物理实验思想方法研究作.docVIP

物 理 实 验 思 想 方 法 的 研 究 作 者： 曹文华 指导老师： 李超英 摘要 物理是一门实验科学，许多物理实验具有极其丰富和精湛的物理思想，揭示了解决问题的途径和方法。物理实验必须是在一定的科学实验思想指导下才能进行，只有充分掌握了实验思想，才能通过实验有效地获得可靠的实验数据、推导出有价值的结论。无论是演示实验还是操作学生实验，从实验的设计、装置、操作、数据处理、总结、推论等各个环节都蕴含着多种多样的实验思想。 关键词 物理实验; 设计; 操作; 数据处理 中图分类号 0441 许多物理实验思想和方法已经超越了具体的实验而有普遍的指导意义，加强物理实验思想方法的教育，可以更好地启迪学生的思维，培养学生的能力。物理实验思想方法包括设计思想及实施测量和数据处理的方法[2]。物理实验设计中的方法有：放大法、控制法（单因子法）、转化的方法、积累法、留迹示踪法、复制的方法、间接的方法、比较法、模拟法、利用自然法、整体法、选择的方法；实验数据处理的方法有：直接寻求两个物理量之间的关系、逐差法、作图法、拼凑法、转换法等。 下面主要论述物理实验的放大思想方法，误差分析，计算机辅助实验，物理实验方法的改进与物理实验在其他学科中的应用。 放大思想方法 放大就是通过一定方法增大某一量值以便于观察、测量。放大思想方法是物理实验中的一种基本思想方法。在物理实验中有些物理量及其变化因太小而不能直接测量时，就要借助声、光、机械和中介物将待测量及其变化放大后再去观测。 电阻分压分流法 一般电流表表头的电流范围在几十微安到几十毫安，如何扩大量程。磁电式电流表采用分流的方法来实现扩大量程的。图（1）中的Rs即为在表头两端并联一个分流电阻，分流电阻越小，电流表的量程越大。直流电压表由小量程直流电流表串联一电阻构成，如图（2）所示，串联不同的电阻构成不同量程的电压表，实现扩大量程。 1.2 光杠杆法 在一平板P下面固定三个足尖a,b,c,在平板上面，在后面两个足尖方向安置一平面镜M，这样就组成一光杠杆，如图（3）所示。当有一光线SO射到反射镜M上，ON1为其法线，则反射光线为OA1如图（4）所示，如果这时前足尖a被抬高δ，光杠杆将以足尖bc联线为轴转动θ角，当些角较小时，则下式成立： θ≈δ/d1 式中d1为足尖a到bc联线的垂直距离。此时法线ON1转到ON2方向，反射光线为OA2。反射光线的偏转角为2θ，它是光杠杆偏转角的二倍，即放大一倍，此即光杠杆名称的由来。利用光杠杆法进行微小长度变化的测量[3]，在《杨氏模量的测定》和《金属线胀系数的测定》中均采用到。 1.3 直接测微法 直接测微法在物理实验中较易考虑到，也易实现，主要采用机械方式放大微小长度的变化。如利用螺旋测微仪，各种读数显微镜和工具显微镜。测量方法简单而又直观性强，但测量的精度是有限的。 其中利用移测显微镜进行微小长度的变化的测量是具体应用的典型例子之一，如图（5）将移测显微镜安装成镜筒可以上下平行移动的形式，伸缩镜筒聚焦一目标A，当A点向上或向下移动时，可以转动螺旋，移动显微镜，跟踪A点，以此测出A点的移动距离。 另一种直接测微法所用器具是百分表。这种方法可以很好地避免象光杠杆法因为需要测量间接量较多而带来的误差，而利用百分表测微既简单又易行，如图（6）所示。钟表式百分表是由刻度盘、指针、轴套和导杆组成，测微范围为0∽5mm，测量精度为0.01mm，尤其适用《杨氏弹性模量的测定》的实验中。将百分表用支架固定在杨氏模量测定仪的平台上，使测微导杆与圆柱形卡头的上表机接触，当增加或减少砝码时，测微导杆随着金属丝的伸缩而移动。这种微小的伸缩量可由百分表指针位置的变化显示出来。 1.4 干涉法 采用光学干涉现象测定微小长度的变化不失为一种较为一理想的、新颖的、较高精度的一种方法。其主要思路是利用一种叫迈克尔孙干涉仪的装置，通过观察仪器视场中干涉条纹中心条纹的吞进或冒出的个数N来进行计算微小长度的变化，如图（7）所示。 在测量中要稍微对迈克尔孙干涉仪进行改装，主要技术是将微小长度的变化通过外加一些机械传动装置来推动干涉仪上M1的位置的变化，这种传动装置针对不同的实验会有所不同。在《杨氏模量的测定》的实验中，要设法将金属丝的伸长或缩短转变为M1移动.在《金属线胀系数的测定》实验中，需设法将铜棒受热伸长时M1将产生等量的位移。在测量《压电陶瓷的电致伸长系数》的实验中，需将电致长度的变化传递到M1。这样一旦长度产生微小的变化，在迈克尔孙干涉仪中就有对应变化的干涉条纹，其位移的变化量与条纹的变化量的关系有Δd=1/2λN。式中λ是激光波长。这种测量微小长度的变化量的清度高、手段新颖，但是需要对衍射条纹进行精确的测定，且需要组装