• 物理实验设计的七种方法
  • 2009-6-26 浏览() 【
  • 1.积累法

    某些微小量的测量,在现有仪器的准确度内难以测准确,若采用将这些微小量积累后求平均的方法能减小误差。如要测一面书纸的厚度,可测全部书纸的总厚度,然后除以纸张数;在用单摆测定重力加速度的实验中,需要测定单摆的周期,用秒表去测一次全振动的时间误差很大,但可以测30—50次振动的时间t,从而求出单摆的周期T=t/n(n为全振动次数)。

    2.控制法

    在一些实验中,往往存在多种变化因素,为了研究某些量之间的关系,可以先控制一些量不变,依次研究某一个因素的影响。例如,在验证牛顿第二定律的实验中,为了验证加速度a与合外力 F及物体质量m三者的关系,可以先保持m不变,研究a与F的关系,研究a与m的关系再保持F不变,验证a与m的关系。又如研究导体中的电流强度I与导体的电阻R和导体两端电压u的关系,可以先保持R不变,研究I与U的关系,再保持u不变,研究I与R的关系,从而得到导体的电流强度与导体两端的电压成正比,与导体的电阻成反比的结论。

    3.放大法

    在现象、变化、待测量很微小的情况下,可采用“放大”的方法。根据放大对象的不同,放大的方法也各异。螺旋测微计、游标卡尺是对“长度”的“机械放大”;望远镜,显微镜是利用透镜来进行“光放大”;喇叭,蜂呜器是对声的放大;用晶体三极管可对电信号进行“电放大”;投影式是表、教具借助投影仪来放大。

    物理课本上介绍的卡文迪许设计的测量万有引力的著名扭秤装置,该实验的关键是要测量出由于小球m受到大球m′的吸引时,石英丝被扭转的角度。但是小球m和大球m′之间的引力非常微弱,因而石英丝扭转的角度也极为微小,不进行放大无法观测。卡文迪许正是巧妙地运用了光点反射放大法,借助从小平面镜M的反射光在刻度尺上移动的距离来求出扭转角,再根据扭转角就可以算出m与m′的引力F。

    光点反射放大法是物理实验中常用的放大方法,它是使光的反射角的微小变化,通过反射线投射到远处光屏上的光点的移位来显示,其变化的显著程度取决于反射镜至光点投射之间的距离;另外,杠杆放大法也是较常用的放大方法,它是利用有固定转轴的指针,微小变化作用于指针杠杆的短臂,而观察点则在长臂的顶端,观察的显著程度取决于长臂与短臂的比值。

    4.转换法

    某些物理量不容易直接测量,或某些现象直接显示有困难,可以采取把所要观测的变量转换成其他变量进行间接观察和测量,这就是转换法。

    如玻璃瓶的微小形变难以直接观察,但用插在瓶塞上的毛细管里液柱的高低来显示,则现象明显;双金属片热胀冷缩时的弯曲,不用投影仪是不容易看清楚的,但利用它的弯曲来接通电路,则效果更好。

    5.平衡法

    物理学中常利用一个量的作用与另一个(或几个)量的作用相同,相当或相反来设计实验,制作仪器,进行测量,这就是所谓的平衡法。如弹簧秤的设计是利用了力的平衡,天平的设计是根据力矩的平衡,温度计的设计思想是热的平衡等。

    6.比较法

    比较法是在一定的条件下找出研究对象之间的同一性和差异性。在物理学中由于研究对象的广泛性和多样性,比较的形式也是灵活多样的,可以是比较某物理现象在实验时间内前后的变化情况,可以是同时对几类物理对象的现象,变化过程的比较,也可以是比较同一对象中不同条件下的变化情况等。如通路自感实验,就是通过电感支路和电阻支路在通电时两灯泡发亮的先后比较,来说明线圈在通过自身的电流发生变化时会产生感生电动势,阻碍电流的变化。在研究透镜成像的实验中,就是比较物体在u>2f,f<u<2f和u<f三种不同情况下通过透镜所成像的不同,从而总结出凸透镜成像的规律和特点的。

    7.留迹法

    在物理实验中,有些物理现象瞬息即逝,如运动物体所处的位置、轨迹或图像等,用一定的方法记录下来,然后通过测量或观察来进行研究,就是留迹法。如测定匀变速直线运动的加速度的实验,就是通过纸带上打出的点记录小车的位移和运动的时间,从而计算小车在各个位置或时刻的速度,并求出加速度;对简谐振动则是通过摆动漏斗漏出的细沙落在匀速拉动的硬纸板上而记录下各个时刻摆的位置,从而能很方便地研究谐振动的图像;用闪光照相法记录自由落体运动的轨迹;用示波器显示变化的波形等,都是用留迹法进行研究的。

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