物理量間的關(guān)系，或?qū)嶒灲Y(jié)果與標準值相比較，就可得出實驗結(jié)論的，則可應用直接比較法.如探究“力的平行四邊形定則”實驗中，可直接比較實驗中的測量值與理論值，比較兩矢量的大小和方向，達到實驗目的.

4.2.2 描跡法

描跡可形象直觀地直接反映實驗結(jié)果.如在“研究平拋物體的運動”實驗中，用描跡法直接描繪小球的運動軌跡.應用描跡法時應注意：

（1）所描出的曲線或直線應是平滑的，不應有突然的轉(zhuǎn)折.

（2）個別點若偏離所描出的曲線太遠，可認為是某種偶然因素所致，一般可將這樣的點舍去.

（3）為能較為準確地描述所記錄的曲線，實驗所記錄的點的總數(shù)不能太少，且應在所描范圍內(nèi)大致均勻分布.

4.2.3 平均法

取算術(shù)平均值是減小偶然誤差常用的數(shù)據(jù)處理方法，把待測物理量的若干次測量結(jié)果值相加后除以測量次數(shù).平均法的基本原理是：在多次測量中，由偶然誤差引起的正、負偏差出現(xiàn)的機會相等.故將多次的測量值相加時，所有偏差的代數(shù)和為零.在求平均值時應注意在什么情況下求平均值.

4.2.4 列表法

把被測物理量分類列表表示出來，需說明記錄表的要求，主要內(nèi)容.列表法有制表方便，形式緊湊，數(shù)據(jù)易于比較等優(yōu)點.列表法還常常是圖表法的基礎.列表法應注意：（1）項目應包括名稱及單位；（2）實驗測得的數(shù)據(jù)應按測量結(jié)果，取恰當?shù)挠行?shù)字填入；（3）自變量應按逐漸增加或減小的順序排列.

4.2.5 圖象法

建立合理的坐標系，將實驗數(shù)據(jù)作為坐標點在坐標系中表示出來，尋找坐標點之間的規(guī)律，作圖處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點是直觀、明顯.由圖象的斜率、截距、包圍的面積、外推可以研究物理量之間的規(guī)律.

作圖象時應注意以下幾個方面：

（1）坐標軸代表的物理量要合理，這樣便于找出規(guī)律，一般多選用直線作圖線，因為直線明了直觀，而曲線的規(guī)律不易判定.在中學物理實驗中，常取x或 1/x 為自變量，以便使做出的函數(shù)圖象為直線，從而可直觀的得出變量間的函數(shù)關(guān)系.在“測電池電動勢和內(nèi)阻”的實驗中，以I為自變量作U-I圖象；當函數(shù)與自變量x成反比例時，常以 1/x 為自變量.

（2）坐標建立要規(guī)范，坐標軸上要標明物理量，對應單位，注意正確選取橫軸和縱軸的標度，橫坐標和縱坐標的比例以及坐標起點，使所做出的圖象大致布滿整個圖紙.如在“測電池電動勢和內(nèi)阻”的實驗中，縱坐標U的起點可以不為零.

（3）選點要恰當，作圖要規(guī)范，直線至少取5點，曲線10～15點，且在曲線彎曲處取點密集一些；對直線作圖，應使直線通過盡可能多的點，不通過的點應均勻分布在直線兩側(cè)；對曲線作圖要平滑，不能做成折線，對于有些特異性的點可以分析取舍.

（4）根據(jù)圖象分析圖線的斜率、截距等物理意義，計算斜率時應選取直線上相距較遠的兩點，而不一定要選取原來的數(shù)據(jù)點，這樣便于取得更精確的平均值.

5 實驗誤差及其處理

5.1 誤差是測量值與真實值之間的差異

誤差不是錯誤，測量時誤差是不可避免的.

真實值：是指被測物理量在規(guī)定的時間和空間內(nèi)的客觀大小，即物理量的真實值.實驗中真實值是得不到的，通常用多次測量的算術(shù)平均值來代替真實值，且測量次數(shù)越多，平均值就越接近真實值.

測量值：由測量儀器直接讀出的物理量的數(shù)值或?qū)y量數(shù)據(jù)直接代入公式計算出來的物理量的數(shù)值.

5.2 從誤差來源看，誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差

（1）系統(tǒng)誤差主要是由于實驗原理不夠完善、實驗儀器精度不夠、實驗方法粗略而產(chǎn)生的.基本特點：實驗結(jié)果對真實值的偏差總是具有相同的傾向性，即總是偏小或偏大.減小方法：改善實驗原理，提高實驗儀器的測量精度，設計更精巧的實驗方法.

（2）偶然誤差是由于各種偶然因素對實驗者和實驗儀器的影響而產(chǎn)生的，如測量環(huán)境不穩(wěn)定、實驗者的經(jīng)驗不足.特點：總是有時偏大，有時偏小，且偏大和偏小的機會相等.減小方法：多次實驗取平均值.

5.3 從數(shù)據(jù)分析看，誤差分為絕對誤差和相對誤差

（1）絕對誤差是測量值與真實值之差.在直接用儀器測量某一物理量時，提高測量儀器的精度是減小絕對誤差的重要方法；

（2）相對誤差誤差等于絕對誤差與真實值之比，常用百分比表示，反映了實驗結(jié)果的精確程度.在難以減小絕對誤差時，增大真實值是減小相對誤差的簡易而有效的方法.

5.4 減小誤差的方法

（1）校準測量儀器.如電流表、電壓表，使用前應先進行調(diào)零校準；

（2）恰當選擇儀器的量程和精確度；

（3）完善實驗原理；

（4）進行多次重復實驗，求其平均值；

（5）以圖象法代替公式法處理實驗數(shù)據(jù).

（6）改進實驗方法.