中学物理实验教学研究
第一章 物理实验与物理学发展
第一节、物理实验在物理学发展中的地位。
物理学是一门实验科学，在物理学中，每个概念的建立、每个规律的发现，都有其坚实的实验基础。可以说没有实验就没有物理学。
一、物理实验与古代物理学发展。
在古代，亦即大约公元前七八世纪后，中国和希腊形成了东西方两个科技发展中心，科学已经以经验科学的形态从生产劳动中分化出来。物理学还只是“自然哲学”的重要组成部分。物理学基本上还处在对现象的描述，经验的简单总结。实验的巨大作用还没有被充分认识到，尽管如此，不论在中国还是在外国，有许多人曾做过许多实验或进行观测，还制造了不少仪器，对古代物理学的发展起了积极的推动作用。
在我国：早在尧舜时代，就用“圭表”来观象授时，后来又使用“日晷”，即利用太阳的影子的变化来测量时间；春秋时期(前7世纪) 已普遍使用水滴滴漏的方法计时，春秋时期的度量衡制已日趣完备；浮力的认识，《墨经》（前约468～382，墨翟及其弟子著）中已指出物体所受的浮力是因为水被物体排开的关系。如打捞铁牛的实例。到了周代，史佚发明了杠杆和滑轮的混合体—辘轳。磁学方面的“司南”等。
在西方：古希腊人泰勒斯最早记录了摩擦过的琥珀会吸引轻小物体，天然的磁石具有吸铁的性质。欧几里德（前约330～275）用凹面镜聚集太阳光。古希腊的阿基米德（前287～212）的浮力定律等。
这一时期，物理实验的特点是：①零星不系统；②定量实验较少、定性实验较多；③大多数实验仅限于现象的描述或一般的解释，没有进行归纳而形成系统的理论；④没有用实验来检验已有的理论。
二、物理实验与经典物理学的发展。（16、17世纪的文艺复兴时期）
以伽利略为代表的一大批杰出科学家，对物理学的发展做出了划时代的贡献。
如：伽利略（1564～1642）的落体实验（最好应称为斜面实验或浮力实验），发现了运动定律和自由落体规律。
库仑（1736～1806）的扭秤实验和摩擦实验，得到了库仑力的平方反比定律和摩擦定律。
胡克（1635～1703）的弹性实验，得到了胡克定律。
1827年布朗发现了布朗运动。
奥斯忒（1777～1851），电流的磁效应。
法拉第（1791～1867），电磁感应现象。
托马斯·杨（1773～1829），双缝干涉实验。
这一时期实验研究方法和实验科学思想的特点：
①把实验与数学结合起来，既注意逻辑推理，又依靠实验检验，构成了一套完整的科学研究方法。其程序大致为：
②有意识地在实验中抛开一些次要因素，创造理想化的物理条件。既要力求使实验条件尽可能符合数学要求，又要设法改变实验测量的条件，使之易于测量。
③用实验去验证理论。科学实验是为了证明理论概念（或观察规律）而去做的，不是盲目的、无计划的；而理论又必须服从实验判决。
④把实验与理论联系起来。把各物理量之间的关系用数学表达式联系起来，使实验结果上升到普遍的理论高度。在实验的基础上，进行理论的演绎和逻辑的推理，可得出超越实验本身的更为普遍的理论结论。
三、物理实验与现代物理学的发展
经典物理学从16世纪到19世纪末，历经300年，已达到比较完整和成熟的阶段。
电子的发现，X 射线的发现和放射性现象，被称为世纪之交物理学的三大发现。
1879年，霍尔发现了电流通过金属在磁场作用下产生横向电动势的霍尔效应。
塞曼于1896年发现的塞曼效应，推动了量子理论的发展。
爱因斯坦的光电效应。
现代物理实验的特点：
①实验与物理理论的结合越来越紧密，成为不可分割和相互依赖的结合体。物理实验更加需要理论（包括实验理论）的指导，在理论的预测和条件范围内进行，而不是盲目地瞎碰。
②实验需要更先进的技术和仪器设备。常规的仪器设备和简单的方法已不能满足当前探索物理世界的需要。物理学要向新的更加深入的领域进军，探索更细微的结构、更远的距离、更短的时间、更大或更小的压强、更高或更低的温度等，使实验具有更高的精确度。
③物理实验方法与其他学科的结合和向其他学科渗透，使得新的实验方法和技术更快地在应用领域得到推广使用。
④当代前沿的物理实验越来越成为大规模的、集体的、综合的工程。它的设计、建设和运转、使用都需要各方面的科学家和工程技术人员共同合作完成。另外，还需要有许多辅助的和配套的工作，有时还需要有国际的合作。
⑤建立和利用空间实验室，充分利用太空高真空、无污染、失重等许多天然有利条件。
第二节 物理实验在物理学发展的作用
物理实验是物理学理论的基础，也是物理学发展的基本动力。
一、发现新事物和探索新规律。
库仑定律、欧姆定律、法拉第电磁感应定律等，无一不是在大量实验的基础上总结出来的。
二、验证理论。
理论是物理学的核心，理论的正确与否必须经过实验来检验，实验是检验理论的重要手段。
没有实验，理论是空洞的；没有理论，实验是盲目的。
三、测定常数。
物理学中的常数有两类：物理常数：如比热、电阻率、折射率等。
基本常数：光速、万有引力常数、基本电荷等。
在物理学中，大量的实验是围绕常数进行的，特别是基本常数的研究和确定，在物理学的发展中占有极其重要的地位。
四、推广应用。
现代社会的许多技术，如蒸汽技术、电工和电子技术等都离不开实验。
第二章 物理实验与物理教学
在物理教学中做的物理实验是教学实验，它与科学实验既有联系又有区别。
科学实验的特点：①实验条件可以严格控制；②实验可以重复；③需要借助各种仪器；④可以在特殊条件下或特殊环境中进行。
第一节 物理实验在教学中的地位
物理实验及其教学是物理教学的重要组成部分，它既是物理教学的重要基础，又是物理教学的重要内容、方法和手段。
一、实验是物理教学的重要基础
实验是物理学的基础。在物理教学中运用实验的目的主要在于给学生学习物理创造一个良好的物理环境，使学生能主动地获取物理知识和发展能力，促进学生科学品质和世界观的形成；同时，通过学生的观察实验，使学生掌握实验的基础知识和基本方法，培养他们的实验机能和能力。中学物理教学必须以实验为基础，这是由实验本身的特点及其在物理教学中的作用所决定的。
二、实验是物理教学的重要内容
1、物理实验本身就是物理学的不可分割的重要内容。
决定物理学的三种因素：实验（事实）、物理思想（逻辑方法论）和数学（表达式或计算公式）。可见，实验内容本身就是教师要教，学生应该学的重要内容。
2、实验教学是物理教学的重要组成部分。
实验是物理概念、规律教学中必不可少的基础。没有实验，物理教学只能是“空中楼阁”，把本
来生动的、丰富的物理知识变成一堆枯燥难懂的材料，不利于激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性。
3、实验是培养学生实验能力（特别是操作能力）的保证。
从教师的演示、示范和学生自己的动手操作中，学生可以从中学到实验的基本知识、基本技能和基本方法，可以发展能力，培养良好的实验素质。
三、实验是物理教学的重要方法。
1、实验是物理学研究的重要方法。
2、实验是教师教物理、学生学物理的重要方法。
通过观察和实验，使学生知道科学家探索发现物理规律的过程，培养和提高学生的观察能力和逻辑思维能力，培养学生的实验动手能力和创造能力，帮助学生掌握科学的学习方法。
四、实验是物理教学的重要手段。
教学中运用实验手段，能取得很好的教学效果。实验是物理教学中必不可少的重要手段。
第二节 物理实验在物理教学中的作用
一、培养学生的兴趣和激发学生的求知欲。
1、实验具有真实、直观、形象和生动的特点，易于激发学生的学习兴趣。
中学生天生好奇、好动。让他们观察生动有趣的实验，他们的注意力高度集中。新奇的实验现象也会使他们兴趣盎然。
2、实验是一种有目的性的操作行为。
设法让学生多动手做实验（边学边实验、分组实验、课外实验），不仅可以满足学生操作的愿望，更重要的是可以让学生不断体会和尝到“发现”和“克服困难、解决问题、获得成功”后的喜悦，从而提高兴趣，增强信心。
二、创设学生有效掌握知识的学习环境。
许多物理概念和规律都是从大量的具体事例中抽象出来的。在教学中必须重视感性知识，这是形成概念、掌握规律的基础。感性知识可以来源于学生的生活，也可以来源于物理实验提供的物理事实。
与生活事例相比，实验有下面一些特点：
1、实验具有典型性
2、实验具有重复性
3、实验具有趣味性
4、实验具有定性和定量研究的全面性
三、训练学生的科学方法。
用实验手段去验证事物的属性，发现事物的变化、联系和规律，让学生从中学习科学的研究方法，掌握科学的学习方法。
实验是对学生进行创造意识训练和科学方法训练的有效途径。
1、实验归纳法。实验在前、结论在后；实验就是探索规律的主要手段。这种实验常称为探索性实验。
2、实验验证法。推理、判断在前，实验验证在后。
3、真实实验与理想实验相结合的方法。
真实实验是人们能够实际进行的实验活动。理想实验是人们在头脑中塑造的一种理想过程，
是逻辑推理的一种方法和形式。所谓真实实验和理想实验相结合的方法，就是在有限的实践基础上，经过推理、判断，得出理想条件下的物理规律的方法。如伽利略的理想斜面实验。
例如：在测定有限次平均速度的基础上，推论到位移趋于零时平均速度的极限，从而建立即
时速度的概念。这种方法可以发展学生的想象力和逻辑推理能力。
4、追溯机遇的方法。
伦琴在偶然机会中发现X 射线。
四、培养学生的各种能力。
实验能培养实验操作能力，想象能力、思维能力（归纳、分析能力）、创造能力、组织能力等。
五、培养学生良好的科学素质。
实事求是的科学态度，严禁细致的工作作风，坚韧不拔的意志品质，高尚的思想情操，团结协作的精神等。
第三章 实验原理
要研究实验，首先要明确实验的目的、内容和要求，然后从分析研究实验原理入手。只有弄懂了实验原理，才能真正掌握实验的关键、操作的要点，才能合理地选择实验装置、器材和实验条件，才能正确地处理数据、估计误差、得出结论，才能正确地进行实验的设计、改进和自制教具等工作。总之，研究实验原理是研究中学物理实验这一过程中最重要、最基本的一环，是其他各方面研究的基础。
第一节 分析原理是研究实验的基本方法
从分析实验原理入手研究实验的最基本的方法是：首先，明确实验的目的、内容和要求；其次，认真研究实验原理，对定量或半定量实验，需要分析实验的误差原因及其影响程度；再次，确定实验关键；最后，对实验装置、器材和实验条件提出要求并进行选择，明确操作要点和注意事项。
如：导体切割磁场线产生感应电流实验。
原理：切割磁场线 产生感生电动势E =blv sin θ 在闭合电路中产生感应电流I =E 电流计指针偏转。 R +r A
关键：①感应电流要大；②电流计的灵敏度、可见度大。
对器材的要求：①增大B ，用强磁铁。
②增大L ，可用一个线圈的一条直边。
③减小R ，导线电阻等要尽可能小。
④减小r A ，选内阻较小的电表。
⑤仪器的灵敏度、可见度大，可选用灵敏检流计、光电检流计，或用电流放大等手段。
对操作的要求：①较快移动直导线切割磁场线。
②使直导线、运动方向和磁场线三者能互相垂直。
在原理研究中有两个问题应特别重视：
①所谓的实验原理，并不是仅仅指实验目的中所要说明的物理道理。广义地讲：实验原理是实验方法、实验装置和器材、实验过程、实验结果分析等所依据的物理道理。原理分析中所涉及的许多情况、因素和信息，往往并没有给出，而要靠自己去寻找、收集、探究、试验。原理分析时需要一定的“理想化”，需要略去一些次要的因素，或做一定的简化和抽象，但其程度的把握是至关重要的。
②无论对定量实验，还是定性实验，在分析原理时，应有“量”的意识，能做定量或半定量分析的不要轻易放弃。定性分析虽然简明，但仅停留在定性分析的基础上是不够的，因为“量”变常常会影响实验现象和效果的质的变化。
第二节 实验原理的科学性和可行性
分析一个实验的原理，必须同时考虑其科学性和可行性。
实验原理的科学性主要指：物理原理是否正确、是否确切。
实验原理的可行性主要指：从仪器制作、器材选择、实验条件和实验操作等方面来看能否成功；实验能否应用于实际教学过程，达到某一教学目的；对整个教学过程来讲，实验是否会引起逻辑混乱。
一、原理的正确性。
1、不能弄虚做假，制造假象，欺骗学生。但可采取一定的必要的技术手段。
2、原理无错误，但允许有误差。
如：静电感应实验。
- + A B
判断A 、B 为等量的异种电荷。
有人设计了这样的实验方案：先将已带了电的枕形导体的任一个（如A ）与验电器接触，验电器张开一个角度，移走这个枕形导体，验电器张角不变；再将另一个带异种电荷的枕形导体与验电器接触，张角为0，由此说明两枕形导体带等量异种电荷。这种方法正确吗？进行如下分析：
设：两枕形导体的电容都为C 1，验电器的电容为C 2。使两枕形导体都带上Q 的电量对地电位差都为U =Q 。先将一个带负电的枕形导体A 与验电器接触，假设电容都没有改变，则验电器分得的电荷为：C 1
Q 2a =C 2C 1Q Q ，验电器和枕形导体对地的电位差都为：U a ==U 。 C 1+C 2C 1+C 2C 1+C 2
当把另一个带正电荷的导体B 与验电器接触时，将有-Q 2a 的电荷先与验电器的电荷中和，剩下的电荷（Q -Q 2a ）再按枕形导体和验电器电容的大小重新分配给两者。此时验电器分得的电量Q 2b 应为：
Q 2b =C 2C 2C 1C 1C 2(Q -Q 2a ) =(Q ) =Q 2C 1+C 2C 1+C 2C 1+C 2(C 1+C 2)
Q 2b C 1C 12C 1其对地的电位差U b 为：U b ==Q =U =U a 。 22C 2C 1+C 2(C 1+C 2) (C 1+C 2)
显然，枕形导体B 与验电器接触后，虽然中和了验电器上的负电荷，却使验电器带上了正电荷。尽管
（测量结果表明：枕形导体的电容为3~7pF，验电器的电容为1~6pF）。 U b
所以，用两个枕形导体分别接触一验电器的办法从原理上说是不对的。正确的办法是用两个相同的验电器分别接A 、B 两个带电体，再检验二者电荷的不同。
二、原理的确切性
1、原理与教学中需要说明的问题要一致。有时我们需要用实验来说明某一教学问题，如果两者对不上号，即原理不确切，这种情况是不允许的。
例如：一个关于大气压力的实验及解释
有一道习题：取两个粗细相差很小的试管，在大试管里装满水，把小试管底朝下放在大试管里，把这种装好的两个试管倒过来，就会看到大试管里的水漫漫流出，同时小试管自动上升到大试管里，解释这个现象。
不少教学参考资料中解释说：小试管在大气压的作用下渐渐升至大试管的顶端。做这样的解释也许出
于这样的考虑：小试管顶端在水中，水对顶端的压力（压强）由小试管顶端到大试管顶端这一段距离的水柱所决定，它远小于大气压力。因此，小试管的上升主要由小试管在水外的各玻璃壁受到的大气压力所决定。
小试管的上升是否是由于大气压作用的结果呢？
假定在两试管倒过来的一瞬间，水和小试管还基本处于静止状态。如图所示。我
们取小试管为研究对象，小试管主要受到三个力：重力G 、向上的大气压力F 1=p 0S
（p 0为大气压强、S 为小试管外径截面积）、水对小试管顶部外壁的向下的平均压力
。小试管所受向上的合力为：F 2=p b S （p b 为小试管顶部外壁所受平均压强）
F =F 1-F 2-G 。式中G 和F 1是恒定的，而F 2(p b ) 是随实验条件而变化的。
若开始时细试管插入粗试管水中的深度是h 。那么，只要水是静止或流速很小，可以认为这时大气压强在水中传递的过程中压强的大小不变，而且各向同性。因此，小试管顶部b 处的平均压强为：
p b =p a -ρgh =p 0-ρgh
因而，F 2=(p 0-ρgh ) S
由此得到向上的合力的大小为：F =F 1-F 2-G =ρghS -G 。
由上式可知，在两试管倒过来的这一瞬间，如果ρghS >G ，则F ＞0，小试管就要向上运动；如果ρghS
为了使这个条件得到满足，在操作时应先将大试管差不多灌满水，再将小试管放在大试管中，使其正好浮在水中，这时ρghS =G ，然后将小试管尽可能往水中按下一些，使得ρghS >G ，最后迅速将两试管倒过来。若实验的初始条件选择得不当，如h 太小或G 太大，此实验都难以成功。
由上分析可见，小试管的上升，并非仅由于大气压力作用的结果（事实上，开始时大气压对小试管的压力之和是为零的）。把小试管上升的原因仅归结为大气压力对小试管的作用是不确切的。
题目所说“两管粗细相差很小”也是一个重要条件。若粗细相差较大，即使刚开始的瞬间满足ρghS ＞G 的条件，但由于水迅速沿两管壁流出，因而h 迅速减小，从而使得F ＜０，小试管落小。
（2）因教学需要要求出现的实验现象，就原理来讲必须是唯一的，而不应该是可能会出现的。
三、原理的可行性。
1、设计的实验方案从原理上讲并没有错误，但在实施过程中受到装置、器材、实验条件等限制，而无法实施。
2、有些实验虽然在科学性上并没有错误，但其主要的实验原理学生不易理解，或还未学到。
3、原理无误，学生也易理解，但运用教学中，把他们放在一起就会出现逻辑错误。
第四章 实验方法和实验方案
实验需要有一定的方法和实施实验的方案。一般来说，
教学实验与科学实验中的基本方法大致可分为
如下三类：
1、实验归纳法。
这是一种由个别到一般的认识方法。物理学家常常根据研究的目的，人为地控制条件，从大量的实验事实中找出普遍特征，形成规律。例如，理想气体三定律、电磁作用的法拉弟定律、机械能转换关系等等，都是从大量的实验中归纳出来的。
实验归纳法，也是物理教学中常用的实验方法。例如，在课堂教学中，为了使学生掌握一般物体热胀冷缩的性质，就需要分别演示固体、液体、气体热膨胀实验，然后，才能归纳出结论。又如，在欧姆定律的教学中，需要通过学生分组实验，采用控制变量的方法，分别测出电流强度与电压的关系和电流强度与电阻的关系，然后，才能归纳出欧姆定律的表达式。
实验归纳法的特点是，实验在前，结论在后，实验就是探索规律的主要手段。这种实验人们常称为探索性实验，这是中学物理教学中最常见的实验方法。
2、实验验证法。这是一种推理、判断在前，实验验证在后的研究方法（即演绎法）。物理学家们常常在已知的物理推论或者哲学思想的基础上，经过推理，作出假设和预言，通过实验检验它的真理性，最后肯定或否定论断，得出可靠的结论。例如，麦克斯韦电磁理论的建立，中微子的发现，相对论的成功，都是通过实验验证法，最后得到肯定的。
实验验证法是与想象、推理、判断等思维形式紧密结合起来的方法，是人们的认识能力充分发展的表现。科学家运用这种研究方法，就能走在实验的前面，推动科学向前发展。而这种研究方法既能鼓励科学家们大胆设想，勇于创新，发展预见能力，同时又可以无情地否决某些谬误，防止科学家在错误的道路上走得太远。
物理实验教学中也常用实验验证法。旧教育思想往往忽视教学实验在研究方法上的意义，有时，为了设备安排上的方便，脱离课堂教学的过程过远，使学生分组的实验成为无的放矢。实验目的不明确，就会使这种实验可有可无。近年来，人们越来越重视实验验证法在科学方法和教学方法上的重要意义。在课堂教学中，努力把验证性的演示实验或学生分组实验紧紧地与理论分析结合起来，构成推理、判断、验证、结论这样一个合理的教学程序，就能使学生在掌握规律的同时，学到这种研究方法。
探索性实验与验证性实验是两种类型的研究方法，教学中运用得当，都具有启迪思维、探索真理的作用。
3、理想实验的方法。理想实验是人们头脑中想象的实验，是一种思维活动，是在已有实践的基础上，经过推论、判断得出理想条件下的物理规律的方法。例如，伽利略在研究物体惯性时进行的无摩擦理想斜面实验；爱因斯坦建立狭义相对论时设计了关于同时性的相对性实验；在建立广义相对论时，设计了在自由下落的升降机里一束光因受引力作用发生弯曲的实验；在量子力学中，海森伯用以推导测不准关系所设计的电子单缝衍射实验等等，都是理想实验。这些理想实验，既以真实实验为基础，又高于真实实验。它能更深刻地反映现象的本质，揭示事物的内在联系，是人们认识能力高度发展的体现，在推动物理学发展的过程中，起着重要的作用。
在中学物理教学中也需要借助这种研究方法，帮助学生建立概念和认识规律。例如，建立即时速度概念，只能在测定有限的平均速度的基础上，推论到位移趋于零时平均速度的极限。运用这种理想化方法，可以发展学生的想象能力和逻辑推理能力。
第一节 分析归纳设计思想
一、分析归纳设计思想的基本要求。
要进行实验方法和实验方案的研究，首先要善于分析、归纳实验的设计思想，找出实验中要解决的重点和难点以及解决的方法，有可能的话，还可探究设计者完成这一实验的可能的思维方法和过程。
如几何光学实验演示的关键是光路的显示问题。（加烟雾、或把水弄浑浊等）
二、分析设计思想的三个角度。
①物理原理；②教学要求或实用要求；③仪器制作或装置搭配中的一些工艺和选材等问题。
如：医用温度计的细弯管。
第二节 根据知识结构建立实验模型
不同的物理内容和知识结构，必有其相应的实验模型和实验方法。
物理学按传统划分为力学、热学、电学、光学、原子物理五大部分。各部分的实验，有其独特的方法。例如，力学实验主要是围绕着时间、空间（位移）、质量和力的测量而设计的；热学中的气体定律实验是围绕着温度、压强、体积的关系而设计的；波动实验往往离不开干涉和衍射；场的实验常常是通过试探元所受的作用力来进行研究的；粒子实验则利用碰撞或捕捉径迹等等。这些实验方法的设计是与各类物理现象的物理特性紧密联系的。
就某一个物理量的测量来说，根据不同的物理原理，能创造出多种的测量方法。以时间测量为例。根据周期性原理，有：滴水法、打点法、闪光照相法、音叉法、秒表法、节拍法等；根据同步耦合的特性，有：复摆法、转盘法等；根据电学原理，还有电容器放电法等等。每一种方法又有各自的特点，例如，打点、闪光照相之类的方法，具有“记忆”能力，可以把时间和空间同时记录下来（即时间、位移同定法）；秒表、毫秒计之类方法，适用于按空间范围确定时间（即按位移定时间）；节拍器之类方法，适用于按节拍时间确定空间（即按时间定位移）。
第三节 根据实验和教学要求建立实验模型
实验设计思想中必然包含着对实验的要求和教学要求，分析实验要求和教学要求，常常能激发灵感，产生设计思想的萌芽，同时也利用比较，选择或改进实验方法或方案。
如：通电导线在磁场中运动的实验。
实验主要观察的是导体的“动”，“易动”，且“动的明显”。
课本上常用的方法。
还可以设计为摆动、转动等方法。
第四节 用相同的实验方法解决不同实验中相同的问题
有些实验，虽然它们的实验目的不同，但需要解决的问题是相同的或相似的，因此在实验装置的设计中所用的方法也就相同或在原理上相似。
如：微小形变的放大方法，都可采用杠杆原理。
热学的热胀冷缩、钢丝的拉伸形变等。
第五节 实验方法和实验方案的比较和选择
一、实验方法和实验方案的比较。
一个实验，可有多种不同的实验方法，
如测重力加速度有：落体法、单摆法、圆锥
摆法、振子法、机械能守恒法等。
同一种实验方法，也可有不同的实验
方案。
如加大内阻方法（减小原电池内部离
子通道截面积和增加长度等），方案有：用盐桥拆开原电池①；用隔板拆开原电池②；用可变内阻的蓄电池③等。
二、实验方法和实验方案的选择原则。
①仪器装置简单明了，易于搭配和制作。
②现象清晰，效果明显，易于操作，安全可靠，重复性好。
③紧密结合课堂教学。
④学生容易接受。
第五章 实验装置和实验器材
要进行实验，光有方法和方案不行，实验仪器和材料是必不可少的，如果不弄懂实验装置的原理，不了解清楚仪器的原理、结构、性能，不了解材料的特性，就不能合理地选择器材，不能很好地使用仪器，充分发挥实验器材的作用，也不能有效地进行实验。同时加强实验装置和器材的研究，对于仪器的自制、实验的设计、装置的确定和搭配等都是相当有益的。
第一节 分析装置的原理和特点
一、分析装置的原理。
不了解装置原理就不能合理地选择器材，不能抓住实验要点，并正确地进行操作。而装置原理大多是由设计思想所决定的，因此，分析装置原理，进一步了解设计思想和实验方法有利于了解装置的特点（优缺点），有利于实验装置的改进，以及激发设计新的实验装置的灵感。
第二节 分析和掌握仪器的结构、原理和性能
一、分析仪器的结构和掌握仪器的工作原理。
分析仪器的结构，要注意仪器的外形大致分为几个部分，各部分的器件及其所用材料和大致作用，各部分的作用和相互联系，实验者操作的部件，仪器主要的工作部件和易损部件。
如验电器。
二、了解仪器的技术参数和一般用途。
1、了解仪器的技术参数。
仪器的技术参数决定了仪器的使用范围，以及使用中的许多问题。
如天平的最大称量、感量、游码标尺误差等。
了解仪器的技术参数，有时还有利于我们改进实验方法，提高实验结果的准确性。
2、了解仪器的一般用途。
了解仪器的一般用途，有利于更有效地发挥仪器的作用。
如验电器的用途：①检验物体是否带电；②判别电荷的种类；③检验物体的绝缘性；④估测导体的电势；⑤估测导体的带电量；⑥比较导体电容的大小。
三、了解仪器的调整方法和与分析其作用和原理。
如：电磁打点计时器的检验与调整。
四、分析仪器的结构原理与改进和自制仪器。（如感应起电）
1、改进方案要有理有据。
对于仪器中进行改进的部分，要能说出改进的道理，改进前有何优缺点，改进后有何优缺点等，不要只看到改进前的缺点和改进后的优点，要综合起来看改进后有何好处。
改进仪器有下述两条基本思路：
①从原仪器结构出发，在原仪器结构的基础上，“取长补短”，哪不满意改哪。
②从实验要求和工作原理出发，另想办法，设计新的结构。
如：气体受热膨胀：
2、改进方案必须切实可行。
第三节 分析和了解材料的特性和用途
一、了解材料的特性和作用及合理应用。
分析、了解材料的特性，扬长避短，合理应用，在实验研究的许多方面都是很必要的。
二、扩大材料的应用范围。
使材料尽可能在多个实验、在不同的实验情境中发挥作用。
第四节 实验装置和实验器材的选择
总的来说，选择实验装置和实验器材的主要依据是物理原理和教学要求，还要注意取材容易，经济实惠。
一、实验器材的选择。
1、器材的特性，如机械强度、尺寸大小、物理和化学等性能参数。
2、加工方便、经久耐用。
二、实验仪器的选择。
1、仪器尽可能简单、明了、直观。如做惠斯登电桥的实验，选板式电桥比选箱式电桥好。
2、合理选择仪器的精度。
3、所选仪器要保证满足实验条件。
第六章、实验条件的选择和实验操作
第一节、实验条件的选择
实验条件选择是否恰当，对于实验的成败和效果的好坏影响很大。装置、器材都会影响实验条件，因此，在选择装置、器材时应该注意满足实验条件。此外，在实验过程中，实验中物理参数的个数与数值、实验次数、实验程序、实验操作和观察时间等都可能影响实验条件。
一、根据实验原理选择实验条件。
许多物理学的规律是在一定的条件下成立条件（或近似成立的）的，所以在验证这些规律时，就必须要使实验条件符合这一物理规律的适用条件，否则，就容易使实验失败，或影响学生对物理规律适用条件的认识。
如变压器的实验：（理想变压器）
U 1n 1= 成立的条件是变压器须空载运行。 U 2n 2
I 1n 1 成立的条件是要做满载运行。 =I 2n 2
二、根据仪器技术指标（参数）选择实验条件。
在定量实验中，由于仪器的非理想化，必定会对实验有影响，带来误差。这种影响的程度，经常取决于仪器的技术指标。
三、根据误差理论选择实验条件。
使误差对实验结果的影响减少到最低程度。
四、根据理论图线选择实验条件。
1、不少实验要求将实验结果用坐标图上的图线表示出来。我们在选择实验条件的时候，必须考虑如何使所取的实验条件（横坐标上的“实验点”）能使理论图线上的细节或特征，使理论图线的全貌得到很好的反映。
如研究电源的输出功率：
R= r时，P 出为最大值。
R=2r时，是图线的拐点，因此点在r 2r 附近取的点较密一些。
2、在不少情况下，理想图线是难以得到的。实验中种种非理想化状态使得理想图线的某些细节和特征难以明显而清晰地表现出来。
如奈的熔解，在熔点附近，应适当缩短读温度值的时间间隔，另外采用水浴的办法。
第二节 实验操作
操作在很大程度上影响着实验结果，对于相同的器材，并不是任何一个人都能将实验做到同样好的程度。
不要简单地认为实验操作就是把实验装置搭配起来，按实验内容做做就行了。应该明确，实验操作是实验实施的过程。我们应该明确操作步骤，每一步骤操作都要能说出其道理，要了解它的作用，以及它所产生的后果。应该知道每一步操作是由一个或几个动作组成的。每个动作都有一定的要求，都要到位，都要符合一定的规范，只有这样，才能确保正确地操作。正因为如此，操作的问题是很值得研究的。
一、操作依据。
操作要以实验原理为依据，不从物理原理出发去考察（或确定）操作（及其动作）的道理、作用和后果，就容易使操作带有一定的盲目性，最终影响实验的成效。
如：摩擦起电。
用绸布包住有机玻璃棒来回不断地摩擦较长时间所起的电荷，可能不如将绸布（中间是有机玻璃棒）紧紧地握在手中，迅速地有力地抽出有机玻璃棒一次所起的电荷多。这是因为（在两摩擦体表面的物质及粗糙程度相同的情况下）。“摩擦的起电作用主要在于摩擦后物体表面温度的增高，因而该处电子的动能增大，增加了接触面间电子流动所发生的效果，因此两接触表面一个电子过多，一个电子过少的现象就显著起来，也就是产生了显著的带电现象”。增大正压力迅速摩擦，有利于使物体表现温度的增高，起出更多的电，又利于减小因有机玻璃棒与绸布接触而发生的漏电。
二、操作的具体要求。
操作要规范，动作要清楚明了、干净利索。教师的操作，对学生说来是一种示范，它对于学生实验技能的培养有着不可忽的作用。因此，教师的操作要尽可能规范。凡要学生注意的、对学生规定的操作事宜，教师也应该同样要求自己。如：调节天平时要先调底座水平、游码拨到左端再调横梁平衡；砖码不能用手拿；用温度计时手不能握住玻璃泡，要小心轻放；用电表时指针要校零，电表读数时必须从垂直表盘方向去读数；用光学元件时不能用手拿住光学面，等等。
教师的操作动作要清楚明了，不能让学生产生误解；要干净利索，以便于学生观察。实验操作必须拟定一定的步骤，并要让学生能看清、看懂您的每一个步骤。
11
中学物理实验教学研究
第一章 物理实验与物理学发展
第一节、物理实验在物理学发展中的地位。
物理学是一门实验科学，在物理学中，每个概念的建立、每个规律的发现，都有其坚实的实验基础。可以说没有实验就没有物理学。
一、物理实验与古代物理学发展。
在古代，亦即大约公元前七八世纪后，中国和希腊形成了东西方两个科技发展中心，科学已经以经验科学的形态从生产劳动中分化出来。物理学还只是“自然哲学”的重要组成部分。物理学基本上还处在对现象的描述，经验的简单总结。实验的巨大作用还没有被充分认识到，尽管如此，不论在中国还是在外国，有许多人曾做过许多实验或进行观测，还制造了不少仪器，对古代物理学的发展起了积极的推动作用。
在我国：早在尧舜时代，就用“圭表”来观象授时，后来又使用“日晷”，即利用太阳的影子的变化来测量时间；春秋时期(前7世纪) 已普遍使用水滴滴漏的方法计时，春秋时期的度量衡制已日趣完备；浮力的认识，《墨经》（前约468～382，墨翟及其弟子著）中已指出物体所受的浮力是因为水被物体排开的关系。如打捞铁牛的实例。到了周代，史佚发明了杠杆和滑轮的混合体—辘轳。磁学方面的“司南”等。
在西方：古希腊人泰勒斯最早记录了摩擦过的琥珀会吸引轻小物体，天然的磁石具有吸铁的性质。欧几里德（前约330～275）用凹面镜聚集太阳光。古希腊的阿基米德（前287～212）的浮力定律等。
这一时期，物理实验的特点是：①零星不系统；②定量实验较少、定性实验较多；③大多数实验仅限于现象的描述或一般的解释，没有进行归纳而形成系统的理论；④没有用实验来检验已有的理论。
二、物理实验与经典物理学的发展。（16、17世纪的文艺复兴时期）
以伽利略为代表的一大批杰出科学家，对物理学的发展做出了划时代的贡献。
如：伽利略（1564～1642）的落体实验（最好应称为斜面实验或浮力实验），发现了运动定律和自由落体规律。
库仑（1736～1806）的扭秤实验和摩擦实验，得到了库仑力的平方反比定律和摩擦定律。
胡克（1635～1703）的弹性实验，得到了胡克定律。
1827年布朗发现了布朗运动。
奥斯忒（1777～1851），电流的磁效应。
法拉第（1791～1867），电磁感应现象。
托马斯·杨（1773～1829），双缝干涉实验。
这一时期实验研究方法和实验科学思想的特点：
①把实验与数学结合起来，既注意逻辑推理，又依靠实验检验，构成了一套完整的科学研究方法。其程序大致为：
②有意识地在实验中抛开一些次要因素，创造理想化的物理条件。既要力求使实验条件尽可能符合数学要求，又要设法改变实验测量的条件，使之易于测量。
③用实验去验证理论。科学实验是为了证明理论概念（或观察规律）而去做的，不是盲目的、无计划的；而理论又必须服从实验判决。
④把实验与理论联系起来。把各物理量之间的关系用数学表达式联系起来，使实验结果上升到普遍的理论高度。在实验的基础上，进行理论的演绎和逻辑的推理，可得出超越实验本身的更为普遍的理论结论。
三、物理实验与现代物理学的发展
经典物理学从16世纪到19世纪末，历经300年，已达到比较完整和成熟的阶段。
电子的发现，X 射线的发现和放射性现象，被称为世纪之交物理学的三大发现。
1879年，霍尔发现了电流通过金属在磁场作用下产生横向电动势的霍尔效应。
塞曼于1896年发现的塞曼效应，推动了量子理论的发展。
爱因斯坦的光电效应。
现代物理实验的特点：
①实验与物理理论的结合越来越紧密，成为不可分割和相互依赖的结合体。物理实验更加需要理论（包括实验理论）的指导，在理论的预测和条件范围内进行，而不是盲目地瞎碰。
②实验需要更先进的技术和仪器设备。常规的仪器设备和简单的方法已不能满足当前探索物理世界的需要。物理学要向新的更加深入的领域进军，探索更细微的结构、更远的距离、更短的时间、更大或更小的压强、更高或更低的温度等，使实验具有更高的精确度。
③物理实验方法与其他学科的结合和向其他学科渗透，使得新的实验方法和技术更快地在应用领域得到推广使用。
④当代前沿的物理实验越来越成为大规模的、集体的、综合的工程。它的设计、建设和运转、使用都需要各方面的科学家和工程技术人员共同合作完成。另外，还需要有许多辅助的和配套的工作，有时还需要有国际的合作。
⑤建立和利用空间实验室，充分利用太空高真空、无污染、失重等许多天然有利条件。
第二节 物理实验在物理学发展的作用
物理实验是物理学理论的基础，也是物理学发展的基本动力。
一、发现新事物和探索新规律。
库仑定律、欧姆定律、法拉第电磁感应定律等，无一不是在大量实验的基础上总结出来的。
二、验证理论。
理论是物理学的核心，理论的正确与否必须经过实验来检验，实验是检验理论的重要手段。
没有实验，理论是空洞的；没有理论，实验是盲目的。
三、测定常数。
物理学中的常数有两类：物理常数：如比热、电阻率、折射率等。
基本常数：光速、万有引力常数、基本电荷等。
在物理学中，大量的实验是围绕常数进行的，特别是基本常数的研究和确定，在物理学的发展中占有极其重要的地位。
四、推广应用。
现代社会的许多技术，如蒸汽技术、电工和电子技术等都离不开实验。
第二章 物理实验与物理教学
在物理教学中做的物理实验是教学实验，它与科学实验既有联系又有区别。
科学实验的特点：①实验条件可以严格控制；②实验可以重复；③需要借助各种仪器；④可以在特殊条件下或特殊环境中进行。
第一节 物理实验在教学中的地位
物理实验及其教学是物理教学的重要组成部分，它既是物理教学的重要基础，又是物理教学的重要内容、方法和手段。
一、实验是物理教学的重要基础
实验是物理学的基础。在物理教学中运用实验的目的主要在于给学生学习物理创造一个良好的物理环境，使学生能主动地获取物理知识和发展能力，促进学生科学品质和世界观的形成；同时，通过学生的观察实验，使学生掌握实验的基础知识和基本方法，培养他们的实验机能和能力。中学物理教学必须以实验为基础，这是由实验本身的特点及其在物理教学中的作用所决定的。
二、实验是物理教学的重要内容
1、物理实验本身就是物理学的不可分割的重要内容。
决定物理学的三种因素：实验（事实）、物理思想（逻辑方法论）和数学（表达式或计算公式）。可见，实验内容本身就是教师要教，学生应该学的重要内容。
2、实验教学是物理教学的重要组成部分。
实验是物理概念、规律教学中必不可少的基础。没有实验，物理教学只能是“空中楼阁”，把本
来生动的、丰富的物理知识变成一堆枯燥难懂的材料，不利于激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性。
3、实验是培养学生实验能力（特别是操作能力）的保证。
从教师的演示、示范和学生自己的动手操作中，学生可以从中学到实验的基本知识、基本技能和基本方法，可以发展能力，培养良好的实验素质。
三、实验是物理教学的重要方法。
1、实验是物理学研究的重要方法。
2、实验是教师教物理、学生学物理的重要方法。
通过观察和实验，使学生知道科学家探索发现物理规律的过程，培养和提高学生的观察能力和逻辑思维能力，培养学生的实验动手能力和创造能力，帮助学生掌握科学的学习方法。
四、实验是物理教学的重要手段。
教学中运用实验手段，能取得很好的教学效果。实验是物理教学中必不可少的重要手段。
第二节 物理实验在物理教学中的作用
一、培养学生的兴趣和激发学生的求知欲。
1、实验具有真实、直观、形象和生动的特点，易于激发学生的学习兴趣。
中学生天生好奇、好动。让他们观察生动有趣的实验，他们的注意力高度集中。新奇的实验现象也会使他们兴趣盎然。
2、实验是一种有目的性的操作行为。
设法让学生多动手做实验（边学边实验、分组实验、课外实验），不仅可以满足学生操作的愿望，更重要的是可以让学生不断体会和尝到“发现”和“克服困难、解决问题、获得成功”后的喜悦，从而提高兴趣，增强信心。
二、创设学生有效掌握知识的学习环境。
许多物理概念和规律都是从大量的具体事例中抽象出来的。在教学中必须重视感性知识，这是形成概念、掌握规律的基础。感性知识可以来源于学生的生活，也可以来源于物理实验提供的物理事实。
与生活事例相比，实验有下面一些特点：
1、实验具有典型性
2、实验具有重复性
3、实验具有趣味性
4、实验具有定性和定量研究的全面性
三、训练学生的科学方法。
用实验手段去验证事物的属性，发现事物的变化、联系和规律，让学生从中学习科学的研究方法，掌握科学的学习方法。
实验是对学生进行创造意识训练和科学方法训练的有效途径。
1、实验归纳法。实验在前、结论在后；实验就是探索规律的主要手段。这种实验常称为探索性实验。
2、实验验证法。推理、判断在前，实验验证在后。
3、真实实验与理想实验相结合的方法。
真实实验是人们能够实际进行的实验活动。理想实验是人们在头脑中塑造的一种理想过程，
是逻辑推理的一种方法和形式。所谓真实实验和理想实验相结合的方法，就是在有限的实践基础上，经过推理、判断，得出理想条件下的物理规律的方法。如伽利略的理想斜面实验。
例如：在测定有限次平均速度的基础上，推论到位移趋于零时平均速度的极限，从而建立即
时速度的概念。这种方法可以发展学生的想象力和逻辑推理能力。
4、追溯机遇的方法。
伦琴在偶然机会中发现X 射线。
四、培养学生的各种能力。
实验能培养实验操作能力，想象能力、思维能力（归纳、分析能力）、创造能力、组织能力等。
五、培养学生良好的科学素质。
实事求是的科学态度，严禁细致的工作作风，坚韧不拔的意志品质，高尚的思想情操，团结协作的精神等。
第三章 实验原理
要研究实验，首先要明确实验的目的、内容和要求，然后从分析研究实验原理入手。只有弄懂了实验原理，才能真正掌握实验的关键、操作的要点，才能合理地选择实验装置、器材和实验条件，才能正确地处理数据、估计误差、得出结论，才能正确地进行实验的设计、改进和自制教具等工作。总之，研究实验原理是研究中学物理实验这一过程中最重要、最基本的一环，是其他各方面研究的基础。
第一节 分析原理是研究实验的基本方法
从分析实验原理入手研究实验的最基本的方法是：首先，明确实验的目的、内容和要求；其次，认真研究实验原理，对定量或半定量实验，需要分析实验的误差原因及其影响程度；再次，确定实验关键；最后，对实验装置、器材和实验条件提出要求并进行选择，明确操作要点和注意事项。
如：导体切割磁场线产生感应电流实验。
原理：切割磁场线 产生感生电动势E =blv sin θ 在闭合电路中产生感应电流I =E 电流计指针偏转。 R +r A
关键：①感应电流要大；②电流计的灵敏度、可见度大。
对器材的要求：①增大B ，用强磁铁。
②增大L ，可用一个线圈的一条直边。
③减小R ，导线电阻等要尽可能小。
④减小r A ，选内阻较小的电表。
⑤仪器的灵敏度、可见度大，可选用灵敏检流计、光电检流计，或用电流放大等手段。
对操作的要求：①较快移动直导线切割磁场线。
②使直导线、运动方向和磁场线三者能互相垂直。
在原理研究中有两个问题应特别重视：
①所谓的实验原理，并不是仅仅指实验目的中所要说明的物理道理。广义地讲：实验原理是实验方法、实验装置和器材、实验过程、实验结果分析等所依据的物理道理。原理分析中所涉及的许多情况、因素和信息，往往并没有给出，而要靠自己去寻找、收集、探究、试验。原理分析时需要一定的“理想化”，需要略去一些次要的因素，或做一定的简化和抽象，但其程度的把握是至关重要的。
②无论对定量实验，还是定性实验，在分析原理时，应有“量”的意识，能做定量或半定量分析的不要轻易放弃。定性分析虽然简明，但仅停留在定性分析的基础上是不够的，因为“量”变常常会影响实验现象和效果的质的变化。
第二节 实验原理的科学性和可行性
分析一个实验的原理，必须同时考虑其科学性和可行性。
实验原理的科学性主要指：物理原理是否正确、是否确切。
实验原理的可行性主要指：从仪器制作、器材选择、实验条件和实验操作等方面来看能否成功；实验能否应用于实际教学过程，达到某一教学目的；对整个教学过程来讲，实验是否会引起逻辑混乱。
一、原理的正确性。
1、不能弄虚做假，制造假象，欺骗学生。但可采取一定的必要的技术手段。
2、原理无错误，但允许有误差。
如：静电感应实验。
- + A B
判断A 、B 为等量的异种电荷。
有人设计了这样的实验方案：先将已带了电的枕形导体的任一个（如A ）与验电器接触，验电器张开一个角度，移走这个枕形导体，验电器张角不变；再将另一个带异种电荷的枕形导体与验电器接触，张角为0，由此说明两枕形导体带等量异种电荷。这种方法正确吗？进行如下分析：
设：两枕形导体的电容都为C 1，验电器的电容为C 2。使两枕形导体都带上Q 的电量对地电位差都为U =Q 。先将一个带负电的枕形导体A 与验电器接触，假设电容都没有改变，则验电器分得的电荷为：C 1
Q 2a =C 2C 1Q Q ，验电器和枕形导体对地的电位差都为：U a ==U 。 C 1+C 2C 1+C 2C 1+C 2
当把另一个带正电荷的导体B 与验电器接触时，将有-Q 2a 的电荷先与验电器的电荷中和，剩下的电荷（Q -Q 2a ）再按枕形导体和验电器电容的大小重新分配给两者。此时验电器分得的电量Q 2b 应为：
Q 2b =C 2C 2C 1C 1C 2(Q -Q 2a ) =(Q ) =Q 2C 1+C 2C 1+C 2C 1+C 2(C 1+C 2)
Q 2b C 1C 12C 1其对地的电位差U b 为：U b ==Q =U =U a 。 22C 2C 1+C 2(C 1+C 2) (C 1+C 2)
显然，枕形导体B 与验电器接触后，虽然中和了验电器上的负电荷，却使验电器带上了正电荷。尽管
（测量结果表明：枕形导体的电容为3~7pF，验电器的电容为1~6pF）。 U b
所以，用两个枕形导体分别接触一验电器的办法从原理上说是不对的。正确的办法是用两个相同的验电器分别接A 、B 两个带电体，再检验二者电荷的不同。
二、原理的确切性
1、原理与教学中需要说明的问题要一致。有时我们需要用实验来说明某一教学问题，如果两者对不上号，即原理不确切，这种情况是不允许的。
例如：一个关于大气压力的实验及解释
有一道习题：取两个粗细相差很小的试管，在大试管里装满水，把小试管底朝下放在大试管里，把这种装好的两个试管倒过来，就会看到大试管里的水漫漫流出，同时小试管自动上升到大试管里，解释这个现象。
不少教学参考资料中解释说：小试管在大气压的作用下渐渐升至大试管的顶端。做这样的解释也许出
于这样的考虑：小试管顶端在水中，水对顶端的压力（压强）由小试管顶端到大试管顶端这一段距离的水柱所决定，它远小于大气压力。因此，小试管的上升主要由小试管在水外的各玻璃壁受到的大气压力所决定。
小试管的上升是否是由于大气压作用的结果呢？
假定在两试管倒过来的一瞬间，水和小试管还基本处于静止状态。如图所示。我
们取小试管为研究对象，小试管主要受到三个力：重力G 、向上的大气压力F 1=p 0S
（p 0为大气压强、S 为小试管外径截面积）、水对小试管顶部外壁的向下的平均压力
。小试管所受向上的合力为：F 2=p b S （p b 为小试管顶部外壁所受平均压强）
F =F 1-F 2-G 。式中G 和F 1是恒定的，而F 2(p b ) 是随实验条件而变化的。
若开始时细试管插入粗试管水中的深度是h 。那么，只要水是静止或流速很小，可以认为这时大气压强在水中传递的过程中压强的大小不变，而且各向同性。因此，小试管顶部b 处的平均压强为：
p b =p a -ρgh =p 0-ρgh
因而，F 2=(p 0-ρgh ) S
由此得到向上的合力的大小为：F =F 1-F 2-G =ρghS -G 。
由上式可知，在两试管倒过来的这一瞬间，如果ρghS >G ，则F ＞0，小试管就要向上运动；如果ρghS
为了使这个条件得到满足，在操作时应先将大试管差不多灌满水，再将小试管放在大试管中，使其正好浮在水中，这时ρghS =G ，然后将小试管尽可能往水中按下一些，使得ρghS >G ，最后迅速将两试管倒过来。若实验的初始条件选择得不当，如h 太小或G 太大，此实验都难以成功。
由上分析可见，小试管的上升，并非仅由于大气压力作用的结果（事实上，开始时大气压对小试管的压力之和是为零的）。把小试管上升的原因仅归结为大气压力对小试管的作用是不确切的。
题目所说“两管粗细相差很小”也是一个重要条件。若粗细相差较大，即使刚开始的瞬间满足ρghS ＞G 的条件，但由于水迅速沿两管壁流出，因而h 迅速减小，从而使得F ＜０，小试管落小。
（2）因教学需要要求出现的实验现象，就原理来讲必须是唯一的，而不应该是可能会出现的。
三、原理的可行性。
1、设计的实验方案从原理上讲并没有错误，但在实施过程中受到装置、器材、实验条件等限制，而无法实施。
2、有些实验虽然在科学性上并没有错误，但其主要的实验原理学生不易理解，或还未学到。
3、原理无误，学生也易理解，但运用教学中，把他们放在一起就会出现逻辑错误。
第四章 实验方法和实验方案
实验需要有一定的方法和实施实验的方案。一般来说，
教学实验与科学实验中的基本方法大致可分为
如下三类：
1、实验归纳法。
这是一种由个别到一般的认识方法。物理学家常常根据研究的目的，人为地控制条件，从大量的实验事实中找出普遍特征，形成规律。例如，理想气体三定律、电磁作用的法拉弟定律、机械能转换关系等等，都是从大量的实验中归纳出来的。
实验归纳法，也是物理教学中常用的实验方法。例如，在课堂教学中，为了使学生掌握一般物体热胀冷缩的性质，就需要分别演示固体、液体、气体热膨胀实验，然后，才能归纳出结论。又如，在欧姆定律的教学中，需要通过学生分组实验，采用控制变量的方法，分别测出电流强度与电压的关系和电流强度与电阻的关系，然后，才能归纳出欧姆定律的表达式。
实验归纳法的特点是，实验在前，结论在后，实验就是探索规律的主要手段。这种实验人们常称为探索性实验，这是中学物理教学中最常见的实验方法。
2、实验验证法。这是一种推理、判断在前，实验验证在后的研究方法（即演绎法）。物理学家们常常在已知的物理推论或者哲学思想的基础上，经过推理，作出假设和预言，通过实验检验它的真理性，最后肯定或否定论断，得出可靠的结论。例如，麦克斯韦电磁理论的建立，中微子的发现，相对论的成功，都是通过实验验证法，最后得到肯定的。
实验验证法是与想象、推理、判断等思维形式紧密结合起来的方法，是人们的认识能力充分发展的表现。科学家运用这种研究方法，就能走在实验的前面，推动科学向前发展。而这种研究方法既能鼓励科学家们大胆设想，勇于创新，发展预见能力，同时又可以无情地否决某些谬误，防止科学家在错误的道路上走得太远。
物理实验教学中也常用实验验证法。旧教育思想往往忽视教学实验在研究方法上的意义，有时，为了设备安排上的方便，脱离课堂教学的过程过远，使学生分组的实验成为无的放矢。实验目的不明确，就会使这种实验可有可无。近年来，人们越来越重视实验验证法在科学方法和教学方法上的重要意义。在课堂教学中，努力把验证性的演示实验或学生分组实验紧紧地与理论分析结合起来，构成推理、判断、验证、结论这样一个合理的教学程序，就能使学生在掌握规律的同时，学到这种研究方法。
探索性实验与验证性实验是两种类型的研究方法，教学中运用得当，都具有启迪思维、探索真理的作用。
3、理想实验的方法。理想实验是人们头脑中想象的实验，是一种思维活动，是在已有实践的基础上，经过推论、判断得出理想条件下的物理规律的方法。例如，伽利略在研究物体惯性时进行的无摩擦理想斜面实验；爱因斯坦建立狭义相对论时设计了关于同时性的相对性实验；在建立广义相对论时，设计了在自由下落的升降机里一束光因受引力作用发生弯曲的实验；在量子力学中，海森伯用以推导测不准关系所设计的电子单缝衍射实验等等，都是理想实验。这些理想实验，既以真实实验为基础，又高于真实实验。它能更深刻地反映现象的本质，揭示事物的内在联系，是人们认识能力高度发展的体现，在推动物理学发展的过程中，起着重要的作用。
在中学物理教学中也需要借助这种研究方法，帮助学生建立概念和认识规律。例如，建立即时速度概念，只能在测定有限的平均速度的基础上，推论到位移趋于零时平均速度的极限。运用这种理想化方法，可以发展学生的想象能力和逻辑推理能力。
第一节 分析归纳设计思想
一、分析归纳设计思想的基本要求。
要进行实验方法和实验方案的研究，首先要善于分析、归纳实验的设计思想，找出实验中要解决的重点和难点以及解决的方法，有可能的话，还可探究设计者完成这一实验的可能的思维方法和过程。
如几何光学实验演示的关键是光路的显示问题。（加烟雾、或把水弄浑浊等）
二、分析设计思想的三个角度。
①物理原理；②教学要求或实用要求；③仪器制作或装置搭配中的一些工艺和选材等问题。
如：医用温度计的细弯管。
第二节 根据知识结构建立实验模型
不同的物理内容和知识结构，必有其相应的实验模型和实验方法。
物理学按传统划分为力学、热学、电学、光学、原子物理五大部分。各部分的实验，有其独特的方法。例如，力学实验主要是围绕着时间、空间（位移）、质量和力的测量而设计的；热学中的气体定律实验是围绕着温度、压强、体积的关系而设计的；波动实验往往离不开干涉和衍射；场的实验常常是通过试探元所受的作用力来进行研究的；粒子实验则利用碰撞或捕捉径迹等等。这些实验方法的设计是与各类物理现象的物理特性紧密联系的。
就某一个物理量的测量来说，根据不同的物理原理，能创造出多种的测量方法。以时间测量为例。根据周期性原理，有：滴水法、打点法、闪光照相法、音叉法、秒表法、节拍法等；根据同步耦合的特性，有：复摆法、转盘法等；根据电学原理，还有电容器放电法等等。每一种方法又有各自的特点，例如，打点、闪光照相之类的方法，具有“记忆”能力，可以把时间和空间同时记录下来（即时间、位移同定法）；秒表、毫秒计之类方法，适用于按空间范围确定时间（即按位移定时间）；节拍器之类方法，适用于按节拍时间确定空间（即按时间定位移）。
第三节 根据实验和教学要求建立实验模型
实验设计思想中必然包含着对实验的要求和教学要求，分析实验要求和教学要求，常常能激发灵感，产生设计思想的萌芽，同时也利用比较，选择或改进实验方法或方案。
如：通电导线在磁场中运动的实验。
实验主要观察的是导体的“动”，“易动”，且“动的明显”。
课本上常用的方法。
还可以设计为摆动、转动等方法。
第四节 用相同的实验方法解决不同实验中相同的问题
有些实验，虽然它们的实验目的不同，但需要解决的问题是相同的或相似的，因此在实验装置的设计中所用的方法也就相同或在原理上相似。
如：微小形变的放大方法，都可采用杠杆原理。
热学的热胀冷缩、钢丝的拉伸形变等。
第五节 实验方法和实验方案的比较和选择
一、实验方法和实验方案的比较。
一个实验，可有多种不同的实验方法，
如测重力加速度有：落体法、单摆法、圆锥
摆法、振子法、机械能守恒法等。
同一种实验方法，也可有不同的实验
方案。
如加大内阻方法（减小原电池内部离
子通道截面积和增加长度等），方案有：用盐桥拆开原电池①；用隔板拆开原电池②；用可变内阻的蓄电池③等。
二、实验方法和实验方案的选择原则。
①仪器装置简单明了，易于搭配和制作。
②现象清晰，效果明显，易于操作，安全可靠，重复性好。
③紧密结合课堂教学。
④学生容易接受。
第五章 实验装置和实验器材
要进行实验，光有方法和方案不行，实验仪器和材料是必不可少的，如果不弄懂实验装置的原理，不了解清楚仪器的原理、结构、性能，不了解材料的特性，就不能合理地选择器材，不能很好地使用仪器，充分发挥实验器材的作用，也不能有效地进行实验。同时加强实验装置和器材的研究，对于仪器的自制、实验的设计、装置的确定和搭配等都是相当有益的。
第一节 分析装置的原理和特点
一、分析装置的原理。
不了解装置原理就不能合理地选择器材，不能抓住实验要点，并正确地进行操作。而装置原理大多是由设计思想所决定的，因此，分析装置原理，进一步了解设计思想和实验方法有利于了解装置的特点（优缺点），有利于实验装置的改进，以及激发设计新的实验装置的灵感。
第二节 分析和掌握仪器的结构、原理和性能
一、分析仪器的结构和掌握仪器的工作原理。
分析仪器的结构，要注意仪器的外形大致分为几个部分，各部分的器件及其所用材料和大致作用，各部分的作用和相互联系，实验者操作的部件，仪器主要的工作部件和易损部件。
如验电器。
二、了解仪器的技术参数和一般用途。
1、了解仪器的技术参数。
仪器的技术参数决定了仪器的使用范围，以及使用中的许多问题。
如天平的最大称量、感量、游码标尺误差等。
了解仪器的技术参数，有时还有利于我们改进实验方法，提高实验结果的准确性。
2、了解仪器的一般用途。
了解仪器的一般用途，有利于更有效地发挥仪器的作用。
如验电器的用途：①检验物体是否带电；②判别电荷的种类；③检验物体的绝缘性；④估测导体的电势；⑤估测导体的带电量；⑥比较导体电容的大小。
三、了解仪器的调整方法和与分析其作用和原理。
如：电磁打点计时器的检验与调整。
四、分析仪器的结构原理与改进和自制仪器。（如感应起电）
1、改进方案要有理有据。
对于仪器中进行改进的部分，要能说出改进的道理，改进前有何优缺点，改进后有何优缺点等，不要只看到改进前的缺点和改进后的优点，要综合起来看改进后有何好处。
改进仪器有下述两条基本思路：
①从原仪器结构出发，在原仪器结构的基础上，“取长补短”，哪不满意改哪。
②从实验要求和工作原理出发，另想办法，设计新的结构。
如：气体受热膨胀：
2、改进方案必须切实可行。
第三节 分析和了解材料的特性和用途
一、了解材料的特性和作用及合理应用。
分析、了解材料的特性，扬长避短，合理应用，在实验研究的许多方面都是很必要的。
二、扩大材料的应用范围。
使材料尽可能在多个实验、在不同的实验情境中发挥作用。
第四节 实验装置和实验器材的选择
总的来说，选择实验装置和实验器材的主要依据是物理原理和教学要求，还要注意取材容易，经济实惠。
一、实验器材的选择。
1、器材的特性，如机械强度、尺寸大小、物理和化学等性能参数。
2、加工方便、经久耐用。
二、实验仪器的选择。
1、仪器尽可能简单、明了、直观。如做惠斯登电桥的实验，选板式电桥比选箱式电桥好。
2、合理选择仪器的精度。
3、所选仪器要保证满足实验条件。
第六章、实验条件的选择和实验操作
第一节、实验条件的选择
实验条件选择是否恰当，对于实验的成败和效果的好坏影响很大。装置、器材都会影响实验条件，因此，在选择装置、器材时应该注意满足实验条件。此外，在实验过程中，实验中物理参数的个数与数值、实验次数、实验程序、实验操作和观察时间等都可能影响实验条件。
一、根据实验原理选择实验条件。
许多物理学的规律是在一定的条件下成立条件（或近似成立的）的，所以在验证这些规律时，就必须要使实验条件符合这一物理规律的适用条件，否则，就容易使实验失败，或影响学生对物理规律适用条件的认识。
如变压器的实验：（理想变压器）
U 1n 1= 成立的条件是变压器须空载运行。 U 2n 2
I 1n 1 成立的条件是要做满载运行。 =I 2n 2
二、根据仪器技术指标（参数）选择实验条件。
在定量实验中，由于仪器的非理想化，必定会对实验有影响，带来误差。这种影响的程度，经常取决于仪器的技术指标。
三、根据误差理论选择实验条件。
使误差对实验结果的影响减少到最低程度。
四、根据理论图线选择实验条件。
1、不少实验要求将实验结果用坐标图上的图线表示出来。我们在选择实验条件的时候，必须考虑如何使所取的实验条件（横坐标上的“实验点”）能使理论图线上的细节或特征，使理论图线的全貌得到很好的反映。
如研究电源的输出功率：
R= r时，P 出为最大值。
R=2r时，是图线的拐点，因此点在r 2r 附近取的点较密一些。
2、在不少情况下，理想图线是难以得到的。实验中种种非理想化状态使得理想图线的某些细节和特征难以明显而清晰地表现出来。
如奈的熔解，在熔点附近，应适当缩短读温度值的时间间隔，另外采用水浴的办法。
第二节 实验操作
操作在很大程度上影响着实验结果，对于相同的器材，并不是任何一个人都能将实验做到同样好的程度。
不要简单地认为实验操作就是把实验装置搭配起来，按实验内容做做就行了。应该明确，实验操作是实验实施的过程。我们应该明确操作步骤，每一步骤操作都要能说出其道理，要了解它的作用，以及它所产生的后果。应该知道每一步操作是由一个或几个动作组成的。每个动作都有一定的要求，都要到位，都要符合一定的规范，只有这样，才能确保正确地操作。正因为如此，操作的问题是很值得研究的。
一、操作依据。
操作要以实验原理为依据，不从物理原理出发去考察（或确定）操作（及其动作）的道理、作用和后果，就容易使操作带有一定的盲目性，最终影响实验的成效。
如：摩擦起电。
用绸布包住有机玻璃棒来回不断地摩擦较长时间所起的电荷，可能不如将绸布（中间是有机玻璃棒）紧紧地握在手中，迅速地有力地抽出有机玻璃棒一次所起的电荷多。这是因为（在两摩擦体表面的物质及粗糙程度相同的情况下）。“摩擦的起电作用主要在于摩擦后物体表面温度的增高，因而该处电子的动能增大，增加了接触面间电子流动所发生的效果，因此两接触表面一个电子过多，一个电子过少的现象就显著起来，也就是产生了显著的带电现象”。增大正压力迅速摩擦，有利于使物体表现温度的增高，起出更多的电，又利于减小因有机玻璃棒与绸布接触而发生的漏电。
二、操作的具体要求。
操作要规范，动作要清楚明了、干净利索。教师的操作，对学生说来是一种示范，它对于学生实验技能的培养有着不可忽的作用。因此，教师的操作要尽可能规范。凡要学生注意的、对学生规定的操作事宜，教师也应该同样要求自己。如：调节天平时要先调底座水平、游码拨到左端再调横梁平衡；砖码不能用手拿；用温度计时手不能握住玻璃泡，要小心轻放；用电表时指针要校零，电表读数时必须从垂直表盘方向去读数；用光学元件时不能用手拿住光学面，等等。
教师的操作动作要清楚明了，不能让学生产生误解；要干净利索，以便于学生观察。实验操作必须拟定一定的步骤，并要让学生能看清、看懂您的每一个步骤。
11