物理實驗設計方法介紹

物理實驗方法大全

一、比較法

將待測物理量與選做標準單位的物理量進行比較的方法叫比較法.如測量物體長度,用天平稱量質量,用電橋測電阻等.有時光有標準量具還不夠,還需要配置比較系統,使被測量量與標準量實現比較.如：測量金屬在某温度下的比熱容.因為金屬的比熱容隨温度的升高而變大,可以找一個在該温度下比熱容的金屬材料,用比較法測,把兩者做成形狀相同的樣品,加熱到一定温度讓其自然冷卻,作降温曲線(T-t曲線)由牛頓冷卻定律即可得解.比較法是物理實驗中最普通、最基本的實驗方法,也是實驗設計中設計對照實驗的基礎.

二、替代法

用已知的標準量去代替未知的待測量,以保持狀態和效果相同,從而推出待測量的方法叫替代法.如用合力替代各個分力,用總電阻替代各部分電阻,浮力替代液體對物體的各個壓力等.

三、累積法

又稱疊加法.將微小量累積後測量求平均的方法,能減小相對誤差.實驗中也經常涉及這一方法.如在《用單擺測定重力加速度》實驗中,需要測定單擺週期,用秒錶測一次全振動的時間誤差很大,於是採用測定30-50次全振動的時間T,從而求出單擺的週期T=t/n(n為全振動次數).

四、控制法

在中學許多物理實驗中,往往存在着多種變化的因素,為了研究它們之間的關係可以先控制一些量不變,依次研究某一個因素的影響.如通過導體的電流I受到導體電阻R和它兩端電壓U的影響,在研究電流I與電阻R的關係時,需要保持電壓U不變;在研究電流I與電壓U的關係時,需要保持電阻R不變.

五、留跡法

有些物理現象瞬間即逝,如運動物體所處的位置、軌跡或圖像等,用留跡法記錄下來,以便從容地測量、比較和研究.如在《測定勻變速直線運動的加速度》、《驗證牛頓第不運動定律》、《驗證機械能守恆定律》等實驗中,就是通過紙帶上打出的點記錄下小車(或重物)在不同時刻的位置(位移)及所對應的時刻,從而可從容計算小車在各個位置或時刻的速度並求出速度;對於簡諧運動,則是通過擺動的漏斗漏出的細沙落在勻速拉動的硬紙板上而記錄下各個時刻擺的位置,從而很方便地研究簡諧運動的圖像;利用閃光照相記錄自由落體運動的軌跡等實驗都採用了留跡法.

六、放大法

在現象、變化、待測物理量十分微小的情況下,往往採用放大法.根據實驗的性質和放大對象的不同,放大所使用的物理方法也各異.例如：在《測定金屬電阻率》實驗中所使用的螺旋測微器：主尺上前進(或後退)0.5毫米,對應副尺上有5n個等分,實際上是對長度的機械放大;許多電錶如電流表、電壓表是利用一根較長的指針把通電後線圈的偏轉角顯示出來.

七、補償法

補償法是找一種效應與之相抵消,從而對被測物理量進行測量的方法.由於被測量的作用在測量中被抵消,故表示標準量與被測量作用之差的儀表示數為0,所以又稱零示法.

八、轉換法

某些物理量不容易直接測量,或某些現象直接顯示有困難,可以採取把所要觀測的變量轉換成其它變量(力、熱、聲、光、電等物理量的相互轉換)進行間接觀察和測量,這就是轉換法.如卡文迪許《利用扭秤裝置測定萬有引力恆量實驗》：其基本的思維方法便是等效轉換.卡文迪許扭秤發生扭轉後,引力對T形架的扭轉力矩與石英絲由於彈性形變產主的扭轉力矩這就是等效轉換,間接地達到了無法達到的目的.又如轉換法還應用於石英絲扭轉角度的測量、根據電流的.熱效應來認識電流大小、根據磁場對磁體有力的作用來認識磁場等上.轉換法是一種較高層次的思維方法,是對事物本質深刻認識的基礎上才產生的一種飛躍.

九、理想化法

影響物理現象的因素往往復雜多變,實驗中常可採用忽略某些次要因素或假設一些理想條件的辦法,以突出現象的本質因素,便於深入研究,從而取得實際情況下合理的近似結果.如在《用單擺測定重力加速度》的實驗中(假設懸線不可伸長)懸點的摩擦和小球在擺動過程的空氣阻力不計,在電學實驗中把電壓表變成內阻是無窮大的理想電壓表,電流表變成內阻等於0的理想電流表等實驗都採用了理想化法.

十、模型法

有時受客觀條件限制,不能對某些物理現象進行直接實驗和測量,於是就人為地創造一定的模型,在模型的條件下進行實驗.但要求模型和原型必須具有一定的相似性.如在《電場中等勢線的描繪》實驗中,因為對靜電場直接測量很“困難”,故採用易測量的電流場來模擬.又如在確定磁場中磁感線的分佈,因為磁感線實際不存在.我們就用鐵屑的分佈來模擬磁感線的存在.如用太陽系模型代表原子結構,用簡單的線條代表槓桿等.以上僅是中學物理實驗中常用的方法,有時在一個實驗中同時會用到多種方法.同時,具體用運中還會遇到實驗設計的方法、實驗結果的處理方法等