物理實驗方法及其與實驗課程的結合論文

　　【摘要】 歸納了物理實驗的基本方法，并討論了各種方法和具體實驗課程的結合，以達到培養學生的動手能力和創新能力的目的。

　　【關鍵詞】 物理實驗； 比較法； 放大法； 平衡法； 轉換測量法

　　物理實驗的目的是為了揭示與探索自然規律。掌握有關的基本實驗方法，對提高科學實驗能力有重要作用。實驗方法和測量方法很多，就同一個實驗也會體現多種方法且各種方法又相互滲透和結合，如何根據大學物理實驗課程的需要，采用最優的實驗方法，達到實驗目的是一個必須思考的重要問題。本研究歸納了幾種常用的基本實驗方法，并進一步討論了各種方法如何與具體實驗課程相結合，發揮大學物理實驗課程在高等教育中的重要基礎性作用。常見的物理實驗方法有比較法、放大法、平衡法、轉換測量法等。

　　1 比較法 比較法是根據一定的原理，通過與標準對象或標準量進行比較來確定待測對象的特征或測量數值的實驗方法。它又可分為直接比較、間接比較、特征比較3種。例如在長度，質量測量實驗當中用最小分度為一毫米的米尺測量長度，“1毫米”就是作為比較的標準量。天平稱質量、秒表計時等都屬于直接比較。而多數物理量是不能通過直接比較去測量的，而要用間接比較去測量。借助中間量或通過某種變換使待測量與標準量發生間接比較。惠斯登電橋測電阻實驗就是將待測電阻與標準電阻 進行間接比較得出。電位差計測電動勢或電壓是通過將待測電壓或電動勢與標準電池電動勢進行間接比較來實行比較測量，測量固體、液體密度時，可與密度已知的標準液體（水、酒精等）進行比較。

　　圖1 惠斯登電橋電路示意圖（略）

　　2 放大法

　　放大法是在實驗中有時遇到由于被測量量過分小，以至無法被實驗者或儀器直接感受和反應，此時可先通過一些途徑將被測量量放大，然后再進行測量，放大被測量量所用的原理和方法稱為放大法。常用的放大法有累積放大法、電學放大法、光學放大法等。在最簡單的單擺實驗的周期測量中，假定單擺周期T為1.50s，人開啟和關閉秒表的平均反應時間為△T＝0.2s，則單次測量周期的相對誤差為△T/T＝30％，若我們測量50個周期，則將由人開啟和關閉秒表的平均反應時間引起的誤差降到△T/T＝30％ 。回旋加速器也是利用了積累放大的原理，電子每通過加速器半圓的出口進行一次加速，使電子的能量不斷增加。電學放大法是將微弱電信號（電流、電壓或功率）通過電子線路放大進行測量的方法。在光電效應實驗中，夫蘭克赫茲實驗應用微電流放大器來觀測微弱電流。示波器中的示波管將電信號放大到能明顯的觀察和測量。光學放大法是通過光學儀器比如放大鏡、顯微鏡和望遠鏡將待 測對象放大。這類儀器只是在觀察中放大視角，并不是實際尺寸的變化，所以并不增加誤差。因而許多精密儀器都是在最后的讀數裝置上加一個視角放大裝置以提高測量精度。微小變化量的放大原理常用于檢流計、光杠桿等裝置中。光杠桿鏡尺法就是通過放大被測量的微小長度變化，其原理如實驗楊氏模量的測量中有關公式b=2DΔL/ l 所示，ΔL 原來是一個微小的長度變化量，當取D遠大于光杠桿的臂長 (光杠桿的支腳尖到刀口的垂直距離)后，經光杠桿轉換后的變化量 卻是一個較大的量，可在標尺上直接讀出。其中，2D/ l 為光杠桿裝置的放大倍數。一般在實驗中，l 約為4～8cm，D約為1～2m，因此光杠桿的放大倍數可達到25～100倍。

　　3 平衡法

　　平衡法是利用平衡狀態進行測量的方法。根據平衡條件可以得到等量關系，從而達到測量的目的。天平是利用杠桿平衡原理制造的，就其儀器設計原理來說是平衡法，從測量方法來看是比較法。惠斯登電橋測電阻，就其電路原理( 檢流計兩端電位相等時達電橋平衡狀態)也是平衡法。

　　4 轉換測量法

　　轉換測量法是根據不同物理量或不同物理效應之間的各種關系，利用變換原理進行測量的方法。其中參量換測法比較常用，該方法利用各種參量之間的相互關系測某一物理量。它在間接測量中比較普遍。比如在楊氏模量的測量實驗中通過測應力與應變的關系來測楊氏模量；通過測光的衍射角、衍射級次并已知光柵常數而測出光波長；光的干涉法將長度的微小變化換成相干光光程差的變化，光程差的變化引起顯微視場中干涉條紋的移動，測出條紋的移動的數目就得到了長度的微小變化（如熱膨脹、磁致伸縮等）。還可以通過能量變換裝置將一種形式的量轉換成另一種形式的量進行測量。其優點是將不易測量的量轉換為易測量的量。其測量條件是有換能器或傳感器實現能量轉換。大多數情況都是將非電量換成電量進行測量。較典型的有熱電轉換、力電轉換、光電轉換、磁電轉換等。

　　圖2 光杠桿原理圖（略）

　　5 結論

　　另外還有補償法、模擬法、強化法等物理實驗方法，均根據實驗項目的特點被運用到了具體的實驗課程中設計教學內容，優化實驗方案，恰當的把各種物理實驗方法和實驗課程有機結合，并鼓勵學生積極思考新的實驗方法，比較不同方法的優劣勢，以求最大程度培養學生的動手能力和思維創新能力。

　　【參考文獻】

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