高中物理基本实验方法例谈，本文主要内容关键词为：法例论文,高中物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理学是一门以实验为基础的学科，实验教学是物理学科教学的重要内容。也是多年来物理高考重点考查的一个方面。《考试大纲》对实验能力的要求中写道：“能灵活运用所学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题”，物理高考实验题中考查学生灵活运用所学知识解决实际问题的能力及创新能力的“高档”试题，多是学生在课堂实验中未曾见过的问题，要想从容应对这类试题，有必要把我们学过、使用过的实验方法加以总结，以求能灵活运用。限于篇幅。本文主要就物理测量的实验方法问题谈一些体会和想法。
一、累积法
累积法是将微小量累积后测量，以提高测量的精确程度的一种方法。微小量不易准确测量。主要原因是测量仪器的精确度不够，勉强直接测量则误差过大，测量结果的有效数字位数太少。这时可以采用累积法。
比如，测量均匀细金属丝直径时，若没有螺旋测微器，可以采用密绕多匝的方法，测量线圈的总长度再除以匝数即得出金属丝的直径，如果不用累积法而是用刻度尺直接测量直径不足1mm的细金属丝，读数只能有一位有效数字，而且这一位还是估计值。显然测量不够准确，而用累积法，一般可以得到三位有效数字，有效数字位数的增加，就是测量准确度的提高；又如，在测定单摆周期时，用秒表测一次全振动的时间误差很大，可以采用测30～ 50次全振动的时间t，从而求出单摆的周期T=t/n（n为全振动次数）；在用滴水法测重力加速度时，由公式
，实际实验时，水龙头距地面的高度h可以用刻度尺比较精确地测量，而水滴下落的时间t则用普通的计时仪器是难以准确测量的，我们可以采用如下的方法：①调节水龙头阀门，使水滴间隔相等的时间滴下；②将一个托盘放在水龙头下方，从与水龙头接触开始缓慢地向下移动，眼睛看着水龙头，耳朵听着水滴落在托盘上的声音，直到在看到水滴下落的同时听到水滴落盘的声音为止；③用刻度尺量出托盘到水龙头的竖直高度h；④用秒表测出滴n=50～100个水滴所用时间t，则相邻两水滴相隔时间为
。即可用公式
算出重力加速度g。此外，在分析打点计时器打出的纸带时，可隔几个点确定一个计数点分析；在“双缝干涉测光的波长”实验中采用测多条条纹总间距等都是应用累积法的实际例子。累积法的好处是：既起到多次测量取平均值，减少偶然误差的作用，又增加有效数字的位数。采用此法的条件是：被测量个体差异可以忽略，单摆周期的等时性，正是测周期时可以用累积法的根据。
二、替代法
替代法是用与被测量在某一方面等效的另一物体来替代原测量物体的方法。历史上著名的“曹冲称象”就是用的替代法：由于大象质量太大，在当时条件下无法称量，曹冲巧妙地用一堆石头替代大象，放在船上，使船下沉的“效果”相同，而石头可以拆开来用小的量具分别称量。使用替代法的条件是待测物的微小变化能引起监测仪表的明显变化。
三、伏安法
伏安法常用于测量导体（含电表）的电阻、电功率，电源的电动势和内阻等，它是电阻测量的最基本方法之一。伏安法测电阻的理论根据是部分电路欧姆定律。需要的基本测量仪器是电压表和电流表。电流表可显示电阻中通过的电流值，电压表可显示电阻两端的电压值。对于理想电表，电流表只能测量电流且必须串联在电路中，电压表只能测电压且只能并联在电路中：对实际的电表，如果电表的内阻的准确值R已知，根据欧姆定律
，电压表同时可以当电流表使用，电流表也可以当电压表使用，有时还可以当定值电阻使用。
如果测量的对象是电流表或电压表的内阻，并且同时具有可以作为标准的已知其内阻的电表时，可采用如图3所示电路测量，左边电路中电流表
的内阻
已知，它可以当作电压表使用，则电流表
四、比较法（比例法）
把待测量与标准量进行比较得出实验结论的方法就是比较法。
比如在用天平称物体的质量时，就是把物体与砝码进行比较，砝码的质量是标准的，天平是等臂杠杆，因此当天平重新达到平衡时，不用再进行计算，而是直接读出砝码的质量，它就等于物体的质量。
一般情况下，被测物理量跟标准量并不相等，而是要根据某种关系进行计算，最常用的是二者间满足一定的比例关系，通过一定的比例计算即可得出结果，这就是通常所说的比例法。使用比例法重要的是控制实验条件，以满足比例关系。如1999年全国高考19题，2001年全国理综29题，2005江苏物理卷12题中电阻的测量均是采用的此法（题略）。
五、转换法
某些物理量不容易直接测量，或某些现象直接显示有困难，可以采取把所要观测的变量转换成其他变量（力、热、声、光、电等物理量的相互转换）进行间接观察和测量，这就是转换法。
如在“探究加速度跟力和物体质量的关系”的实验中，加速度的大小不能直接看出，根据
我们在控制两辆小车同时由静止出发并且同时制动，则两小车的加速度a与位移s成正比，于是就可以通过比较小车位移来比较小车的加速度；在“验证碰撞中的动量守恒”的实验中，两球碰撞后的速度不易直接测量，使两球碰后都作平抛运动，而平抛物体的落地时间只与下落高度有关。二者下落高度相等，因此在空中的运动时间也相等，这样两球的水平位移就与碰后的初速度大小成正比，因此可把测量速度转换为测量水平位移；在“测定玻璃的折射率”的实验中，本应测量入射角i和折射角r，再根据折射率
求出折射率，但角度不容易测准确（一般所用的量角器的分度值是1°，并且测角度时顶点很难保证对得特别准确），我们可以通过作辅助线的方法把测角度转换为测线段的长度，从而增加了有效数字的位数，即提高了测量的准确度。
另外，在高中物理教学中还有外推法，留迹法，微小量放大法等。
外推法是指有些物理量可以局部观察或测量，而它的极端情况不能直接测量，可以根据一定范围内待测量的变化规律外推到极端，得到相关数据。如力学中，伽利略对自由落体运动的研究，伽利略的理想斜面实验，牛顿对人造卫星的设想；电学中，测定电源电动势和内阻的实验中用此法求得电源的电动势E和短路电流
；热学中，绝对零度的确定等。
留迹法是指把瞬息即逝的现象（如运动物体所处的位置，轨迹等）记录下来，以便从容地测量，比较和研究，如通过纸带上打出的小点记录物体不同时刻的位置：利用频闪照相记录作自由落体运动和平抛运动的小球的一系列位置；用描迹法画出平抛物体的运动轨迹：用小球落地打出的点迹记录发生碰撞前后小球的位置：用沙摆显示振动的图像；用示波器观察交流信号的波形，等等。
放大微小量的方法中常用的有游标卡尺的差值累积放大，螺旋测微器的螺纹放大，卡文迪许测定万有引力恒量，采用的光路放大金属丝的微小扭转形变，在观察玻璃瓶受力后的微小形变时，使液体沿细玻璃管上升来放大瓶内液面的上升等。复习过程中应注意从实验方法上进行梳理。
下面我们通过一道例题来说明如何确定实验方法。
例 （2006高考物理广东卷12题）某同学设计了一个如图7所示的实验电路，用以测定电源电动势和内阻，使用的实验器材为：待测干电池组（电动势约3V）、电流表（量程0.6A，内阻小于1Ω）、电阻箱（0～99.99Ω）、滑动变阻器（0～10Ω）、单刀双掷开关、单刀单掷开关各一个及导线若干。考虑到干电池的内阻较小，电流表的内阻不能忽略。
(1)该同学按图7连线，通过控制开关状态，测得电流表内阻约为0.20Ω。试分析该测量产生误差的原因是——
图7
(2)简要写出利用图7所示电路测量电源电动势和内阻的实验步骤：①________；②______；
(3)略。
分析 本题通过组合“半偏法测量电流表内阻”、“伏安法测量电源电动势和内阻”两个实验考查考生的综合实验技能。
(1)问中未点明使用的是牛偏法测电流表的内阻
，旨在考查学生灵活运用已学过的物理实验方法处理问题的能力。解答这一问首先要弄清楚这步实验的具体操作过程：首先将滑动变阻器滑片P滑至B端，单刀双掷开关S空掷；然后闭合开关K，调节滑片P使电流表达到满度；再将S掷于与C接触，使电阻箱R与电流表并联，保持电路的其他部分不变，调节R使电流表达到满度的一半，读出电阻箱的示数，即为电流表内阻的测量值。测量值与电流表内阻的真实值
相比是偏小，原因是电路的总电阻比待测电流表的电阻大得不够多（电路的总电阻只有大约5Ω，只是电流表内阻的25倍左右），并联电阻箱R后电路总阻值减小，造成千路电流增大，从而通过电阻箱支路的电流大于通过电流表支路的电流。
(2)问中提供的器材与教材中的实验装置不尽相同，旨在考查学生灵活运用已学过的物理理论处理问题的能力。由E=I(R+r)可知，改变电阻箱的阻值并记录电流表的示数，记录下两组R和I的数据，即可通过解联立方程组求得E和r的数值，也可以测得多组R和I的数据，利用图像法求解。具体步骤是：①断开开关K，将电阻箱R的阻值调节到大约10Ω左右，将开关S与D接触，记录电阻箱的阻值
和电流表示数
；②断开开关S，再次调节电阻箱R，开关S仍与D接触，记录电阻箱的阻值
和电流表示数
。重复多次，记录多组R和I的数据后可利用图像法进行处理。