中学物理实验方法详解：比较法与其他常用技巧

每一个物理实验都有自身的一套方法。无论是选用实验方法、进行实验设计、编排实验，还是在实验中进行调节和测量，都渗透着带有普遍意义的物理实验思想。中学物理课程教学中常用的实验方法有以下几种：

1.比较法。将待测物理量与选做标准单位的物理量进行比较的方法叫比较法，如测量物体长度、用天平称量质量、用电桥测电阻等。有时光有标准量具还不够，还需要配置比较系统，使被测量量与标准量实现比较。如，测量金属在某温度下的比热容，可以找一个已知在该温度下比热容的金属材料，用比较法测，把两者做成形状相同的样品，加热到一定温度让其自然冷却，作降温曲线（T-t曲线），由牛顿冷却定律即可得解。比较法是物理实验中最普通、最基本的实验方法，也是实验设计中设计对照实验的基础。

2.替代法。用已知的标准量去代替未知的待测量，以保持状态和效果相同，从而推出待测量的方法叫替代法。如用合力替代各个分力，用总电阻替代各部分电阻，浮力替代液体对物体的各个压力等。在验证动量守恒实验中，发生碰撞的两个小球的速度不易直接测量，可用水平位移代替水平速度研究；在描绘电场中的等势线时，可以用电流场来模拟静电场等，这些都用了等效替代的思想。

3.累积法。又称叠加法，是将微小量累积后测量求平均的方法，能减小相对误差。实验中也经常涉及这一方法。如在《用单摆测定重力加速度》实验中，需要测定单摆周期，用秒表测一次全振动的时间误差很大，于是测定30～50次全振动的时间t，从而求出单摆的周期T=t/n（n为全振动次数）。测量均匀细金属丝直径时，也可以采用密绕多匝的方法。

4.控制变量法。在中学许多物理实验中，往往存在着多种变化的因素，为了研究它们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。如通过导体的电流I受到导体电阻R和它两端电压U的影响，在研究电流I与电阻R的关系时，需要保持电压U不变；在研究电流I与电压U的关系时，需要保持电阻R不变。气体的性质中，压强、体积和温度通常是同时变化的，我们可以分别控制一个状态参量不变，寻找另外两个参量的关系，最后再进行统一。牛顿第二定律等都是用这种方法研究的。

5.留迹法。有些物理现象瞬间即逝，如运动物体所处的位置、轨迹或图象等，用留迹法记录下来，以便从容地测量、比较和研究。如在《测定匀变速直线运动的加速度》《验证牛顿第二运动定律》《验证机械能守恒定律》等实验中，就是通过纸带上打出的点记录下小车（或重物）在不同时刻的位置（位移）及所对应的时刻，从而可从容计算小车在各个位置或时刻的速度并求出加速度；对于简谐运动，则是通过摆动的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，从而很方便地研究简谐运动的图象；利用闪光照相记录自由落体运动的轨迹等，这些实验都采用了留迹法。

6.放大法。在现象、变化、待测物理量十分微小的情况下，往往采用放大法。根据实验的性质和放大对象的不同，放大所使用的物理方法也各异。例如在《测定金属电阻率》实验中所使用的螺旋测微器，主尺上前进（或后退）0.5毫米，对应副尺上有50个等分，这实际上是对长度的机械放大。常见的放大法有：

（1）累积放大：如在《用双缝干涉测光的波长（同时练习使用测量头）》实验中，用测量头测出n条亮（暗）纹间的距离a，求出相邻的两条明（暗）条纹间距Δx=a/n；回旋加速器也是利用了积累放大的原理，电子每通过加速器半圆的出口进行一次加速，使电子的能量不断增加。这类将微小量累积后测量求平均的方法，能减小相对误差。

（2）机械放大：机械放大是最直观的一种放大方法，例如游标卡尺中利用游标可以提高测量的细分程度；螺旋测微器中将螺距（螺旋进一圈的推进距离）通过螺母上的圆周来进行放大；在研究微小形变时，可以在玻璃瓶口处插上一根细玻璃管，通过玻璃管中水面的变化来研究玻璃瓶的微小形变。

（3）电信号放大：例如三极管常被用作当放大器，把其他物理量转换成电信号放大以后在转回去（如压电转换、光电转换、电磁转换等）。许多电表如电流表、电压表是利用一根较长的指针把通电后线圈的偏转角显示出来。(www.xing528.com)

（4）光学放大：在卡文迪许扭秤、库仑静电力扭秤、显示微小形变等实验中用光线（光点的移动）将微小形变放大。

7.补偿法。补偿法是找一种效应与之相抵消，从而对被测物理量进行测量的方法。由于被测量的作用在测量中被抵消，故表示标准量与被测量作用之差的仪表示数为0，所以又称零示法。

8.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它变量（力、热、声、光、电等物理量的相互转换）进行间接观察和测量，这就是转换法。如卡文迪许《利用扭秤装置测定万有引力恒量实验》，其基本的思维方法便是等效转换。卡文迪许扭秤发生扭转后，引力对T形架的扭转力矩与石英丝由于弹性形变产主的扭转力矩就是等效转换，间接地达到了直接无法达到的目的。又如转换法还应用于石英丝扭转角度的测量、根据电流的热效应来认识电流大小、根据磁场对磁体有力的作用来认识磁场等上。转换法是一种较高层次的思维方法，是在对事物本质深刻认识的基础上才产生的一种认知飞跃。

9.理想化法。影响物理现象的因素往往复杂多变，实验中常可采用忽略某些次要因素或假设一些理想条件的办法，以突出现象的本质因素，便于深入研究，从而取得实际情况下合理的近似结果。如在《用单摆测定重力加速度》的实验中（假设悬线不可伸长）悬点的摩擦和小球在摆动过程的空气阻力不计，在电学实验中把电压表看成内阻是无穷大的理想电压表，电流表看成内阻等于0的理想电流表等实验都采用了理想化法。

10.模型法。模型就是指把复杂的问题简单化，把研究对象的一些次要因素舍去，抓住主要因素，对实际问题进行理想化处理，再现原形的本质，构成理想化的物理模型，这是一种重要的物理研究方法。例如探究杠杆平衡条件的实验，杠杆就是一种理想化的模型。杠杆在使用时，由于受到力的作用，会引起或多或少的形变，然而在研究中把此时的形变忽略不计，这里我们就把杠杆经过理想化的处理，认为它无形变，视为一个硬棒，从而使学生在研究时不被细枝末节的因素影响，顺利地得出杠杆平衡原理。有时受客观条件限制，不能对某些物理现象进行直接实验和测量，于是就人为地创造一定的模型，在模型的条件下进行实验。但要求模型和原型必须具有一定的相似性。如在《电场中等势线的描绘》实验中，因为对静电场直接测量很困难，故采用易测量的电流场来模拟；在确定磁场中磁感线的分布时，因为磁感线实际不存在，我们就用铁屑的分布来模拟磁感线的存在。又如用太阳系模型代表原子结构，用简单的线条代表杠杆等。

11.图象法。图象是一个数学概念，用来表示一个量随另一个量的变化关系，很直观。由于物理学中经常要研究一个物理量随另一个物理量的变化情况，因此图象在物理中有着广泛的应用。在实验中，运用图象来处理实验数据，探究内在的物理规律，具有独特之处。如，在探究固体熔化时温度的变化规律和水的沸腾情况的实验中，就是运用图象法来处理数据的。它形象直观地表示了物质温度的变化情况，学生在亲历实验自主得出数据的基础上，通过描点、连线绘出图象就能准确地把握住晶体和非晶体的熔化特点、液体的沸腾特点了。

12.类比法。类比法是一种推理方法。为了把要表达的物理问题说清楚明白，往往用具体的、有形的、人们所熟知的事物来类比要说明的那些抽象的、无形的、陌生的事物，通过借助于一个比较熟悉的对象的某些特征，去理解和掌握另一个有相似性的对象的某些特征。如，在研究电压的作用时，借助于看得见而且学生比较熟悉的“水压形成水流”的实验做类比，来揭示电压是形成电流的原因。又比如在研究通电螺线管的磁场的实验中，为准确记忆通电螺线管的北极与电流方向的关系，把紧握的右拳头类比为螺线管，四指为线圈并指向电流的方向，则大拇指所指的一端为北极。这样形象直观的类比很容易被学生理解，使学生记忆牢固。有些物理量可以局部观察或测量，但它的极端情况不易直接观测，如果把局部观察测量得到的规律外推到极端，可以得到结果。例如在测电源电动势和内阻的实验中，无法直接测量I=0（断路）时的路端电压（电动势）和短路（U=0）时的电流强度，但通过一系列U、I对应值点画出直线并向两方延伸，交U轴点便可得到电动势，交I轴点便可得到短路电流。

以上仅是中学物理实验中常用的方法，有时在一个实验中会同时用到多种方法。在具体运用中还会遇到实验设计的方法、实验结果的处理方法等，在此不再赘述。