中学物理实验归类与设计，本文主要内容关键词为：物理实验论文,中学论文，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。
实验是物理教学的基础，是激发学生学习兴趣，创设学生有效掌握知识的学习环境，训练学习的科学方法，培养学生观察能力、分析能力和创造性思维能力，以及解决实际问题能力的重要手段和方法.故加强物理实验的研究，对于促进物理教学及其改革具有深远的意义.
1 中学物理实验，按其实验目的及内容可分为六类
1.1 练习使用基本实验仪器
中学常用的基本仪器大多属于测量仪器，要求了解仪器构造、工作原理，掌握正确操作方法、正确读数以及明确注意事项.这些仪器又可分为：
（1）测量长度的仪器有刻度尺、游标卡尺、千分尺.
（2）质量计量仪器有托盘天平、学生天平.
（3）时间计量仪器有秒表、打点计时器.
（4）温度计量器有液体温度计、金属温度计.
（5）气体压强计量器有曲管气压计、槽式气压计.
（6）电学仪器和电学计量仪器有滑动变阻器、电阻箱、电压表、电流表、多用表、示波器.
1.2 测量物理量的实验
要求明确被测物理量的含义；懂得测量原理；掌握实验方法（包括仪器选择、安装与调试、选择合理实验步骤、故障分析与排除）；处理数据，得出正确结果.如用单摆测当地重力加速度、测金属电阻率、玻璃折射率、电源电动势和内阻、凸透镜的焦距等.
1.3 验证性实验
此类实验目的是验证物理规律正确性，巩固和加深对物理规律的理解，要求明确所要验证的物理规律的内容和适用条件，明确实验目的、方法，注意分析误差，并采用措施尽量减小误差.如两个共点力的合成；验证机械能守恒定律；验证牛顿第二定律等.
1.4 探索性实验
此类实验在学习物理规律之前进行，通过观察、测量，对实验现象、数据进行分析、比较和总结，由此找出规律、形式概念.如由电磁感应现象导出楞次定律；由弹簧振子研究简谐振动的特点；分析直线运动的现象，得出匀速直线运动的特点等.
1.5 装搭性实验
此类实验要求明确实验原理和要求，主要训练动手操作能力，加深理解知识内容，并要求正确排除故障，有一定的技术性.如安装小型电动机、安装变压器模型、改装电流表为电压表或多用电表等.
1.6 模型式实验
有些知识点如不做实验学生接受起来有一定困难，但又不方便以实物演示，更适合于模型演示.如左、右手定则的讲授若配合模型演示，比实物演示更能让学生观察清楚，容易理解.
2 演示实验的设计思想
中学的教材总共有一百多个演示实验，但其中有的因效果不够明显或缺少器材很难成功，有的因“太理想”，不贴近现实生活，学生存在一种“陌生感”，接受起来效果不理想.笔者认为演示实验的设计应突出考虑以下四个方面.
2.1 实验原理应体现科学性、可行性和目的性
（1）科学性
实验原理的科学性主要指物理原理是否正确，演示实验的物理现象是否真实、确切地反映实验原理.原理的正确性要求不能弄虚作假，制造假象代替真实的物理现象欺骗学生是不允许的.如将一块窄长的薄木条放在桌面上，并向桌外伸出一小部分，在桌面的木条上盖一张报纸，把报纸摆开，然后用拳头猛击木条伸出端的部分，这时会发现，你并没有把报纸挑到空中，而是将木条的伸出部分折断了[1].这是一个很生动的实验，通常被用来说明大气压的存在.事实上木条的折断并非由于大气压压住了报纸的缘故，即使不盖报纸，只要打击迅速，木条也会折断.如果打击时很慢，报纸还是要被挑起的，木条也不会折断，故此实验现象说明大气压的存在是不科学的.
原理的科学性还要求原理无错误，但允许存在误差，应该区分错误和误差，物理实验的误差是客观存在的，是由于实验系统和条件的非理想化产生的.至于允许多大的误差，则是由实验方法、仪器、实验条件和教学要求决定.但不能为避免误差而拼凑数据，以假乱真，也不得把不成功的实验结果都归于误差而了结，要很好地分析误差产生的原因，设法减少误差.例如，演示变压器的输入、输出电压之比与原副线圈的匝数成正比的时候存在误差，此时应指出漏磁与电流的热效应是产生误差的主要原因，为了减少误差，采取硅钢片做铁芯，用电阻率更小的导线绕制线圈等等.
（2）可行性
主要指从仪器制作、器材选择、实验条件和操作等方面来看实验能否成功，实验能否应用于实际教学过程，达到某一教学目的.往往有这样情况，设计的实验方案是科学的、正确的，但在实验的实施过程中，常受到多方面因素的限制而无法成功.例如，演示静电实验一般比较困难，其原因是静电压高，使通常用的绝缘体在高压下成了导体，因静电量少，电荷很快会“漏掉”，特别是天气潮湿时更容易“漏掉”.所以可以做一个简易烘干箱，里面放一只“100W 220V”的灯泡，以烘干箱内的“湿气”.箱内再放一些静电器材，如玻璃棒、橡胶棒、毛皮、丝绸、验电器等，这样一个静电实验箱在任何恶劣天气下实验都能成功.
另外，有时其主要的实验原理学生不易理解，或要在以后一个阶段才能学到，不能强行插入演示，应进行适当调整，以便能充分发挥实验的应有作用.
（3）目的性
设计的实验应具有明确的意图及其针对性，具体地讲就是要求解决什么问题；得出什么结论；验证什么定理、定律、规律；建立什么概念.教材有些重要的规律、概念通过演示实验归纳得出，比教师单纯的讲解，学生更易接受.教材某些重点、难点学生存在疑虑，不做实验学生无法理解接受，这都需要及时设计、引入演示实验.
2.2 实验的构造应具有可见性、简洁性和美感性
（1）可见性
实验要尽可能增大可见度，一般地说，观察明显、清晰的现象比观察细微模糊的现象效果更佳，学生兴趣更浓.增加实验的可观性，应从这样几个方面考虑，变小为大、变弱为强、变快为慢、变淡为浓、变轻为重等.在国外的一些教材中发现，他们有的器材大的出奇，如演示液体表面张力的装置竟达1m宽；水波的干涉、磁感线等可用幻灯投射到屏幕进行放大；演示固体形变时将烧瓶里的水染为红色.还有一些实验现象，只发生在一瞬间，可借助录像、电脑慢放来解决，使实验更容易观察、区分和比较.
（2）简洁性
实验仪器构造应体现出简洁和实用.用结构复杂，操作繁琐的实验，容易分散学生的注意力.只要演示实验的科学性强，现象明显，越简单越好.例如，做电荷间的相互作用实验.取合适的塑料袋剪成两条，用手指夹着从上向下反复摩擦数次，使其带上静电，这时可见其末端张开.再用报纸代替塑料袋，重做，也有同样现象.但如果把一条塑料袋和一条报纸以一个不大的间隔平行悬挂，就会看到两条的末端会相互靠拢，通过这个既廉价又简洁的演示，给学生对正负电荷的性质认识留下深刻的印象.
（3）美感性
俗话说：“爱美之心人皆有之”，学生的学习兴趣，亦会在美的感受中油然而生.如平面镜成像显示物、像的对称美；天平、温度计、电流表等的刻度的匀称美及和谐美.实践证明，学生对精美别致的实验记忆特别牢固，理解更为深刻，兴趣也更为浓厚.而制作粗陋的，缺乏美感的实验会增加学生的视觉疲劳，是不会受学生欢迎的.
2.3 实验材料的选择要考虑方便性、多用性和耐用性
（1）方便性
实验器材的选择要从多方面考虑，首先要取材方便，经济实惠，或简单改制常用物品就完成的实验.这样即可以节省教师的时间和精力，又可方便发动全体学生共同参与实验，所以虽然实验简单，但效果却很好.例如，演示研究影响摩擦力的因素时，在书中夹带的长纸带竟然能吊起厚厚的课本.再将课本换成练习簿，学生原以为练习簿重量轻，应更易提起但实验失败.再将纸条换成不易被拉断的塑料条，实验又失败.这一组实验迷雾重重，在学生的预料之外，却在物理的理之中，这样的随手可得的实验材料，每位学生都可以做.
（2）多用性
指一物多用，利用现有的装置，进行尽可能多的实验，显示尽可能多的实验现象和实验原理.充分提高实验器材的利用效率，挖掘实验潜力，这是当前仪器普遍缺乏的情况下是一种有效且经济的办法.比如医用注射针筒结构简单，比较常见，可用作（a）压缩气体做功；（b）大气压的演示；（c）验证气体的三大定律；（d）浮力等于其排开水的重量；（e）液体内部压强与液体深度的关系演示；（f）液压机模型；（g）液压传动刹车模拟等等.
（3）耐用性
在课堂演示实验时，为了让学生观察清楚，有时需要多次重复演示，故要求设计实验材料的选择不能“一次性消费”，或者演示一次就出现毛病，要经久耐用，以保证课堂能正常进行.
2.4 实验现象应突出直观性、奇特性和趣味性
物理教学实践充分证明，学生在物理学习中不论是观察、记忆、思维，还是想象等心理活动，没有注意的参与是不行的.心理学研究表明，注意的指向性和集中性与刺激物的新异性有关，刻板的、千篇一律的习惯性刺激不易引起人们的注意[2].因此实验的设计除了考虑以上的两个方面外，还要突出实验的直观性、奇特性、趣味性.
（1）直观性
演示的实验首先应具有直观形象，可谓是“不看不知道，一看就明了”，让学生觉得“相见恨晚”.例如，为了演示金属电阻率随温度而变化，把“220V 40W”的废日光灯管敲断，取其中一端灯丝和“6V 6W”灯泡、演示电流表、开关串接在6V稳压电源上.首先闭合开关，灯泡正确发光，用尖嘴钳夹住日光灯丝另一端，用酒精灯给灯丝加热，灯泡亮度显著变暗，电流表读数变小，停止加热，把灯丝、尖嘴钳一起浸入凉水盆中，灯迅速变亮，电流表读数变大.学生亲眼看到金属电阻率随温度升高而增大，随温度降低而减小，印象深刻，这种直观的、形象的实验，学生一看就明白.
（2）奇特性
利用奇特的现象来渲染气氛.令人费解的实验，诱发学生好奇心理，使学生观察后迷雾重重，急欲知道谜底，以激发学生的求知欲，提高学生的观察能力和思维能力.如在“惯性”教学中，把一玻璃酒瓶放在桌上，瓶底压一张纸条，再慢慢拉动纸条，酒瓶随纸条向桌边缘慢慢移动，此时学生都以为再移动，酒瓶就会掉在地上了.大家全神贯注屏住呼吸，这时教师突然用力快速抽动纸条，学生异口同声发出尖叫声，当看到瓶子安然无恙[3]便急切想知道其中的奥秘时，教师因势利导指出物理的原理，起到水到渠成的作用.
（3）趣味性
以趣味横生，引人入胜的实验激起乐趣，实验的趣味性要求实验取材于生活，使学生有“亲近感”.如在“大气压”的教学中演示马德堡半球实验后，拿两个塑料衣钩模拟半球实验，由两位学生做对拉实验，体会大气压的大小.到讲清原理后，再由学生用吸管喝汽水，解释为什么能吸到汽水.这种现象、实验器材取材于日常生活，学生都喜闻乐见，但却不知其所以然，通过这些实验，使学生在好奇中感受物理知识的魅力，在轻松、具有乐趣的实验中获得知识真谛.