物理实验教学的独特之处

物理实验教学有下列几个显著的特点。在教学中追求的是形象直观、操作容易、效果明显的特点；对于学生，它显示了培养观察能力、分析能力、动手能力以及提出问题能力的特点。它是培养学生的创新意识、提高学生的科学探究能力的重要途径，是学生自主性学习、合作性学习、研究性学习的活动场所。

（一）物理实验具有简单直观、操作容易和效果明显等特点

虽然先进的、结构复杂的物理仪器逐渐多起来，但物理实验追求的是简单直观、操作容易、效果明显，下面的实验就分别显示了这些特点。当然，不少实验中都有这些特点，并且这些特点兼而有之。

物理实验，尤其是课堂演示实验，大多具有简单直观的特点。仅以“共点力的合成”为例加以说明，用两个同样的、在同一个竖直平面内的测力计吊起一个重物。当两个测力计之间的夹角逐渐变大时，测力计的示数随之变大；当两个测力计之间的夹角逐渐变小时，测力计的示数也随之变小；当测力计之间的夹角为零时，两测力计的示数相同，且为物体重力的一半。这就直观地告诉我们，三个共点力平衡时，测力计的拉力大小和方向可以变化，但拉力的合力却是不变的。如此简单的装置，如此直观的现象，比学生的分组实验又简单了许多。

由于多数中学物理实验所用仪器不多，故操作起来简便易行。如学生分组实验：“验证力的平行四边形定则”，实验中使用了“方木板、白纸、弹簧秤、橡皮条、细线、图钉、三角板、刻度尺”这些仪器。实验操作时按要求两次拉橡皮条到同一位置。只要认真做了，各个实验小组都能使平行四边形定则得到验证。这说明物理实验的操作是容易掌握、简便易行的。

效果明显，是物理实验的普遍特点。例如三棱镜把白光分解成七色光的实验。实验以前，告诉学生白光是由七色光组成的，学生并没有很深的感受，虽说能见到七色彩虹，可那毕竟是远在天边的事情。当教师让白光照到三棱镜的一个侧面上，适当调整三棱镜的位置，让同学们向白色墙壁上望去，全班学生立刻惊叹、欣喜、欢呼起来。明明是白光一道，现在却是艳丽的、如同彩虹般排列的七色光谱。只是一个小小的三棱镜，便将一个物理现象演示得如此精彩，给同学们以强烈的印象，甚至让学生终生难忘。

诚然，电学实验中有复杂的电路，光学实验中需要精密的仪器。然而，简单直观、操作容易和效果明显，却也是物理实验永远的追求。

（二）物理实验在培养学生各个能力方面具有重要作用

物理实验在培养学生观察能力、发现问题的能力和提出问题的能力方面具有重要作用。在实验中培养学生的观察能力，由此让学生发现问题并提出问题，是物理实验的基本特点。

例：分子间的相互作用力，教学片段如下所示。

把一块洗干净的玻璃板吊在橡皮筋的下端，使玻璃板水平地接触水面，如果你想使玻璃板离开水面，必须用比玻璃板所受重力大的力向上拉橡皮筋。动手试一试，并解释为什么。

课本中细线的排布方式不容易做到，可按图5-1中的方式去做。同学们先是测试玻璃板受到的重力，这时观察到橡皮筋有一定伸长，接着在把玻璃板缓慢地拉离水面的过程中，会观察到橡皮筋逐渐变长，并且比前面的伸长程度大得多。前后相比较，可以发现拉力变大的事实。

图5-1　用橡皮筋把玻璃板拉离水面图

同学们很自然地提出“拉力为什么变大”的问题，这可以观察玻璃板下表面，原来干燥的下表面现在变得布满了水渍。玻璃上有水出现，同学们可以理解，并进一步认识到是水面有向下的拉力。不过，细心的学生又会提出两种看法：其一，认为是克服了水面与玻璃板之间的引力；其二，认为是克服了水面与水面之间的引力。哪种看法对呢？学生通过讨论，最后能统一到第二种看法上来。明确是克服了水面间的拉力，因为水面与玻璃板之间有更大的作用力。

接着，又有同学提出了“这个拉力到底多大？”的问题，同学们会想到用测力计代替橡皮筋的方法。教师拿来了一种“量程2.50N、最小刻度0.05N”的测力计。这样，就把两个面积为玻璃板大的水面之间的最大引力测出来了。弹簧秤测得玻璃板（包括细线）的重力G=1.30N，而弹簧秤的最大示数F1=2.10N，由此得最大拉力F=F1-G=2.10N-1.30N=0.80N。

在观测现象的基础上，有的同学还会提出比较深刻的问题。例如，学生甲提出“能否把这个拉力看成是大量的正对的水分子之间的引力？”一石激起千层浪！为此，教师画出了图5-2所示的上、下两层水分子的排列图。

图5-2　上、下两层水分子的排列图

学生乙：两层中有这么多的水分子，任意两个水分子之间都有引力产生，这中间的作用就很复杂了，怎么能说是正对水分子之间的引力呢？

学生丙：克服的拉力应该是两层之间的，与同一层的水分子之间的引力没有关系，两层水分子，正对的距离最小，分子间的引力最大，斜对的距离就大了，分子间的引力就小了。因此，正对的分子间引力的总和就是水面之间的拉力。(www.xing528.com)

同学们感到学生丙的分析从众多矛盾中抓住了主要矛盾，是有一定道理的。

教师：根据学生丙的分析，同学们计算两个水分子之间的最大引力。同学们可能有这样计算的，由玻璃板的面积得出水分子的个数，用水分子个数除水面的拉力，便可得到水分子间的最大作用力了。所用玻璃板的面积为S=1.97×10-2m2。设水分子的直径为d，d取作1.0×10-10，则每个水分子所占的面积为d2。这样，面积S中的水分子的个数。假设水分子之间的大引力为F0，则有F0=。

教师：水分子之间的最大引力是很小的，但仍比它的重力大得多，是重力的几千万倍。水分子之间的最大引力多大？希望有兴趣的同学多方查找。这个结果可能不正确，甚至数量级也相差不少，这些都不重要。同学们善于观察问题，敢于提出问题，勇于发表看法，这些才是重要的。

（三）物理实验在培养学生的创新意识方面具有重要作用

物理实验不仅培养学生的观察能力、发现问题的能力和提出问题的能力，而且对培养学生的创新意识具有重要的作用。下面以课后的一道有关实验的习题为例说明。

例：测量太阳的辐射功率，教学片段如下所示。

取一个横截面积是3×10-2m2的不高的圆筒，筒内装水0.6kg，用来测量射到地面的太阳能。某天中午在太阳光照射2min后，水的温度升高了1℃。

第一，计算在阳光直射下，地球表面每平方厘米每分钟获得的能量。

第二，已知射到大气顶层的太阳能只有43%到达地面，另外57%被大气吸收和反射而未到达地面。你能由此估算出太阳辐射的功率吗？需要什么数据自己去查找。实验测的太阳辐射功率为3.86×1026J/S。看看你估算的结果在数量级上是否相符。

用煤油温度计做这个实验，发现结果不理想，为什么？同学们在实验中发现的问题有：①水吸热后升高的温度，题目中告诉为1℃，而温度计的最小刻度就是1℃，所以读数的误差就太大了；②这个实验要求中午做，最好是夏天的中午，而我们做实验的时间却在秋天；③太阳光要求垂直照射，而我们这里，阳光与地面之间的夹角最大也就是80℃左右；④圆筒虽然不高，但还是高出水面一段，从而使筒内的水吸收的热量相应减少。

怎样改进才能测量准确些呢？几个小组的同学分别提出如下方案：①把放入的水改为一半，水少了，升高的温度就大了，测量就准确些；②将水改为煤油，煤油的比热比水的小，同样情况下煤油能上升到更高的温度。这样，升高的温度容易测准；③将圆筒做的和水面一样高，不使筒壁遮挡阳光；④用平面镜反射太阳光，使太阳光垂直照射水面。

教师指出：同学们积极思考，提出了几种想法，这些想法中不乏创新意识。当然，考虑问题要全面，顾及问题的各个方面。例如，对第一个方案，原来水的深度，由计算得约2cm，去掉一半的话，成了1cm，这样温度计的液泡就会下接触简底，上露在液面之上，从而测量误差难以变小。对第二个方案，煤油的比热确实小了，但煤油容易挥发，这样吸热物质的质量就变小了，也不是好的选择。对第四个方案，用平面镜反射，虽然能保证太阳光垂直照射水面，但反射中太阳光能量的损失却难以避免。

这时，某同学忽然提出，能否用温度计直接测量太阳的辐射功率。就是不再用另外的物质作为吸热物质，而是用温度计的液泡作为吸热物质，研究液泡的吸热过程，用来计算太阳的辐射功率。很明显，温度变化的情况是容易确定的，因为只要液泡吸热，温度计就很自然的记录了这个变化。

一个极具创新意识的想法就这样产生了！效果如何，请看某一个实验小组的记录。

中午时分，将温度计置于室内背阴处，读出这时液泡的温度t1，然后移至阳光中，使温度计与阳光垂直。在阳光照射下，液泡边吸热，液柱边上升，经Δt（约1min）时间，读出此时煤油液泡的温度t2。用游标卡尺测出液泡玻璃管的平均直径d′，估测出液泡的平均直径d，用直尺量出液泡的平均长度l（后来证明这一步骤也可不要）这样，液泡的体积V=，涉及的公式还有，质量m=Pv，吸热Q=cm（t2-t1），单位时间内吸收的热量。综合得在1s时间内在垂直阳光的1m2的面积上吸收的热量。

某次实验中，测得t1=23℃，t2=36.5℃，Δt=60s，d′=0.586×10-2m，取d=0.55×10-2m，煤油的比热c=2.14×103J/kg·℃，煤油的密度ρ=0.8×103kg/m2。因此ΔP=3.14×2.14×103×0.8×103×0.55×10-2×3.5×（4×60）-1J/m2·s=4.3×102J/m2·s。

因为太阳地球间的距离R=1.5×1011m，所以太阳的辐射功率：P=ΔP×4πR2×0.45-1=4×4.3×102×3.14×1.52×1022×0.45-1W=2.7×1026W。

这与公认的太阳辐射功率3.8×1026W是非常接近的。有了创新精神，只用一支温度计，就很方便地测出了太阳的辐射功率，而且是如此的准确。

（四）物理实验在提高学生科学探究能力方面的作用

所谓探究能力，就是对某个问题在现有基础上深入地研究和探讨的能力。而在这个过程中，物理实验通常是有效的重要方法。在实验中由于是边做、边想、边改，所以能在困难时峰回路转，出现转机。^[1]