高中物理實驗基礎

張先德

實驗是物理學的基礎，物理實驗是高中物理教學中的重要內容，在教學中應重視學生對物理實驗的理解，重視學生實驗技能的提高，使學生正確使用物理實驗儀器和工具，獲得較準確地信息，并會處理數據、分析誤差、歸納結論，提高應試技巧.

現結合自己的教學總結如下.

1 物理實驗的目的與要求

1.1 實驗目的

（1）教會學生用實驗研究物理現象與規律，包括：A.正確選擇實驗方法與實驗器材；B.學會控制實驗條件；C.知道如何實驗、判斷結果的可靠程度.

（2）幫助學生理解和掌握有關課程內容和物理概念，以形成物理思想，培養解決物理問題的能力.

（3）通過實驗培養掌握基本物理量的測量方法，以培養實驗技能.

（4）培養學生嚴謹的實驗態度、科學的實驗方法及良好的實驗習慣.

1.2 做好實驗的基本要求

（1）實驗前必須做好如下準備：①明確實驗目的，弄懂實驗原理；②了解儀器性能，熟悉操作步驟；③設計記錄表格，掌握注意事項.

（2）實驗中必須手腦并用：①正確的調整和使用實驗儀器；②保證滿足實驗條件，注意規范實驗操作；③認真觀察實驗現象并記錄數據.

（3）實驗后必須對數據進行處理：①尊重實驗客觀事實，正確分析記錄數據；②合理做出實驗結論，獨立完成實驗報告.

2 實驗的七種主要思想

（1）控制變量法：在實驗中，常有多個因素在變化，造成規律不易表現出來，這時可以先控制一些物理量不變，依次研究某一個因素的影響和利用.如牛頓第二定律就是用這種方法研究的.

（2）等效替代法： 某些物理量不直觀或不易測量，可以用較直觀、較易測量而且又有等效效果的量代替，從而簡化問題.如在描繪電場中的等勢線時，用電流場來模擬靜電場等都用了等效思想.

（3）累積法： 把某些難以用常規儀器直接準確測量的物理量用累積的方法，將小量變大量，不僅可以便于測量，而且還可以提高測量的準確程度，減小誤差.如分析打點計時器打出的紙帶時，可隔幾個點找出計數點分析；測量單擺的周期時，可測30-50個全振動的時間.

（4）留跡法： 有些物理過程是瞬息即逝的，我們需要將其記錄下來研究，如同攝像機一樣拍攝下來分析.如用沙擺描繪單擺的振動曲線；用打點計時器記錄物體位置；用頻閃照相機拍攝平拋的小球位置等.

（5）外推法： 有些物理量可以局部觀察或測量，作為它的極端情況，不易直接觀測，如果把這局部觀察測量得到的規律外推到極端，可以達到目的.例如在測電源電動勢和內電阻的實驗中，無法直接測量I=0（斷路）時的路端電壓（電動勢）和短路（U=0）時的電流，通過一系列U、I對應值點畫出直線并向兩方延伸，交U軸點為電動勢，交I軸點為短路電流.

（6）近似法： 在復雜的物理現象和物體運動中，影響物理量的因素較多，有時為了突出主要矛盾，可以有意識的設計實驗條件、忽略次要因素的影響，用近似量當成真實量進行測量.

（7）放大法 ：對于物理實驗中微小量或小變化的觀察，可采用放大的方法.例如游標卡尺、放大鏡、顯微鏡等儀器都是按放大原理制成的.

3 基本測量和讀數規則

3.1 基本測量

（1）長度的測量： 儀器有刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器.

（2）時間的測量： 儀器主要是打點計時器和停表.

（3）質量的測量： 儀器是天平.

（4）電路的測量：電流、電阻、電壓等是直流電路中重要的物理量，也是考查幾率很高的內容，要學會這些表的連接、量程的選擇、讀數及構造原理.

（5）其它物理量的測量 ：溫度、體積等的測量，都以長度測量為基礎.

3.2 測量儀器的讀數規則

在直接測量中讀出的測量值的有效數字的最后一位要與讀數誤差所在的一位取齊，因而測量儀器讀數規則為：測量誤差出現在哪一位，讀數就應相應讀到哪一位.在中學階段一般可根據測量儀器的最小分度來確定讀數誤差出現的位置.對于常用的儀器可按下述方法讀數：

（1）最小分度是“1”的儀器，測量誤差出現在下一位，下一位按十分之一估讀.如最小刻度是1 mm的刻度尺，測量誤差出現在毫米的十分位上，估讀到十分之幾毫米.

（2）最小分度是“2”或“5”的儀器，測量誤差出現在同一位上，同一位分別按二分之一或五分之一估讀.如學生用的電流表0.6 A量程，最小分度為0.02 A，誤差出現在安培的百分位，只讀到安培的百分位，估讀半小格，不足半小格的舍去，超過半小格的估讀，以安培為單位讀數時，百分位上的數字可能為0、1、2、…、9；學生用的電壓表為15 V量程，最小分度為0.5 V，測量誤差出現在伏特的十分位上，只估讀到伏特的十分位，估讀五分之幾小格，以伏特為單位讀數時，十分位上的數字可能為0、1、2、…、9.

（3）下列儀器在最小分度間不進行估讀：游標卡尺只要求讀數是游標最小分度值的整數倍；液體溫度計讀數為1℃的整數倍即可；體溫計讀數應是0.1 ℃的整數倍；機械秒表和指針式電子秒表在最小分度間不進行估讀；歐姆表一般不要求估讀，指針靠近哪條刻線，就讀哪條刻線的數值.

4 有效數字和數據處理

4.1 有效數字

帶有一位不可靠數字的近似數據叫有效數據，有效數字的最后一位是測量者估讀出來的，因此這一位數字是不可靠的，也是誤差所在位.

計算中遵守有效數字規則：

（1）不可靠數字與別的數相加減、相乘除，所得的結果也是不可靠的.

（2）計算結果只能保留一位不可靠數字，但在計算過程中，可以保留兩位不可靠數字，最后再四舍五入.

（3）物體的個數、實驗的次數是準確數，它們與近似數相乘除時，有效數字的位數應等于原來近似數的有效數字位數.

有效數字的位數是從左起第一位非零數字算起到最后一位數字（含零）的總位數，其最后一位即不可靠數字，是估讀得到的.

4.2 實驗數據常用的處理方法

4.2.1 直接比較法

中學物理的某些實驗，只需通過定性的確定物理量間的關系，或將實驗結果與標準值相比較，就可得出實驗結論的，則可應用直接比較法.如探究“力的平行四邊形定則”實驗中，可直接比較實驗中的測量值與理論值，比較兩矢量的大小和方向，達到實驗目的.

4.2.2 描跡法

描跡可形象直觀地直接反映實驗結果.如在“研究平拋物體的運動”實驗中，用描跡法直接描繪小球的運動軌跡.應用描跡法時應注意：

（1）所描出的曲線或直線應是平滑的，不應有突然的轉折.

（2）個別點若偏離所描出的曲線太遠，可認為是某種偶然因素所致，一般可將這樣的點舍去.

（3）為能較為準確地描述所記錄的曲線，實驗所記錄的點的總數不能太少，且應在所描范圍內大致均勻分布.

4.2.3 平均法

取算術平均值是減小偶然誤差常用的數據處理方法，把待測物理量的若干次測量結果值相加后除以測量次數.平均法的基本原理是：在多次測量中，由偶然誤差引起的正、負偏差出現的機會相等.故將多次的測量值相加時，所有偏差的代數和為零.在求平均值時應注意在什么情況下求平均值.

4.2.4 列表法

把被測物理量分類列表表示出來，需說明記錄表的要求，主要內容.列表法有制表方便，形式緊湊，數據易于比較等優點.列表法還常常是圖表法的基礎.列表法應注意：（1）項目應包括名稱及單位；（2）實驗測得的數據應按測量結果，取恰當的有效數字填入；（3）自變量應按逐漸增加或減小的順序排列.

4.2.5 圖象法

建立合理的坐標系，將實驗數據作為坐標點在坐標系中表示出來，尋找坐標點之間的規律，作圖處理數據的優點是直觀、明顯.由圖象的斜率、截距、包圍的面積、外推可以研究物理量之間的規律.

作圖象時應注意以下幾個方面：

（1）坐標軸代表的物理量要合理，這樣便于找出規律，一般多選用直線作圖線，因為直線明了直觀，而曲線的規律不易判定.在中學物理實驗中，常取x或 1/x 為自變量，以便使做出的函數圖象為直線，從而可直觀的得出變量間的函數關系.在“測電池電動勢和內阻”的實驗中，以I為自變量作U-I圖象；當函數與自變量x成反比例時，常以 1/x 為自變量.

（2）坐標建立要規范，坐標軸上要標明物理量，對應單位，注意正確選取橫軸和縱軸的標度，橫坐標和縱坐標的比例以及坐標起點，使所做出的圖象大致布滿整個圖紙.如在“測電池電動勢和內阻”的實驗中，縱坐標U的起點可以不為零.

（3）選點要恰當，作圖要規范，直線至少取5點，曲線10～15點，且在曲線彎曲處取點密集一些；對直線作圖，應使直線通過盡可能多的點，不通過的點應均勻分布在直線兩側；對曲線作圖要平滑，不能做成折線，對于有些特異性的點可以分析取舍.

（4）根據圖象分析圖線的斜率、截距等物理意義，計算斜率時應選取直線上相距較遠的兩點，而不一定要選取原來的數據點，這樣便于取得更精確的平均值.

5 實驗誤差及其處理

5.1 誤差是測量值與真實值之間的差異

誤差不是錯誤，測量時誤差是不可避免的.

真實值：是指被測物理量在規定的時間和空間內的客觀大小，即物理量的真實值.實驗中真實值是得不到的，通常用多次測量的算術平均值來代替真實值，且測量次數越多，平均值就越接近真實值.

測量值：由測量儀器直接讀出的物理量的數值或將測量數據直接代入公式計算出來的物理量的數值.

5.2 從誤差來源看，誤差可分為系統誤差和偶然誤差

（1）系統誤差主要是由于實驗原理不夠完善、實驗儀器精度不夠、實驗方法粗略而產生的.基本特點：實驗結果對真實值的偏差總是具有相同的傾向性，即總是偏小或偏大.減小方法：改善實驗原理，提高實驗儀器的測量精度，設計更精巧的實驗方法.

（2）偶然誤差是由于各種偶然因素對實驗者和實驗儀器的影響而產生的，如測量環境不穩定、實驗者的經驗不足.特點：總是有時偏大，有時偏小，且偏大和偏小的機會相等.減小方法：多次實驗取平均值.

5.3 從數據分析看，誤差分為絕對誤差和相對誤差

（1）絕對誤差是測量值與真實值之差.在直接用儀器測量某一物理量時，提高測量儀器的精度是減小絕對誤差的重要方法；

（2）相對誤差誤差等于絕對誤差與真實值之比，常用百分比表示，反映了實驗結果的精確程度.在難以減小絕對誤差時，增大真實值是減小相對誤差的簡易而有效的方法.

5.4 減小誤差的方法

（1）校準測量儀器.如電流表、電壓表，使用前應先進行調零校準；

（2）恰當選擇儀器的量程和精確度；

（3）完善實驗原理；

（4）進行多次重復實驗，求其平均值；

（5）以圖象法代替公式法處理實驗數據.

（6）改進實驗方法.