物理实验方法及其与实验课程的结合论文

物理实验方法及其与实验课程的结合论文

　　【摘要】 归纳了物理实验的基本方法，并讨论了各种方法和具体实验课程的结合，以达到培养学生的动手能力和创新能力的目的。

　　【关键词】 物理实验； 比较法； 放大法； 平衡法； 转换测量法

　　物理实验的目的是为了揭示与探索自然规律。掌握有关的基本实验方法，对提高科学实验能力有重要作用。实验方法和测量方法很多，就同一个实验也会体现多种方法且各种方法又相互渗透和结合，如何根据大学物理实验课程的需要，采用最优的实验方法，达到实验目的是一个必须思考的重要问题。本研究归纳了几种常用的基本实验方法，并进一步讨论了各种方法如何与具体实验课程相结合，发挥大学物理实验课程在高等教育中的重要基础性作用。常见的物理实验方法有比较法、放大法、平衡法、转换测量法等。

　　1 比较法 比较法是根据一定的原理，通过与标准对象或标准量进行比较来确定待测对象的特征或测量数值的实验方法。它又可分为直接比较、间接比较、特征比较3种。例如在长度，质量测量实验当中用最小分度为一毫米的米尺测量长度，“1毫米”就是作为比较的标准量。天平称质量、秒表计时等都属于直接比较。而多数物理量是不能通过直接比较去测量的，而要用间接比较去测量。借助中间量或通过某种变换使待测量与标准量发生间接比较。惠斯登电桥测电阻实验就是将待测电阻与标准电阻 进行间接比较得出。电位差计测电动势或电压是通过将待测电压或电动势与标准电池电动势进行间接比较来实行比较测量，测量固体、液体密度时，可与密度已知的标准液体（水、酒精等）进行比较。

　　图1 惠斯登电桥电路示意图（略）

　　2 放大法

　　放大法是在实验中有时遇到由于被测量量过分小，以至无法被实验者或仪器直接感受和反应，此时可先通过一些途径将被测量量放大，然后再进行测量，放大被测量量所用的原理和方法称为放大法。常用的放大法有累积放大法、电学放大法、光学放大法等。在最简单的单摆实验的周期测量中，假定单摆周期T为1.50s，人开启和关闭秒表的平均反应时间为△T＝0.2s，则单次测量周期的相对误差为△T/T＝30％，若我们测量50个周期，则将由人开启和关闭秒表的平均反应时间引起的误差降到△T/T＝30％ 。回旋加速器也是利用了积累放大的原理，电子每通过加速器半圆的出口进行一次加速，使电子的能量不断增加。电学放大法是将微弱电信号（电流、电压或功率）通过电子线路放大进行测量的方法。在光电效应实验中，夫兰克赫兹实验应用微电流放大器来观测微弱电流。示波器中的示波管将电信号放大到能明显的观察和测量。光学放大法是通过光学仪器比如放大镜、显微镜和望远镜将待 测对象放大。这类仪器只是在观察中放大视角，并不是实际尺寸的变化，所以并不增加误差。因而许多精密仪器都是在最后的读数装置上加一个视角放大装置以提高测量精度。微小变化量的放大原理常用于检流计、光杠杆等装置中。光杠杆镜尺法就是通过放大被测量的微小长度变化，其原理如实验杨氏模量的测量中有关公式b=2DΔL/ l 所示，ΔL 原来是一个微小的长度变化量，当取D远大于光杠杆的臂长 (光杠杆的支脚尖到刀口的垂直距离)后，经光杠杆转换后的变化量 却是一个较大的量，可在标尺上直接读出。其中，2D/ l 为光杠杆装置的放大倍数。一般在实验中，l 约为4～8cm，D约为1～2m，因此光杠杆的放大倍数可达到25～100倍。

　　3 平衡法

　　平衡法是利用平衡状态进行测量的方法。根据平衡条件可以得到等量关系，从而达到测量的目的。天平是利用杠杆平衡原理制造的，就其仪器设计原理来说是平衡法，从测量方法来看是比较法。惠斯登电桥测电阻，就其电路原理( 检流计两端电位相等时达电桥平衡状态)也是平衡法。

　　4 转换测量法

　　转换测量法是根据不同物理量或不同物理效应之间的各种关系，利用变换原理进行测量的方法。其中参量换测法比较常用，该方法利用各种参量之间的相互关系测某一物理量。它在间接测量中比较普遍。比如在杨氏模量的测量实验中通过测应力与应变的关系来测杨氏模量；通过测光的衍射角、衍射级次并已知光栅常数而测出光波长；光的干涉法将长度的微小变化换成相干光光程差的变化，光程差的变化引起显微视场中干涉条纹的移动，测出条纹的移动的数目就得到了长度的微小变化（如热膨胀、磁致伸缩等）。还可以通过能量变换装置将一种形式的量转换成另一种形式的量进行测量。其优点是将不易测量的量转换为易测量的量。其测量条件是有换能器或传感器实现能量转换。大多数情况都是将非电量换成电量进行测量。较典型的有热电转换、力电转换、光电转换、磁电转换等。

　　图2 光杠杆原理图（略）

　　5 结论

　　另外还有补偿法、模拟法、强化法等物理实验方法，均根据实验项目的特点被运用到了具体的实验课程中设计教学内容，优化实验方案，恰当的把各种物理实验方法和实验课程有机结合，并鼓励学生积极思考新的实验方法，比较不同方法的优劣势，以求最大程度培养学生的动手能力和思维创新能力。

　　【参考文献】

　　1 刘作会.恰当地选择 合理地改进——例谈物理实验方法优化. 科学咨询(教育科研),2009,12:30.

　　2 刘名扬.大学物理实验教学改革及成效. 实验室研究与探索，2009，28（7）：139～140.

　　3 田真,陈镇平. 大学物理教学现状及改革的思考. 中山大学学报论丛, 2001, 21 (1) : 26～27.

　　4 李玲.大学物理实验教学的目的、环节、要求及实验方法. 科学咨询(决策管理),2009,11:56

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