高中物理实验基础

张先德

实验是物理学的基础，物理实验是高中物理教学中的重要内容，在教学中应重视学生对物理实验的理解，重视学生实验技能的提高，使学生正确使用物理实验仪器和工具，获得较准确地信息，并会处理数据、分析误差、归纳结论，提高应试技巧.

现结合自己的教学总结如下.

1 物理实验的目的与要求

1.1 实验目的

（1）教会学生用实验研究物理现象与规律，包括：A.正确选择实验方法与实验器材；B.学会控制实验条件；C.知道如何实验、判断结果的可靠程度.

（2）帮助学生理解和掌握有关课程内容和物理概念，以形成物理思想，培养解决物理问题的能力.

（3）通过实验培养掌握基本物理量的测量方法，以培养实验技能.

（4）培养学生严谨的实验态度、科学的实验方法及良好的实验习惯.

1.2 做好实验的基本要求

（1）实验前必须做好如下准备：①明确实验目的，弄懂实验原理；②了解仪器性能，熟悉操作步骤；③设计记录表格，掌握注意事项.

（2）实验中必须手脑并用：①正确的调整和使用实验仪器；②保证满足实验条件，注意规范实验操作；③认真观察实验现象并记录数据.

（3）实验后必须对数据进行处理：①尊重实验客观事实，正确分析记录数据；②合理做出实验结论，独立完成实验报告.

2 实验的七种主要思想

（1）控制变量法：在实验中，常有多个因素在变化，造成规律不易表现出来，这时可以先控制一些物理量不变，依次研究某一个因素的影响和利用.如牛顿第二定律就是用这种方法研究的.

（2）等效替代法： 某些物理量不直观或不易测量，可以用较直观、较易测量而且又有等效效果的量代替，从而简化问题.如在描绘电场中的等势线时，用电流场来模拟静电场等都用了等效思想.

（3）累积法： 把某些难以用常规仪器直接准确测量的物理量用累积的方法，将小量变大量，不仅可以便于测量，而且还可以提高测量的准确程度，减小误差.如分析打点计时器打出的纸带时，可隔几个点找出计数点分析；测量单摆的周期时，可测30-50个全振动的时间.

（4）留迹法： 有些物理过程是瞬息即逝的，我们需要将其记录下来研究，如同摄像机一样拍摄下来分析.如用沙摆描绘单摆的振动曲线；用打点计时器记录物体位置；用频闪照相机拍摄平抛的小球位置等.

（5）外推法： 有些物理量可以局部观察或测量，作为它的极端情况，不易直接观测，如果把这局部观察测量得到的规律外推到极端，可以达到目的.例如在测电源电动势和内电阻的实验中，无法直接测量I=0（断路）时的路端电压（电动势）和短路（U=0）时的电流，通过一系列U、I对应值点画出直线并向两方延伸，交U轴点为电动势，交I轴点为短路电流.

（6）近似法： 在复杂的物理现象和物体运动中，影响物理量的因素较多，有时为了突出主要矛盾，可以有意识的设计实验条件、忽略次要因素的影响，用近似量当成真实量进行测量.

（7）放大法 ：对于物理实验中微小量或小变化的观察，可采用放大的方法.例如游标卡尺、放大镜、显微镜等仪器都是按放大原理制成的.

3 基本测量和读数规则

3.1 基本测量

（1）长度的测量： 仪器有刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器.

（2）时间的测量： 仪器主要是打点计时器和停表.

（3）质量的测量： 仪器是天平.

（4）电路的测量：电流、电阻、电压等是直流电路中重要的物理量，也是考查几率很高的内容，要学会这些表的连接、量程的选择、读数及构造原理.

（5）其它物理量的测量 ：温度、体积等的测量，都以长度测量为基础.

3.2 测量仪器的读数规则

在直接测量中读出的测量值的有效数字的最后一位要与读数误差所在的一位取齐，因而测量仪器读数规则为：测量误差出现在哪一位，读数就应相应读到哪一位.在中学阶段一般可根据测量仪器的最小分度来确定读数误差出现的位置.对于常用的仪器可按下述方法读数：

（1）最小分度是“1”的仪器，测量误差出现在下一位，下一位按十分之一估读.如最小刻度是1 mm的刻度尺，测量误差出现在毫米的十分位上，估读到十分之几毫米.

（2）最小分度是“2”或“5”的仪器，测量误差出现在同一位上，同一位分别按二分之一或五分之一估读.如学生用的电流表0.6 A量程，最小分度为0.02 A，误差出现在安培的百分位，只读到安培的百分位，估读半小格，不足半小格的舍去，超过半小格的估读，以安培为单位读数时，百分位上的数字可能为0、1、2、…、9；学生用的电压表为15 V量程，最小分度为0.5 V，测量误差出现在伏特的十分位上，只估读到伏特的十分位，估读五分之几小格，以伏特为单位读数时，十分位上的数字可能为0、1、2、…、9.

（3）下列仪器在最小分度间不进行估读：游标卡尺只要求读数是游标最小分度值的整数倍；液体温度计读数为1℃的整数倍即可；体温计读数应是0.1 ℃的整数倍；机械秒表和指针式电子秒表在最小分度间不进行估读；欧姆表一般不要求估读，指针靠近哪条刻线，就读哪条刻线的数值.

4 有效数字和数据处理

4.1 有效数字

带有一位不可靠数字的近似数据叫有效数据，有效数字的最后一位是测量者估读出来的，因此这一位数字是不可靠的，也是误差所在位.

计算中遵守有效数字规则：

（1）不可靠数字与别的数相加减、相乘除，所得的结果也是不可靠的.

（2）计算结果只能保留一位不可靠数字，但在计算过程中，可以保留两位不可靠数字，最后再四舍五入.

（3）物体的个数、实验的次数是准确数，它们与近似数相乘除时，有效数字的位数应等于原来近似数的有效数字位数.

有效数字的位数是从左起第一位非零数字算起到最后一位数字（含零）的总位数，其最后一位即不可靠数字，是估读得到的.

4.2 实验数据常用的处理方法

4.2.1 直接比较法

中学物理的某些实验，只需通过定性的确定物理量间的关系，或将实验结果与标准值相比较，就可得出实验结论的，则可应用直接比较法.如探究“力的平行四边形定则”实验中，可直接比较实验中的测量值与理论值，比较两矢量的大小和方向，达到实验目的.

4.2.2 描迹法

描迹可形象直观地直接反映实验结果.如在“研究平抛物体的运动”实验中，用描迹法直接描绘小球的运动轨迹.应用描迹法时应注意：

（1）所描出的曲线或直线应是平滑的，不应有突然的转折.

（2）个别点若偏离所描出的曲线太远，可认为是某种偶然因素所致，一般可将这样的点舍去.

（3）为能较为准确地描述所记录的曲线，实验所记录的点的总数不能太少，且应在所描范围内大致均匀分布.

4.2.3 平均法

取算术平均值是减小偶然误差常用的数据处理方法，把待测物理量的若干次测量结果值相加后除以测量次数.平均法的基本原理是：在多次测量中，由偶然误差引起的正、负偏差出现的机会相等.故将多次的测量值相加时，所有偏差的代数和为零.在求平均值时应注意在什么情况下求平均值.

4.2.4 列表法

把被测物理量分类列表表示出来，需说明记录表的要求，主要内容.列表法有制表方便，形式紧凑，数据易于比较等优点.列表法还常常是图表法的基础.列表法应注意：（1）项目应包括名称及单位；（2）实验测得的数据应按测量结果，取恰当的有效数字填入；（3）自变量应按逐渐增加或减小的顺序排列.

4.2.5 图象法

建立合理的坐标系，将实验数据作为坐标点在坐标系中表示出来，寻找坐标点之间的规律，作图处理数据的优点是直观、明显.由图象的斜率、截距、包围的面积、外推可以研究物理量之间的规律.

作图象时应注意以下几个方面：

（1）坐标轴代表的物理量要合理，这样便于找出规律，一般多选用直线作图线，因为直线明了直观，而曲线的规律不易判定.在中学物理实验中，常取x或 1/x 为自变量，以便使做出的函数图象为直线，从而可直观的得出变量间的函数关系.在“测电池电动势和内阻”的实验中，以I为自变量作U-I图象；当函数与自变量x成反比例时，常以 1/x 为自变量.

（2）坐标建立要规范，坐标轴上要标明物理量，对应单位，注意正确选取横轴和纵轴的标度，横坐标和纵坐标的比例以及坐标起点，使所做出的图象大致布满整个图纸.如在“测电池电动势和内阻”的实验中，纵坐标U的起点可以不为零.

（3）选点要恰当，作图要规范，直线至少取5点，曲线10～15点，且在曲线弯曲处取点密集一些；对直线作图，应使直线通过尽可能多的点，不通过的点应均匀分布在直线两侧；对曲线作图要平滑，不能做成折线，对于有些特异性的点可以分析取舍.

（4）根据图象分析图线的斜率、截距等物理意义，计算斜率时应选取直线上相距较远的两点，而不一定要选取原来的数据点，这样便于取得更精确的平均值.

5 实验误差及其处理

5.1 误差是测量值与真实值之间的差异

误差不是错误，测量时误差是不可避免的.

真实值：是指被测物理量在规定的时间和空间内的客观大小，即物理量的真实值.实验中真实值是得不到的，通常用多次测量的算术平均值来代替真实值，且测量次数越多，平均值就越接近真实值.

测量值：由测量仪器直接读出的物理量的数值或将测量数据直接代入公式计算出来的物理量的数值.

5.2 从误差来源看，误差可分为系统误差和偶然误差

（1）系统误差主要是由于实验原理不够完善、实验仪器精度不够、实验方法粗略而产生的.基本特点：实验结果对真实值的偏差总是具有相同的倾向性，即总是偏小或偏大.减小方法：改善实验原理，提高实验仪器的测量精度，设计更精巧的实验方法.

（2）偶然误差是由于各种偶然因素对实验者和实验仪器的影响而产生的，如测量环境不稳定、实验者的经验不足.特点：总是有时偏大，有时偏小，且偏大和偏小的机会相等.减小方法：多次实验取平均值.

5.3 从数据分析看，误差分为绝对误差和相对误差

（1）绝对误差是测量值与真实值之差.在直接用仪器测量某一物理量时，提高测量仪器的精度是减小绝对误差的重要方法；

（2）相对误差误差等于绝对误差与真实值之比，常用百分比表示，反映了实验结果的精确程度.在难以减小绝对误差时，增大真实值是减小相对误差的简易而有效的方法.

5.4 减小误差的方法

（1）校准测量仪器.如电流表、电压表，使用前应先进行调零校准；

（2）恰当选择仪器的量程和精确度；

（3）完善实验原理；

（4）进行多次重复实验，求其平均值；

（5）以图象法代替公式法处理实验数据.

（6）改进实验方法.