觀察與實驗法書籍

本文格式為Word版，下載可任意編輯——觀察與實驗法書籍查看測驗

物理學是一門以測驗為根基的學科.查看和測驗是獲得感性材料、探索物理規(guī)律、熟悉物理世界的根本手段，也是檢驗物理理論真理性的唯一標準.■一、查看查看，主要是指人們對于物理現(xiàn)象在自然發(fā)生的條件下或者在有目的的測驗條件下舉行考察分析的一種方法.人類科學進展史上，有大量通過查看獲得重大察覺的告成實例：伽利略因查看教堂里的掛燈隨風搖擺的等時性而研發(fā)了鐘擺；牛頓因查看自由落體而察覺了萬有引力.查看是人類熟悉自然的最根本的方法，是獲得感知、為建立科學理論供給原始資料的重要途徑和手段.

■1.查看的類型

（1）根據(jù)查看的手段和方法不同，可分為直接查看和間接查看.

直接查看：感官直接作用于查看對象，有直觀、生動的特點.優(yōu)點：運用便當、干擾最小，比使用儀器更具有直接的現(xiàn)實性.缺點：對于高難度的研究對象，在確定條件下要受到感官才能的限制.如人的耳朵只能聽到頻率在20~20000Hz范圍內(nèi)的聲波，對次聲波、超聲波是聽不到的.

間接查看:是人們借助于儀器或其它技術手段間接地從外部獲取感性材料的一種方法.優(yōu)點：擴大了感知的范圍和種類，提高了查看的精確度和回響才能，使人們對于自然界的熟悉才能得到了很大的提高.缺點：由于儀器本身的繁雜性和干擾性，易帶來一些熟悉上的錯覺和誤會.

（2）根據(jù)查看的性質和內(nèi)容，又可分為質的查看和量的查看.

質的查看，是考察事物具有或不具有某種屬性和特征以及它與其它事物是否具有何種性質聯(lián)系的一種查看方法.

量的查看，是對研究對象的某些性質和特征舉行數(shù)量描述和測定的一種查看方法，其目的在于深刻地、精確地把握事物質的特征及其數(shù)量的關系.

■2.查看的根本原那么

（1）客觀性原那么要求查看者務必客觀地、實事求是地反映所查看到的事實，既不能肆意增減查看到的事實，又不能臆造一些不存在的事實.

（2）全面性原那么在查看研究對象時，從空間上講，要查看事物的各個方面、各個片面、各個層次；從時間上講，要查看事物進展變化的各個階段以及它的全過程；同時，要查看事物內(nèi)部各要素之間以及該事物與外界其它事物的聯(lián)系.

（3）典型性原那么在選擇查看對象時要留神選擇那些能夠集中反映一類事物的共性，其自然現(xiàn)象表現(xiàn)的過程較純粹、最少干擾、最易于查看的事物作為查看對象.

（4）辯證性原那么查看不僅要看到事物的存在，同時也要看到事物的變化，力戒孤立、靜止、凝固不變的形而上學觀點.查看的辯證性還要求留神查看的時間、地點、條件和范圍，不能把在特定條件下查看的結果肆意延遲，應合理處理典型性與隨機性、特殊性與普遍性的辯證關系.

■3.查看的作用

（1）查看是收集科學事實，形成科學熟悉的根基.物理學原理往往可以從客觀實踐中總結、概括、抽象而得到，這些都要通過查看來舉行.

（2）查看是檢驗假說和理論的重要標準之一.哥白尼“日心說”、牛頓萬有引力定律，海王星的察覺都是通過查看后獲得的.

■4.查看的程序

查看是收集第一手材料的最根本、最常用的方法.在科學研究上，第一手原始材料具有極其重要的價值，它是一切科學研究的起點，科研往往從問題開頭，進而舉行查看、調查和測驗，從這個意義上講，科學源于問題.

然而，由于人們的一切熟悉，包括產(chǎn)生的一切問題，歸根畢竟發(fā)源于查看所得到的事實，從這個意義上講，科學始于查看.

科學查看的一般過程可分為打定、實施查看、整理資料三個階段，概括步驟包括：明確查看目的，制訂查看籌劃，做好物質打定，舉行實際查看，整理查看資料.

科學家法拉第曾說過：“沒有查看就沒有科學，科學察覺誕生于留心的查看之中.”

■二、測驗

為了能夠留心查看研究某一現(xiàn)象或過程發(fā)生的理由、特點、量的抉擇因素和規(guī)律，盡可能擯棄外界各種干擾的影響，突出主要因素，在確定條件下使這一現(xiàn)象或過程重演，這就是科學測驗的方法.

測驗是根據(jù)確定的研究目的，運用確定的物質手段，人為地變革、操縱或模擬客觀對象或過程，在有利的條件下研究物理規(guī)律的方法.測驗與查看都是科學熟悉的根本方法，但測驗方法比單純查看方法有明顯的優(yōu)點，它抑制了單純查看的局限性.測驗方法源于查看，又高于查看.

■1.測驗思想

測驗在物理學中不僅是一種方法，而且是一種思想.測驗中的物理思想超越各個概括的物理測驗，是對物理測驗問題的深層次斟酌及概括.測驗思想既表達于構成測驗的諸要素（如原理、方法、條件、數(shù)據(jù)等）之中，又表達在對各個要素舉行選擇、運用、處理和分析之中.概括表達在：

（1）測驗設計與制作任何一個測驗，都是在確定的理論或原理指導下設計的，這些理論或原理的本身就表達了測驗的思想.每個測驗都包含著科學家熟悉物理世界的本來方式和測驗裝置的精良構思，這是測驗的精華.

（2）測驗方法測驗方法是指在各種物理測驗中使用的處理和解決問題的方法.在中學物理的各種測驗方法中，表達出了物理思想，如：伽利略的自由落體測驗中，有“加速度的建立”、“大膽的揣摩”、“沖淡重力”、“合理外推”等.

（3）測驗條件的操縱和測驗操作在測驗中調整和使用儀器裝置要有目的、有步驟、有要求，操作須模范，動作要領會領略、明凈利索，如砝碼不能用手拿，用溫度計時手不能握住玻璃泡等.在測驗操作中，務必操縱好測驗條件，如平拋運動測驗中，要求調理軌道出口水平，每次從同一高度釋放小球等.

（4）測驗數(shù)據(jù)處理和分析設計數(shù)據(jù)表格，正確記錄及處理測驗數(shù)據(jù)，給出測量對結論的判定性及結果的切實性的分析，在這些過程中表達的物理思想是：在操作測量的根基上，運用圖象處理數(shù)據(jù)，分析現(xiàn)象，得到結論，盡可能裁減數(shù)據(jù)處理的主要誤差.

■2.測驗方法

大量物理測驗具有極其豐富和精彩的物理思想，透露了解決問題的途徑和方法，這些思想指導下的概括方法已經(jīng)超越了概括的測驗而是有普遍的指導意義.

（1）測驗設計方法

①放大法為了測量、查看細小的物體，人們產(chǎn)生了放大的動機，在這個動機促使下，人們設計、制造了一系列精良的物理儀器或裝置.溫度計內(nèi)徑做得很細，以便查看的現(xiàn)象明顯，能表達出溫度的細小區(qū)別；螺旋測微器那么通過螺紋將縱向的微小變化放大成圓周方向上的較大變化；卡文迪許測驗裝置高明地利用了二次放大，測出了萬有引力常量.

②操縱變量法在研究一個量與多個變量之間的關系時，有意操縱其中一些變量不變，研究其中一個變量與因素的關系.例如在研究影響加速度大小的因素時，加速度與外力、物體的質量有關，假設我們研究加速度與外力的關系，就保持物體的質量不變.

③轉化法把不成測的量轉化為可測的量，把測不準的量轉化為測得準的量.例如彈簧測力計把力的大小轉化為彈簧的形變量讀出.

④累積法把某些物理量（有時這些量是難以直接測量的微小量）累積后測量.如要測量導線的直徑，可以把導線密繞在鉛筆上20圈，測量出寬度，再求平均值.

⑤留跡示蹤法把研究對象在運動變化過程中的徑跡用確定的手段記錄下來，能形象、直觀、實時地顯示出物理過程.如通過紙帶上打出的點記錄小車的位移和時間，用描跡法畫出平拋物體的運動軌跡.

⑥對比法天平是測量質量的儀器，測量質量的過程實際上是把未知的質量與標準質量舉行對比的過程.

（2）測驗數(shù)據(jù)處理方法

①直接尋求兩個物理量之間的關系

根據(jù)測驗的數(shù)據(jù)予以直接闡述.如伽利略斜面測驗，當小球從靜止開頭沿斜面滾下時，每隔確定時間間隔所通過的位移之比為12∶22∶32……，從而得到位移與時間平方成正比的結果.

②逐差法將測驗數(shù)據(jù)按前后依次每隔確定項數(shù)舉行分組，然后對應項相減.例如在測定勻變速直線運動的加速度這個測驗中，測得連續(xù)相等時間Ｔ內(nèi)的位移分別s1、s2、s3……s6.得加速度a=■，由于充分利用了數(shù)據(jù)，可以減小偶然誤差.

③圖象法把數(shù)據(jù)之間的關系直觀地顯示出來，這是最常用的方法之一.圖象法具有以下優(yōu)點：可以去掉測量誤差較大的數(shù)據(jù)；有屢屢測量取平均值的作用；能簡便地從圖中求出測驗需要的某些結果；可直接讀出在測驗條件內(nèi)沒有觀測到的某些值，或把圖線延遲得到測量范圍以外的數(shù)據(jù)；通過坐標變換將較繁雜的函數(shù)關系用直線表示出來.

■3.測驗程序

（1）測驗設計周密的測驗設計應包括確立舉行測驗的理論根基，以便在測驗中不斷得到正確指導；也包括對測驗儀器效用的了解，以便在測驗后能正確地分析其結果，還包括對各種可能展現(xiàn)的偶然處境的估計，以便在隨機處境展現(xiàn)時能實時加以擯棄.

在探究加速度與力和質量的關系測驗中，放在木板上的物體斷定要受到木板的摩擦力，給測驗的設計帶來了新的斟酌：摩擦力無法抑制，能否盡量減小摩擦力的影響？自然界摩擦力最小的環(huán)境是空氣中，若能將物體懸浮在空氣中，就能使摩擦力減小到對比夢想的狀態(tài)（近似為零），于是氣墊導軌裝置就展現(xiàn)了.但其由于經(jīng)濟等理由不具有普遍性，于是人們又在探尋更簡樸的手段，平衡摩擦力的思想又展現(xiàn)了，就有了在木板的一端墊高，讓重力沿斜面的分力來平衡摩擦力的手段.

（2）測驗實施即操作流程，它是測驗能否正確完成的模范.只有照此辦理，才能抑制、制止我們測驗操作中的肆意和失誤，以高效、干脆的操作工藝求得科學的真實和規(guī)律的來源.測驗程序的實現(xiàn)過程便是科學思想的成熟過程，熟悉和靈感的深化和升華過程.

（3）測驗數(shù)據(jù)的處理和分析對通過自己親自測驗獲得的測驗數(shù)據(jù)，做出科學的分析和歸納，得到測驗的結論.結果分析是根據(jù)已有理論或提出新假說對測驗結果舉行合理說明的問題.

■4.測驗的作用

測驗可以簡化和純化研究對象，即根據(jù)研究的目的選出和突出主要因素，舍棄和擯棄次要、偶然因素，使需要的屬性或關系在簡化、純粹的形態(tài)下暴露出來，以形成切實熟悉.

測驗可以強化和激化研究對象，即根據(jù)研究的需要可以人為地創(chuàng)造特殊條件，變更事物存在的狀態(tài)，甚至將其推向極端狀態(tài)，以便顯示其規(guī)律.

測驗可以再現(xiàn)和重演自然過程，即通過人為的操縱，對于曇花一現(xiàn)、時過境遷、規(guī)模大、周期長的事物和現(xiàn)象，使其再現(xiàn)、重演，縮小其規(guī)模，減短其周期，以達省時省力、經(jīng)濟快速地熟悉的目的.

■5.測驗類型例析

（1）探究性測驗：這類測驗旨在通過測驗探索某種物理規(guī)律、研究某個物理問題.這類測驗安置在有關學識的教學之前舉行，或可作為教學同時舉行測驗.其目的是讓學生通過測驗查看，對尚未學過的學識有一感性熟悉，并可歸納得出初步結論，為進一步學習有關規(guī)律打下根基.

■例1某同學用如圖1所示裝置做探究彈力和彈簧伸長關系的測驗.他先測出不掛砝碼時彈簧下端指針所指的標尺刻度，然后在彈簧下端掛上砝碼，并逐個增加砝碼，測出指針所指的標尺刻度，所得數(shù)據(jù)列表如下：（重力加速度g＝9.8m/s2）

（1）根據(jù)所測數(shù)據(jù)，在坐標紙上作出彈簧指針所指的標尺刻度x與砝碼質量m的關系曲線.

（2）根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)和關系曲線可以判斷，在_____N范圍內(nèi)彈力大小與彈簧伸長關系得志胡克定律.這種規(guī)格彈簧的勁度系數(shù)_____N/m.

■解析（1）標尺刻度x與砝碼質量m的關系曲線見圖2.

（2）根據(jù)曲線可以判斷，在0～5.0N范圍內(nèi)彈力大小與彈簧伸長關系得志胡克定律；彈簧的勁度系數(shù)為25.0N/m

（2）驗證性測驗：這類測驗要求用測驗的方法來驗證科學家已歸納、總結和已證明的結論，通過測驗過程的再現(xiàn)，加深對規(guī)律適用條件和結論的理解.這類測驗安置在學習過有關學識之后舉行，要求學生定量分析測驗數(shù)據(jù)，從中得出結論，并與所驗證的定律作對比，以達成驗證目的.假設測驗結論與物理定律有偏離，還應分析產(chǎn)生誤差的主要理由.

■例2在驗證機械能守恒定律的測驗中，已知打點計時器所用電源的頻率為50Hz，查得當?shù)氐闹亓铀俣萭=9.80m/s2，測得所用重物的質量為1.00kg.測驗中得到一條點跡明顯的紙帶如圖3所示，把第一個點記做O，另選連續(xù)的4個點A、B、C、D作為測量的點.經(jīng)測量知道A、B、C、D各點到O點的距離分別為62.99cm、70.18cm、77.76cm、85.73cm.根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可知重物由O點運動到C點，重力勢能的裁減量等于_____J，動能的增加量等于______J.（取3位有效數(shù)字）.

■解析重力勢能的裁減量等于重力做的功W＝mgh=mg?OC=1×9.8×77.76×10-2J＝7.62J.

動能的增加量等于mv2C/2，vC為BD段的中間時刻的瞬時速度，等于BD段的平均速度.

即vC=（85.73-70.18）/0.02×2=388.8cm/s，

∴ΔEk=0.5×1×v2C=7.56J.

（3）根本技能性測驗：熟諳某些根本測量儀器的操作與使用的測驗.這類測驗的目的是訓練測驗操作技能，能正確操作和使用.例如游標卡尺、螺旋測微器、打點計時器、天平、測力計等的使用.

■例3圖4為彈簧秤測力的示意圖，該彈簧秤的量程為_______N，測量值應為_______N.

■答案50；27.

（4）測量性測驗：這類測驗以某一原理或物理規(guī)律（公式）為依據(jù)，通過測量相關的物理量，從而實現(xiàn)測定某個（或某些）物理量或物理常數(shù)為測驗目的.這類測驗的目的是讓學生運用已掌管的學識和熟諳的器材，測定某些物理常數(shù)和物理量，要求學生理解測驗所依據(jù)的原理，明切實驗的條件、步驟和過程.

■例4一個有確定厚度的圓盤，可以繞通過中心垂直于盤面的水平軸轉動.用下面的方法測量它勻速轉動時的角速度.

測驗器材：電磁打點計時器，米尺，紙帶，復寫紙片.

測驗步驟：

（1）如圖5所示，將電磁打點計時器固定在桌面上，將紙帶的一端穿過打點計時器的限位孔后，固定在待測圓盤的側面上，使得圓盤轉動時，紙帶可以卷在圓盤側面.

（2）啟動操縱裝置使圓盤轉動，同時接通電源，打點計時器開頭打點.

（3）經(jīng)過一段時間中斷轉動和打點，取下紙帶，舉行測量.

①由已知量和測量量表示的角速度的表達式為ω=________，式中各量的意義是：__________________________________.

②某次測驗測得圓盤半徑r=5.50×10-2m，得到的紙帶的一段如圖6所示，求得角速度為_____.

■解析①v=（