《中学物理实验研究》.docx
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《中学物理实验研究》
目录
第1章物理实验与物理学发展1
1.1物理实验与观察、生产劳动1
1.2物理实验在物理学发展中的地位1
1.3物理实验在物理学发展中的作用4
第2章物理实验与物理教学6
2.1科学实验与教学实验6
2.2物理实验在物理教学中的地位6
2.3物理实验在物理教学中的作用7
第3章物理实验原理与设计11
3.1中学物理演示实验原理分析方法11
3.2中学物理演示实验科学性与可行性15
3.3基本设计思想的形成26
3.4实验模型的建立27
3.5实验方案的设计与比较30
3.6实验装置与实验器材的选择32
3.7实验条件的选择和实验操作49
第4章课堂演示实验教学方法51
4.1物理实验的教学功能51
4.1.1物理实验的感觉功能51
4.1.2物理实验的训练功能51
4.1.3非语言传播功能53
4.1.4物理实验的评价功能53
4.2演示实验的类型53
4.3中学物理演示实验对教师的要求54
4.3.1备课要仔细54
4.3.2指导要明确55
4.3.3演示力求直观55
4.3.4操作要规范55
4.4课堂演示实验教学设计的基本方法55
4.4.1课堂演示实验教学模式56
4.4.2课堂演示实验教学设计的基本程序57
4.5实验教学程序59
4.5.1必须一切从学生出发59
4.5.2要与教学要求相适应63
4.6实验教学体系的设计与研究64
第5章中学物理演示实验器材制作70
5.1实验器材制作的意义70
5.2演示实验器材制作的基本原则和要求70
5.2.1基本原则70
5.2.2基本要求70
5.3自制实验器材设计注意事项71
5.4金属加工及工具71
5.5焊接技术72
5.6玻璃材料的加工73
5.7有机玻璃般的加工74
5.8粘接技术74
5.9自制实验器材实例77
5.9.1物体的重心77
5.9.2测定滑动摩擦系数78
附录：
备选实验项目82
第1章物理实验与物理学发展
1.1物理实验与观察、生产劳动
所有自然科学都来自于实践，都是在对自然现象观察的基础上，从科学试验和生产实践中总结发展起来的，物理学亦如此。
但是，物理实验与物理观察和生产劳动并不完全相同。
1．两个概念
物理实验：
是人们根据研究的目的，运用科学仪器设备，认为地控制、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察，以探究物理过程变化规律的一种科学活动。
观察：
是通过感官感受外部的各种刺激，形成对周围事物的印象。
科学观察是有计划、有目的地对自然状态下的客观事物进行系统考察和描述的一种科学活动。
2．物理实验与观察的差异
（1）共同点
两者都是科学实践中搜集事实、取得经验的途径。
（2）差别
A．实验中，人处于主动地位，可充分发挥主观能动性，控制条件，改变客观状态和进程，使自然现象的变化有利于得出规律性认识。
观察中，人处于被动地位，只能等待自然现象按其本来进程发展，对现象进行记录和研究。
B．实验结果可以重复，它不是简单的纯感性的活动，而是包括深刻的理性思维。
C．观察一般是获取原始材料的基本方法。
（3）联系
观察是实验的前提，实验是观察的发展。
观察是搜集自然现象提供的东西，实验室从自然现象中提取它需要的东西。
因此，观察和实验室两种不同层次的认识手段，起着不同的作用。
3．物理实验与生产劳动的区别
物理实验是以在科学理论指导下探索自然规律为主要目的；
生产劳动以直接改变自然，达到增加物质财富为目的，且不要求得到自然规律。
1.2物理实验在物理学发展中的地位
物理学是一门实验科学，其概念的建立、定律的发现都有坚实的实验基础，在物理学的发展中有着巨大的意义和推动作用。
1．物理实验与古代物理学的发展
物理学的发展，经历了从萌芽时期到经典物理学时期，再到现代物理学时期的三个大发展阶段。
在古代（公元前七、八世纪），物理学只是“自然哲学”的重要组成部分。
此时，主要依靠对自然现象和生产、生活很不充分地观察，以及简单粗造的实验，直觉地、笼统地去把我物理现象的一般特性。
物理学基本上处于对现象的描述，经验的简单总结和思辨性的猜测阶段，饰演的巨大作用还未被充分认识。
在古代，许多人曾做过许多实验，或进行过观察，对实验现象作过各种解释或总结，提出过种种理论，制造了不少仪器，对古代物理学的发展起到了积极的推动作用。
例如：
（1）古巴比伦人：
用“日晷”和水钟计时；
（2）古希腊人：
摩擦过的琥珀能吸引轻小的物体，恬然磁石具有磁性；
（3）阿基米德：
由杠杆实验得到杠杆定律；由浮力实验得到浮力定律；
（4）《考工记》：
水浮法定性估测物体比重；
（5）《墨经》：
记载了物体所受浮力是因为水被物体排开的关系；
（6）《墨子》记载了将两种稍有不同的坛子埋入地下，以判断地下声源的方法（固体传声和气腔共振）；
（7）沈括（梦溪笔谈）：
用纸人演示共振实验。
综上所述，这一时期的物理实验的特点是：
（1）零星不系统；
（2）定量实验较少，定性实验较多；
（3）大多数实验仅限于现象的描述或一般的解释，没有形成系统理论；
（4）没有用实验来检验已有理论。
总之，这一时期的物理实验方法和科学思想水平较低，使物理学没有能真正走上科学的道路。
2．物理实验与经典物理学的发展
经典物理学实在16、17世纪的文艺复兴时期和科学革命中诞生的，以伽利略为代表的一大批杰出科学家，把实验方法与物理规律的研究结合起来，对物理学的发展作出了划时代的贡献。
例如：
（1）伽利略斜面实验、落体实验：
发现了运动定律和自由落体规律；
（2）库仑扭秤实验、摩擦实验：
发现了库仑力的平方反比定律和摩擦定律；
（3）卡文迪许用扭秤装置测定了地球密度：
得到了地球密度和引力常数；
（4）焦耳热功当量的研究：
为能量守恒与转换定律的确立奠定了牢固的实验基础；
（5）分子速度分布律：
1859年：
麦克斯韦提出
1860年：
气体沾滞性随压强改变实验（间接证明了麦克斯韦速度分布律）
1911年：
杜诺伊尔制作成功分子束装置
1920年：
斯特恩用分子束实验技术对分子速度分布律做直接验证
1955年：
米勒、库什精确测定
（6）布朗运动：
是分子无规则热运动的有力证据，对认识分子、分子的存在有重要意义；
（7）奥斯特：
电流磁效应开创了电磁学的繁荣时期；
（8）法拉第：
电磁感应现象；
（9）杨氏双缝干涉：
为光的波动说提供了确凿证据；
（10）迈克尔逊-莫雷实验：
否定了“以太”的存在，导致了相对论的出现。
综上所述，经典物理实验对于经典物理学的发展起到了很大的推动作用，在经典物理学中地位极其重要。
更为重要的是，在这一时期，人们将数学引入到实验中，对实验结果理论化，形成了系统的经典物理理论体系，并能用理论去指导实验，大大丰富了物理实验的内涵，扩展了物理实验的功能。
从经典物理学的发展来看，物理实验起着至关重要的作用，并形成了物理实验自己独特的一套研究方法和科学思想，具有如下特点：
（1）把实验和数学结合起来
既注意逻辑推理，又依靠实验检验，构成了一套完整的科学研究方法：
观察→提出假设→运用数学和逻辑推理→实验检验→形成理论。
（2）有意识地在实验中抛开一些次要因素，创造理想化的物理条件
这是力求使实验条件尽可能符合数学要求，以便于获得超越实验本身的特殊条件的认识，又要设法改变实验测量条件，以使之易于测量。
（3）用实验验证理论
（4）把实验和理论联系起来，使实验结果上升到普遍的理论高度。
3．物理实验与现代物理学的发展
经典物理学从16世纪到19世纪末，历经300年的发展，达到了比较完整和成熟的阶段。
但是，此时的科学实验却发现了许多经典物理无法解释的事实，其中电子的发现、X射线的发现和放射性现象的发现具有根本的意义，它们的发现引起了物理学的革命，导致了现代物理的诞生。
例如：
（1）霍尔效应：
确定半导体材料的基本参数，推动半导体理论的发展；
（2）塞曼效应：
涉及光的辐射机理，反常塞曼效应的研究推动了量子理论的发展；
（3）阴极射线荷质比测定：
发现了电子；
（4）黑体辐射公式：
导致量子力学的产生；
（5）卢瑟福的α粒子散射实验：
提出了原子的核式结构模型；
（6）弗兰克-赫兹实验：
证明了原子能级的存在，揭示了原子能及图像，证明了玻尔理论的正确性；
（7）斯特恩-盖拉赫实验：
证明了空间量化理论，既角动量的空间取向量子化；
（8）戴维森-革末实验：
证明了德布罗意物质波假设，形成了一门独立的实验技术。
综上所述，现代物理是从实验发现开始的，并在实验中发展起来。
现代物理实验乃至当前物理实验方法和发展的特点和趋势如下：
（1）实验与物理论结合越来越紧密，成为不可分割和相互依赖的结合体。
物理实验更加需要理论指导，在理论的预测和条件范围内进行，而不是盲目的；
（2）实验需要更先进的技术和仪器设备。
因为现代物理需要探索更细微的结构，更远的距离，更短的时间，更大或更小的压强，更高或更低的温度等；
（3）物理实验方法与其它学科的结合和向其它学科的渗透，使得新的实验方法和技术更快地在应用领域得到推广使用；
（4）当代前沿的物理实验越来越成为大规模的、集体的、综合的工程，需要各个方面的科学家和工程技术人员，甚至是国际之间的合作；
（5）建立和利用空间实验室，充分利用太空的高真空、无污染、失重等天然条件。
总之，近代物理的发展更加离不开实验。
1.3物理实验在物理学发展中的作用
从整个物理学的发展来看，物理实验在各个阶段所起的作用不尽相同，但它是整个物理学理论的基础，是物理学发展的基本动力。
它在物理学总的作用主要表现在：
1．发现新事物和探索新规律
从物理学发展历史来看，大量实验事实的发现，提供了新规律建立的基础；它也可以揭示理论的不足，进而为开拓新的领域打下基础。
2．验证理论
理论是物理学的核心，其正确性必须有实验验证。
因此，实验是检验理论的重要手段之一。
理论和实验之间是相辅相成的关系，没有实验，理论是空洞的；没有理论，实验室盲目的。
3．常数的测定
物理学中有大量的常数，大致可分为两大类：
物质常数（如比热、电阻率、折射率等）；基本常数（如真空中的光速、基本电荷、普朗克常数等）。
前者会随某一因素改变，后者是普遍适用的。
物理学中，大量的实验是围绕常数进行的，特别是基本常数的研究和确定，在物理学发展中占有极其重要的地位。
4．推广应用
将成熟的实验技术推广到其它学科中。
第2章物理实验与物理教学
2.1科学实验与教学实验
1．科学实验的特点
科学实验的主要特点：
（1）实验条件可严格控制
A．忽略干扰、只考虑主要问题；
B．从不同侧面探索物理规律。
（2）实验课重复
（3）需要借助各种仪器，以获得人们不能直接感知的现象、规律
（4）可在特殊条件下或特殊情环境中进行，特别是对特殊的物理现象。
2．教学实验
教学实验室有选择地把一部分研究或探索物理现象和规律的实验和事实，在集中的时间内显现给学生，教给学生。
在此活动中，学生的学习过程与物理学家的探索过程有相似之处。
因此，教学实验对学生的认识活动所起的作用与科学实验相似。
3．教学实验与科学实验的差别
科学实验
教学实验
目的
发现新现象、探索新规律
帮助学生掌握知识和学习方法，培养能力，提高素养。
内容
由需探索的新问题而定
按教学目的设计
按教学需要安排
新的、未知的
成熟的，对学生是新的
形式
通过实验和观察现象，测量和记录数据，计算和分析结果，得出物理规律，但能否得到最终结果未知
结果是肯定的
注
两者的共同特征：
物理现象要明显或物理规律要清晰
2.2物理实验在物理教学中的地位
物理实验室物理教学中的一个重要的组成部分，它既是物理教学的基础，又是物理教学的重要内容、方法和手段。
1．实验是物理教学的重要基础
物理教学中运用实验的目的在于给学生创造一个良好的环境，使学生能主动获取物理知识和发展能力，促进学生科学品质和世界观的形成；使学生掌握实验的基础知识和基本方法，培养其实验技能和能力。
中学物理教学必须以实验为基础，这是由实验本身的特点以及在物理教学中的作用所决定的。
2．实验是物理教学的重要内容
（1）物理实验是物理学不可分割的重要内容
物理学任何一部分内容的发展都可分解为三种因素：
实验（事实）、物理思想（逻辑、方法论）和数学（表述形式或计量公式）。
由此可见，实验内容本身就是教师应该教、学生应该学的。
（2）实验教学是物理教学的重要组成部分
实验是物理概念、规律教学中不可少的基础。
离开了实验的物理教学只能是“空中楼阁”。
有了实验的物理教学，可把枯燥难懂的知识变得生动，有利于激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性。
（3）实验是培养学生实验能力的保证
中学物理实验有演示、示范和分组实验。
由此可使学生从中学到实验的基本知识、基本技术和基本方法，可发展能力、培养良好的素质。
3．实验是物理学研究的重要方法
（1）实验是物理学研究的重要方法
实验（研究）方法，是人们根据研究目的，利用一定的仪器设备人为地制造、控制或模拟自然现象，使某些现象反复再现，以便于人们反复观察研究的一种方法。
实验方法的优点在于能将复杂条件简化，借助仪器设备突出研究对象的主要因素，排除次要的非本质因素，使需认识的某种性质或关系以比较纯粹的形式表现出来，以使人们能较容易、较精确地发现规律。
（2）实验是教师教物理、学生学物理的重要方法
通过观察和实验，使学生知道探索发现物理规律的过程，培养和提高学生的观察能力和逻辑思维能力，培养学生的实验动手能力和创造能力，帮助学生掌握科学的学习方法。
4．实验是物理教学的重要手段
实验：
直观具体，形象生动；
实验教学：
从感性到理性，从具体到抽象，从简单到复杂，符合学生的心理特点和认知规律。
2.3物理实验在物理教学中的作用
1．培养学生的兴趣和激发学生的求知欲
实验课培养学生学习物理的兴趣，主要原因是：
（1）实验具有真实、直观、形象和生动的特点，易于激发学生的兴趣
中学生天生好奇、好动，在观察生动有趣的实验时他们注意力会高度集中，而且充满激情。
（2）实验是一种有目的性的可操作行为
设法让学生多动手做实验（边学边做、分组实验、课外实验），可满足学生操作的愿望，可让学生不断体会到“发现”和“克服困难解决问题获得成功”后的愉悦，从而提高兴趣，增强信心，增强学习的欲望，进而转化为一种热爱科学的素质和志向。
“热爱是最好的老师”，只要有了学习兴趣，才谈得上学习的积极性，主动性和创造性，因此，教师要设法让学生多做实验。
2．创设学生有效掌握知识的学习环境
大多数物理概念和规律是从大量具体实例中抽象出来的，因而，在教学中必须重视感性认识，它是形成概念、掌握规律的基础。
感性认识可来源于生活，也可来源于实验提供的物理事实。
但来源于生活的感性材料通常是复杂的运动形态，本质的、非本质的交融在一起，由此让学生建立概念、认识规律难度较大。
而实验可提供进行选择的、经过简化和纯化的感性材料，使学生对物理事实获得明确、具体的认识。
和生活实例相比较，物理实验具有如下特点：
（1）实验具有典型性；
（2）实验具有重复性；
（3）实验具有趣味性；
（4）实验具有定性和定量研究的全面性。
3．训练学生的科学方法
实验能够创造出最确实、最少受干扰，并保证过程以其纯粹形态进行的物理环境；它创造了理论联系实际的学习过程。
这个过程能活化学生学到的知识，能引导学生像科学家那样去观察周围的事物，用实验手段去验证事物的属性，发现事物的变化、联系和规律，让学生从中学习科学的研究方法，掌握科学的研究方法，掌握科学的学习方法。
综上所述，实验室对学生进行创造意识训练和科学方法训练的有效途径。
实验的基本方法有4大类：
（1）实验归纳法
是由个别到一般的方法，即根据研究目的认为地控制条件，从大量的实验现象中寻找普遍特征，进而概括出规律的方法。
其特点是：
实验在前，结论在后。
也称之为探索性试验，是中学物理教学中最常见的一种。
（2）实验验证法
是一种推理、判断在前，实验验证在后的研究方法，即在已知的物理理论和实践的基础上，或是在出现了与已知物理理论根本冲突的物理事实时，经过推理、作出假设和预言，并通过实验来检验其真理性，最后肯定或否定论断，从而得出可靠的结论。
实验验证法与想象、推理、判断等思维形式结合在一起，就构成“演绎”的科学方法，是人的认识能力的创造性表现。
这种能力促使科学家超前于实验而推动科学的发展。
实验技能鼓励科学家大胆设想、勇于创新的精神，又能无情地否定谬误，防止科学家走上歧途，因此，验证性实验也是科学发展的动力之一。
探索性、验证性实验若在教学中使用得当，都具有启迪思维、探索真理的作用。
（3）真实实验与理想实验相结合的方法
真实实验是人们能够实际进行的实验活动。
理想实验是人们在头脑中塑造的一种理想过程，是逻辑推理的一种方法和形式。
两种方式有相似的特征和目的，都是将研究的对象加以“纯化”，以在最少受干扰和影响的条件下，概括出所研究对象的特性和本质。
而真实实验和理想实验相结合的方法，是在有限的实践基础上，经过推论、判断而得出理想条件下的物理规律的方法。
两种方法有差别，也有联系。
真实实验是具体的实践活动，可作为检验物理真理的标准，而理想实验不能作为检验物理真理的标准，而且其本身的结论的正确性还需要由真实实验来判断。
一般来讲，理想实验依赖于真实实验。
真实实验的纯化是相对的，因为无论什么条件下都不可能创造出绝对纯的环境，总要受到外界干扰，因此，真实实验总具有误差。
理想化实验的纯化是绝对的，不会产生误差。
这在真实实验受到制约时，可以超越科学技术的发展水平而充分发挥人的思维能力，比真实实验更抽象、更概括、更深刻。
因此，理想实验高于真实实验，能更直觉、更深刻地反映物理现象的本质，揭示出事物之间的内在联系，是人们认识能力高度发展的体现，在推动物理学发展中起着重要作用。
（4）追溯机遇的方法
注重实验中的偶然因素引起的、未意料到的、有重要科学价值的新现象。
4．培养学生的各种能力
（1）培养学生实验能力；
（2）培养学生想象能力
（3）培养学生思维能力
（4）培养学生观察能力
（5）培养学生分析能力
（6）培养学生创新能力
5．培养学生良好的科学素质
（1）培养学生实事求是的科学态度，严谨细致的工作作风和坚韧不拔的意志品质；
（2）有助于学生形成正确的观点、概念，优秀的道德品质；
（3）培养高尚的思想情操和浓厚的学习兴趣。
第3章物理实验原理与设计
物理实验不仅仅是物理教学的重要基础、重要方法和重要手段，也是物理教学中的重要内容。
物理实验教学研究包括“硬件”（实验）和“软件”（教学）研究，其研究方法可以分为相互联系的三个部分：
实验研究法、实验设计法和实验教学法。
3.1中学物理演示实验原理分析方法
为确保实验的成功，对实验的研究应从分析实验原理入手，其基本方法是：
1．明确实验的目的、内容和要求。
2．认真研究实验原理，对定量或半定量实验需要分析实验的误差来源及影响程度。
3．确定实验的关键。
4．对实验装置、器材和实验条件提出要求，并进行选择，确定操作要电话我注意事项。
例1：
低压沸腾实验
在瓶里装入低于100℃的水，用针筒抽气降压，可看到水的沸腾。
分析如下：
（1）实验目的：
说明压强减小，沸点降低。
（2）实验要求：
明显地显示出减小瓶内压强后，瓶内原来不沸腾的水发生沸腾现象。
（3）实验原理：
抽气→减压→沸点降低→沸点低于水温→沸腾
（4）实验关键：
水温要高于被降低的那个沸点，这有两个因素共同决定：
水温、降压的程度。
（5）对实验器材的要求：
A．水温不要太低（>85）
B．瓶内水不要装得太少
C．橡皮管不能太长、太软，瓶塞等处不能漏气。
只要能满足这三个要求，即可保证实验的成功。
例2：
直导线切割磁力线产生感应电流
分析如下：
（1）实验目的：
说明直导线切割磁力线运动时，可在闭合回路中产生电流。
（2）实验要求：
当直导线切割磁力线时，电流计指针有明显的偏转，以清楚地表明感应电流的产生。
（3）实验原理：
切割磁力线→产生感应电动势（ε＝Bvlsinθ）→产生感应电流（I＝ε/（R＋r）→电流计指针偏转
（4）实验关键：
A．感应电流要大；
B．电流计要灵敏，可见度大。
由此可知，要使实验达到满意的效果，关键在如下几个因素：
（5）对实验器材的要求
综上所述，该实验成功与否的关键是对实验器材的选取：
A．B大：
永强磁性磁铁
B．增大I：
用线圈的一条直边
C．减小R：
导线电阻和接触电阻要小
D．减小rA：
选择内阻较小的电流表
E．显示仪器要灵敏
实际上，只要做到了A、B、C三点，可保证此实验成功。
（6）对实验操作的要求
A．较快移动直导线切割磁力线；
B．使直导线、运动方向和磁力线三者相互垂直。
在对实验的研究中，特别是在实验原理的研究中，还应注意两个很重要的问题：
（1）所谓实验原理，并不是仅仅指实验目的中所要说明的物理道理。
广义地讲，实验原理是实验方法、实验器材和装置、实验过程、实验结果分析等所依据的物理道理。
在原理分析中所涉及到的许多情况、因素和信息，往往没有给出，而需要靠自己去寻找、收集、探索和试验。
而且原理分析时需“理想化”，需要略去一些次要因素，或作一定的简化和抽象，但其程度的把握至关重要。
（2）无论对定量还是定性试验，分析原理时，应有“量”的意识，能做定量或半定量分析的不要轻易放弃。
因为“量”变常常会影响实验现象和效果（结果）的质的变化。
但这并不是说定性分析不重要，但不能只停留在定性分析上。
例3：
平行板电容器的电容与两个极板间距的关系的实验。
图1
（1）实验目的：
说明平行板电容器的电容C随两极板间距d的增大而减小的规律，如图1所示。
（2）实验要求：
当两极板间距d变化时，静电计指针的偏角θ有明显的变化，即△θ尽可能大。
为了方便起见，假定：
①用厂制仪器进行实验，不另选仪器；②实验过程中不存在漏电现象、两极板相对面积不变；③仅考虑两靠近的极板逐渐拉开的实验过程。
（3）实验原理：
研究1：
根据公式U＝Q/C，在极板带电量Q一定的情况下，C↓→U↑→θ↑，因为
，在ε0，S一定的情况下，d↑→C↓。
所以，当d由d0→d′，变化＝△d时，有：
C由C0→C′，变化△C；
U由U0→U′，变化△U；
θ由θ0→θ′，变化△θ。
实验要求△θ尽可能大。
显然，要使△θ大，就需要△U大，就需要△C大。
要使△C大，就需要使△d大。
（4）实验关键：
要使△d尽可能大。
（5）操作要点：
将两极板拉得越开越好。
实验结果：
效果不能令人满意。
显然，上面的实验研究不确切或不全面。
图2
研究2：
从上面的分析可见，要使△θ大，就需要△C大。
但△C的大小并非仅仅决定于△d的大小。
对此，可做下面的分析。
①由C与d的反比关系图（如图2所示）可以很直观地看出：
初始位置d不同，初始电容C也不同；对于不同的初始位置d，即使△d相同，△C却是不同的。
②由公式
可得：
可见，△C不仅取决于△d的大小，还取决于初始间距d0的大小。
（4）实验关键：
d0要小，△d要大。
（5）操作要点：
两极板靠近些再拉开些。
实验结果：
效果不能保证令人满意（△θ不稳定，且通常不很大）。
图3
研究3：
接上面分析，考虑实际情况，静电计和连线都有一定的电容（如图3所示）。
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