物理实验方法-控制变量法-中学物理实验教学技能

物理教育的任务，一类是物理学知识体系，即学习物理知识和运用物理知识去分析、解决物理问题；另一类是观念和方法。中学物理实验主要包括验证性实验（再现物理现象）和探索性实验（探求物理规律）。进行各类物理实验均需使用一定的科学方法，在实验教学过程中，物理实验中的科学方法是中学物理实验教学技能训练的重要目标和内容。在中学物理实验中，常见的科学方法如下。

（一）观察法

观察是物理实验中有目的、有计划且比较持久的感知活动，是学生获得感性认识的条件。在物理实验的观察中，学生常用的感觉是视觉和听觉，有时还可以运用触觉和味觉。物理观察的步骤是：①确定物理观察的目的、对象和内容。②选择、调整观察方法。③进行观察记录。④提出疑问或新的观察计划。据此，将物理观察能力分成五个基本层次：①对学习物理知识器具的观察。②对物理现象和物理过程的观察。③养成自觉观察物理现象的习惯。④在物理观察中提出疑问。⑤制订物理观察计划，表达观察结论。所以，在中学物理实验中，教师要注意引导学生观察实验仪器，引导学生养成观察的意识，对物理现象以及数据、图表、图像的变化能提出问题，能相互交流、表达观察的结论。

（二）控制变量法

物理学中对于多因素（多变量）的问题，常常采用控制因素（变量）的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题。每一次只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响，这种方法叫控制变量法。例如探究影响滑动摩擦力的因素，如果要探究滑动摩擦力和压力的关系，应控制接触面粗糙程度不变；如果要探究滑动摩擦力和接触面粗糙程度的关系，应控制压力不变。又如欧姆定律实验，研究导体内的电流与导体的电阻和导体两端电压的关系，可以先保持电阻不变，研究电流与电压的关系；再保持电压不变，研究电流与电阻的关系，从而得出导体内的电流与导体两端的电压成正比、与导体的电阻成反比的结论。探究声音的响度和音调的关系、力与运动的关系、影响压力作用效果的因素、影响液体压强大小的因素、影响浮力大小的因素、影响滑轮组机械效率的因素等都应用了控制变量法。

（三）放大法

在物理实验中，为了更好、更方便地对实验中一些微小量进行测量与显示，有时需要对一些量进行适当的放大。放大法有机械放大、电放大和光放大，通常运用在力学、热学、电学、光学等实验中。螺旋测微计就是利用机械放大的方法，通过由较大周长的可动刻度盘显示微小进退。对于一些微小电流（或是微弱电动势）可以通过光放大式低电阻检流计来放大显示。光学放大法常用平面镜、凹面镜、放大镜、显微镜、幻灯、投影、望远镜等来展示微小物理量或细微变化。

（四）比较法

比较法是确定研究对象之间差异点和共同点的思维过程和方法。各种物理现象和过程都可以通过比较来确定其差异点和共同点，为进一步抽象概括做好准备工作。例如在研究液体内部压强的实验中，主要通过比较U形管两边液面的高度差，得出同一深度处液体向各个方向压强相等、液体压强随深度增加而增大、同一深度处液体密度越大压强越大的规律。中学物理中对长度、质量、时间、温度等物理量的测量，以及对事物进行定性鉴别和定量分析，用的都是比较法。

（五）转换法

对某些不容易直接测量的物理量，实验中常借助于力、热、电、光之间的转换关系，用某些能直接测量的量来代替。例如把用油膜法估测分子的直径转换为测量油膜的面积，电磁铁磁性强弱可以用吸引大头针的多少来反映。又如液体压强也是非常抽象的物理量，在研究液体对容器底部或侧壁的压强时，通过观察容器上的橡皮膜形变的程度来直观反映液体压强的存在及变化。传感器是转换法常用的器件。

（六）模拟法

有时候由于物理现象比较复杂或实验技术的难度较大，一些物理现象难以直接观察或物理量难以直接测量，可改用与之有一定相似性、比较容易操作的实验，通过模拟比较间接地去认识和研究。如静电场中的等势线，就是根据稳恒电流场与静电场的相似性，改用描绘稳恒电流场的等势线模拟静电场，加深对静电场电势分布的理解。又如在讲静摩擦力的方向时，用长毛板刷来模拟物体的运动趋势；研究微观分子的热运动特点时，难以让学生直接观察，可以利用花粉颗粒来间接反映其运动的无规则性；在确定磁场中磁感线的分布时，可以用铁屑的分布来模拟磁感线的存在。

（七）留迹法(www.xing528.com)

利用物理原理，把转瞬即逝的现象（位置、轨迹、图像等）直接记录下来，以便能直观和长时间地保留、比较和研究。例如在纸带上打出小车运动过程中不同时刻的位置，用描迹法画出平抛物体的轨迹，用示波器显示变化的电流、电压等。又如演示简谐运动的图线，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，能方便、直观地研究简谐运动的图像；插针法测定玻璃砖的折射率时，在白纸上留下针孔的位置，用直尺连线做出光路图，研究光的传播路径，再通过测量求出其折射率；在描绘电场中等势面的实验中，用探针通过复写纸在白纸上留下痕迹来记录等势点的位置。

（八）理想化方法

实际物理现象中的研究对象、外部因素往往复杂多变，因此，实验时可采用忽略其次要因素或假设一些理想条件的办法，以便能突出现象的主要因素，取得实际情况下合理的近似结果。研究主体借助逻辑思维和想象力，根据所研究问题的需要和具体情况，有意识地突出研究对象的主要本质因素，在思维中排除次要因素和非本质因素及无关因素的干扰，构造理想化实验，创建理想化模型，以简明扼要地揭示物理现象的本质。

中学物理教学中常用的是理想化模型，可分为对象模型、过程模型、条件模型。所谓对象模型，就是用来等效代替研究对象实体的理想化模型。例如质点、弹簧振子、点电荷、理想变压器、纯电阻、理想气体等都属于对象模型。它们都是实际物体在某种条件下的近似和抽象。人们根据其物理性质用理想化图形来模拟的概念也属于理想化对象模型，如光线、电场线、磁感应线。对象模型的建立会使要解决的问题大为简化。实际的物理过程都是由诸多因素共同作用的结果，忽略次要因素的作用，只考虑主要因素引起的变化过程叫作过程模型。例如在空气中自由下落的物体，在高度不高时，空气阻力比起重力可以忽略不计，因而可抽象为自由落体运动。又如单摆实验中，理想化的单摆假设摆线不可伸长，质量远小于摆球质量（可忽略），摆球为匀质小球，悬点的摩擦和空气阻力均不计。在用油膜法估测分子直径的实验中，假设形成的是单分子层油膜，分子与分子紧挨着排列等都做了理想化处理。

（九）累积法

某些微小量的测量，在现有仪器的精确度内难以测准，可以通过将这些微小量积累，然后求平均值以减小误差。例如，测量均匀细金属丝直径时，可以采用密绕多匝的方法；分析打点计时器打出的纸带时，可隔几个点找出计数点进行分析。

（十）替代法

研究物理问题时，有时为了使问题简化，在效果等同的前提下，把实际的、复杂的物理过程变成理想的、简单的等效过程来处理，既可使计算大为简化，又可加深对物理概念、规律的理解。替代法是将测量中某些较难准确测定的物理量和易测量进行相互交换。通过替代，可以使不可直接感知的物理现象变成可感知的，使得变化微小的物理现象可见，使不容易直接测量的物理量易于测量。等效替代法替代的必须是同一个量。例如测量不规则物体的体积时，可以将物体放入装满水的烧杯中，用溢出水的体积替代不规则物体的体积来测量。

按等同效果的形式，通常分为模型等效替代、过程等效替代、作用等效替代。模型等效替代就是用简单的、易于研究的模型来代替复杂的物体或某种运动、相互作用。如中学物理中的质点模型、刚体模型、理想气体模型、点电荷模型、线电流模型。它们都是在一定的精度范围内对实际物体忽略次要因素，抓住主要因素，通过抽象、概括等思维过程形成的物理模型。中学物理中我们还会用实物模型去替代实际物体。例如我们教学中用到的发电机模型、内燃机模型、电动机模型都是用来模拟实际发电机、内燃机、电动机的工作过程，从而使学生更好地理解其工作原理。

所谓过程等效替代，就是用一种或几种简单的过程来替代一种复杂过程的物理方法。一般主要表现在以下两方面：①用理想过程等效替代实际过程。理想过程是对实际过程的抽象，但其目的在于通过对理想过程的研究以了解实际复杂的过程。例如研究物体下落，我们忽略了空气阻力、风的吹力、物体自身转动等次要因素，认为是自由下落。通过对理想过程的研究，学生能对实际物体下落的速度规律、位移规律有很好的理解。如果不用过程替代，而是考虑这么多因素的影响，那么我们中学阶段就不能够研究这种运动了。②用简单过程替代复杂过程。例如“平均速度”概念引入时，就是把变速运动等效为一种匀速运动，从而把复杂的变速运动转变为简单的，易于掌握的匀速运动来处理。又如平抛曲线运动可分解成水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动；斜抛运动可分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向地上抛、下抛运动。任何一种复杂的振动都可以等效为几个振幅、频率不同的简谐运动的合运动。所以，我们只要通过研究简谐运动就可以认识复杂的振动。

所谓作用等效替代，是指从某种过程对外界产生的作用及效果相同出发，研究物理事物的本质和规律，分析和处理物理问题的一种方法。例如在矢量的合成和分解中，“合成”和“分解”概念地建立实际上就是从作用等同性出发的。如力的合成是用一个力来代替几个力，并且使这个力作用的效果与那几个力同时共同作用的效果相同，我们把这个力叫作那几个力的合力；力的分解则是用几个力同时共同作用的效果来替代一个力作用的效果。交流电有效值的定义也用等效替代法，让交流电在一定时间内通过一电阻所产生的热量与某一直流电在相同的时间内通过同一电阻所产生的热量相等，则该直流电的电流与电压值就是该交流电的电流与电压的有效值。另外，还有等效电源、等效重力加速度等都是作用效果的等效替代。

（十一）外推法

中学物理常用的外推法是在图像法的基础上，将图线经过适当延长，使之与坐标轴相交，然后研究其交点所包含的物理意义，即由此说明物理原理。例如在伽利略的理想斜面实验中，伽利略把斜面逐渐外推到极限位置——水平面，提出“小球再也达不到原来的高度，而是沿着水平面以确定的速度持续运动下去”。又如在用电流表和电压表测定电池的电动势和内阻的实验中，可从图像与电压轴的交点求出电动势。