物理实验设计思想方法的研究，本文主要内容关键词为：设计思想论文,物理实验论文,方法论文，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。
实验是物理学的重要研究手段。在中学物理教学中，我们不仅应该通过实验培养学生的动手能力，而且应该使学生学会一些实验设计的思想方法。作为教师，首先应该加强这方面的研究。本文结合物理实验，谈谈如何利用穆勒五法（J.S.Mill，1806～1873，英国著名的逻辑学家、哲学家，他总结了判断因果关系的五种归纳方法）中的“契合法”、“差异法”、“共变法”。
一、“契合法”
如果我们做了若干次实验，出现了某种共同的物理现象。而在所研究的这几次实验中，只有一种因素是共同的，其余因素均不相同。那么，这个共同的因素与所研究的物理现象之间存在因果关系。若以A、B、C、D、E、F、G分别表示不同的因素，a是我们所要研究的现象，“契合法”可以用下面表1表示。
从表1可以看出，A与a有因果关系。
例如，我们可以通过实验来研究单摆在地球上同一地点的周期由什么来决定。用若干质量不同的摆球做成摆长不尽相同的单摆，让它们以不同的摆角摆动起来（摆角小于5°），我们发现，无论摆球质量、 摆角大小如何不同，只要摆长相同，摆动的周期一定相同。根据“契合法”，单摆的摆长与单摆在该地的周期具有因果关系。
在研究平衡的种类问题时，我们可以做如图1、图2所示的两个小实验。
图1、图2所示为小球的一种平衡状态。若对小球施加某种微小扰动，使其离开平衡位置，则在重力的作用下，小球会自动回到平衡位置。此类平衡称做稳定平衡。然后我们仔细寻找这两个实验的共同之处——物体重心处于最低位置（即重力势能处于极小值）是稳定平衡的条件。显然，这里是运用契合法确定了正确的因果关系。
二、“差异法”
如果所研究的现象出现的场合与不出现的场合之间只有一个因素不同，即在一个场合中有某种因素的作用，而在另一个场合中没有这种因素的作用，那么，这个因素与所研究的现象之间存在因果关系。差异法可用下面表2表示。
表2说明因素A与现象a之间存在因果关系。
例如，当我们研究沸腾现象产生的机理时，在大烧杯中放一盛水的小试管，用酒精灯加热大烧杯，用两支温度计分别测量大烧杯中水的温度和小试管中水的温度，如图3所示。 在实验中可以观察到烧杯和试管中水的温度都会上升到100℃， 但烧杯中的水会发生沸腾现象而试管中的水不会发生沸腾现象。用差异法分析。大烧杯中的水和试管中的水温度都达到100℃， 各方面的条件都相同，唯一不同的是，大烧杯中的水可以从热源中继续吸热，而试管中的水则不能（试管内、外水温相同，不能发生热传导，因为温度差是热传导的前提）。显然，能否继续吸热是沸腾与不沸腾的原因。这个实验生动地说明了汽化热的道理。
如图4所示，两把外观完全相同的盛满水的茶壶A、B，倾斜后， 茶壶A能倒出水来，茶壶B却倒不出，为什么？原来A壶盖上有一小孔， 茶壶B则没有。根据差异法可知，未开孔是倒不出水的原因。 作进一步分析，还可以巩固大气压的知识。
如图5所示，取两个外观相同的长圆柱形硬纸筒。 其截面圆半径均为R，在其里面分别放两个半径均为r的钢球，r小于R，但r大于R/2， 用手扶住两纸筒。使其直立，将手撤去后，A筒翻倒，而B筒却不翻倒。反复几次后，现象均相同，这是什么原因呢？根据差异法，A、B的差异是翻倒与不翻倒的原因。观察后发现A筒无底，B筒有底。显然，无底是翻倒的原因。根据理论计算可知，A筒在无底时， 筒壁会受一对力偶的作用，其力偶矩大小为2G（R－r），因此会翻倒；而B 筒在有底的情况下，筒底会受到另一大小相同、方向相反的力偶矩的作用，因此B 筒是静止的而不会翻倒。这个实验生动地证明了物体的平衡条件（推导过程略）。
三、“共变法”
当某一现象（因素）发生一定程度的变化时，另一现象也随之发生一定程度的变化，那么，这两个现象之间就存在因果关系。
设A[,1]、A[,2]、A[,3]……是现象（因素）A的不同状态；a[,1] 、a[,2]、a[,3]……是另一现象a的不同状态。共变法可以用表3表示如下。
从表3中不难看出现象（或因素）A与现象a有因果关系。
应用共变法时，只能有一个现象变化而另一现象随之变化，其它条件（因素）应保持不变（这也叫做单因素分析法）。如果其它条件也在变化，应用共变法时往往会得出错误的结论。例如，对一定质量的理想气体，在提高温度的同时，增大压强，结果体积缩小。如果我们忽略增大压强的因素，而认为温度升高是体积缩小的原因，这就误用了共变法。
因此，在研究一定质量的理想气体三个状态量之间的关系时，我们往往控制一个量不变，去研究另外两个量变化间的因果关系。如保持温度T不变，体积V随压强p的增大而减小（玻意耳定律）。倘若m、T 也发生变化，则无法正确地得出p与V之间的因果关系。为此，实验要采取一定的措施，如实验中用橡皮帽封住注射器的小孔，用润滑油涂抹在活塞与注射器内壁之间以保证气体质量不变；不得用手握住注射器，缓慢拉动活塞以保证气体温度保持不变等。
以上仅介绍了三种判断因果关系的归纳法在实验设计中的应用。笔者认为，关于实验设计思想，还有丰富的内容值得研究，希望引起同行的重视。