浅谈中学物理实验设计的思想方法
【摘要】：物理学是一门实验科学，物理实验是培养学生观察想象、发现问题、解决问题和提高动手能力的重要环节。
中学物理实验教学是开发学生的思维、提高动手能力和创新能力的重要手段。
实验作为物理学教学中的重要研究手段.在中学物理教学中,我们不仅应该通过实验培养学生的动手能力,而且应该使学生学会一些实验设计的思想方法.作为教师,首先应该加强这方面的研究.本文结合物理实验,主要阐述在物理实验设计中，物理思想和教学论思想的指导，以及有关方法的运用。
【关键词】：设计思想方法物理实验
在中学物理实验教学中，教师往往把精力主要投放在讲授实验步骤和方法上，放在进行操作技巧训练上，放在强调注意事项等方面上，而没有着重来分析实验产生过程中的设计思想和构思方法。
正是这样的教学使学生在物理素质教学全过程中存在一个薄弱环节。
因为任何一个看似普通的物理实验的内部都包含有非常丰富的物理思想，而这些正是学生（包括教师）要真正学习和掌握的东西。
基于思想对实践的指导作用，故有必要对中学物理实验中最基本的设计思想进行归类分析。
以便在教学活动中对学生进行教授和训练，激发学生创造出新的物理思想和物理实验的新手段，以利于提高学生的物理素质。
中学物理实验是一种介于基础教学实验和实际科学实验之间的、具有对科学实验全过程进行初步训练的教学实验设计，它是学生根据实验原理和要求，在明确实验目的的基础上，应用已学过的实验仪器、实验方法，并结合实验器材及具体要求，设计出合理的实验方案并加以实施的过程。
中学物理实验设计是一项创造性的劳动，需要扎实的理论基础，较强的实验技能，广泛的实践经验和周密严谨的头脑，在实验设计过程中，学生通过自己查阅和收集资料自行推证有关理论，自行设计实验方案，自行选择实验器材，独立地进行操作和测量，对学生能力的培养有不可低估的作用。
中学物理实验设计涉及到对实验原理的认识和理解，实验器材的有效选取及合理应用，实验步骤和操作的合理安排，数据的分析处理及实验结论的得出等一系列知识和能力的应用过程，对于学生创新思维能力、动手操作能力、小组合作和交流能力等的培养都有十分重要的作用。
实际上，中学物理实验设计过程中涉及到的思想方法有很多，这里归纳介绍几种最普遍常用的方法。
1.转换法
设计物理实验时，某些物理量不容易直接测量或某些物理现象直接显示有困难，则把难以测量的物理量转换成容易测量的物理量进行间接测量，或将某些不易显示的物理现象转化为容易显示的物理现象而进行间接观察，这种实验设计思维方法称为转换思维法。
例如在碰撞实验用等高二球水平位移的比代替它们速度的比；弹簧秤、握力计等是把力的大小转换成弹簧的伸长量或指针的偏转角度；水受热的对流不易观察，但是借助于高锰酸钾溶液的流动可以清楚的表示热传递的情况。
转换法可以分为参量换测法和能量换测法。
（1）参量转换。
参量换测法是利用各种参量的变换及其变化的相互关系来测量某一物理量的方法。
例如在测金属丝的杨氏弹性模量实验中，是通过应力和应变得线性变化关系来测量的；在测量重力加速度实验中是通过单摆的长度和周期的幂函数关系来测量的。
(2)能量转换。
能量换测法是指某种形式的物理量，通过能量变换器变成另一种形式的物理量的测量方法。
如把机械量转换为电学量的传感器；把磁学量转换为电学量的传感器；把光学量转换转换成电学量的传感器等。
转换法还可以分为：
（1）时间量与空间量的转换：如伽利略在研究自由落体运动是，利用滴水法来测量时间，将时间转换为水的体积的测量；测量小石块从井口自由下落到水面的时间来测量井口到井里水面的深度。
（2）抽象量与直观量的转换：如卡文迪许设计扭秤实验时，，利用引力对T形架的扭转力矩与石英丝由于弹性形变产生的扭转力矩的转换，间接地观察到了引力的作用效果。
而石英丝扭转角度的测量转换为平面镜反射光在刻度尺上移动的距离来间接测量出，实验设计非常巧妙。
（3）微观量与宏观量的转换：如在油膜法估测分子的大小实验中，通过测量油滴的体积与单分子油膜的面积来测量分子的大小。
（4）状态量与过程量的转换：如研究平抛运动实验中，利用做平抛运动物体的水平位移与竖直位移求平抛运动的初速度；在研究变速直线运动实验中，利用位移求物体的速度与加速度。
（5）非电学量与电学量的转换：如传感器，就是把非电学量转换为电学量进行测量的一类元件。
3.近似法
设计物理实验时，为了简化实验测量，突出实验的物理意义，对一些中学阶段精度要求不太高的试验，在其实验方案的设计上采取近似的处理，这种实验设计思维方法称为近似思维法。
例如，在验证牛顿第二定律的实验中，强调让小桶和砂的质量远小于车河砝码的质量，近似地把小桶和砂的重量看成是对小车的牵引力；再如用“伏安法”测电阻时，将电流表、电压表近似地视为理想仪表等。
近似法可以分为：
（1）对象近似：如在气体实验中，将常温常压下的实际气体近似看作理想气体；
在用单摆测重力加速度实验中，将“细线+小球”近似看作单摆。
（2）状态近似：如在计算汽车行驶速度时将汽车视为匀速直线运动。
（3）过程近似：如单摆实验中，摆角小于5度时，摆球的运动近似地看作简谐运动。
（4）结果近似：如用伏安法测电阻实验中，将电流表、电压表近似地看作理想仪表。
为了提高精度，要求将实验条件控制在一定的范围内。
如电表合适的量程于合适的电路连接方式。
3.比较法
设计物理实验时，利用对比实验，找出物理现象之间的同一性和差异性，从而揭示物理现象的本质规律，这种实验设计思维方法称为比较思维法。
例如，在观察自感现象的实验中，可以通过两个规格相同的灯泡亮度的比较，显示自感现象的存在；
在验证焦耳定律的实验中，可在电阻不同的电阻丝上用黄油粘上火柴杆，通电后谁先脱落，就说明该电阻丝发热多，功率大，反之则小。
比较法可以分为：
（1）条件比较：比较不同研究对象在不同的条件下的变化情况。
如研究金属的电阻率随温度变化的情况
（2）过程比较：比较不同物理过程的现象的变化。
如比较平抛运动和自由落体运动的过程，可推知平抛运动竖直方向的运动规律。
（3）状态比较：比较物理现象在实验时间内初、末状态的变化。
如比较酒精和水混合前后的总体积，可推知物体内分子之间有空隙。
4.累积法
设计实验时，由于偶然因素的影响，对某些物理量进行一次测量具有不确定性或不可靠性，则采用累积后求平均值的方法，称为累计思维法。
这是为了减小测量的相对误差而设计的。
例如，测量振动周期时，可以测通过n次全振动的时间t，在算出T=t÷n，测量细丝的直经，可以通过测量密绕在直棒上的n匝总长度L，可算出细丝直径d=L÷n。
累积法提高了测量的精确度，在实验设计中经常用到。
累积法可以分为：
（1）时间累计法：如单摆测重力加速度实验中，采用测量30~50次全振动的总时间来求单摆的周期。
（2）空间累积法：如测量一张薄纸的厚度时，可测多张薄纸的厚度后求平均而得到一张纸的厚度等。
5.控制变量法
设计实验时，当研究多个物理量之间的关系时，先控制住其他几个物理量不变，依次研究其中某一个物理量变化所产生的影响。
这种实验设计思维方法称为变量控制思维法。
例如，在研究牛顿运动定律时，先保持质量不变，研究加速度与外力的关系，再保持外力不变，研究加速度与质量的关系；研究气体压强、体积、温度变化的规律，可先保持质量和温度不变，研究压强与体积的关系，再保持质量和压强不变，研究体积与温度的关系等。
6.模拟法
在设计实验时，依据实验对象形式上或本质上的相似性创设一定的模拟条件，使因受客观条件限制而不能直接进行实验观测的某些物理现象在模拟的条件下进行，这种实验设计思维方法称为模拟法。
模拟法通过易表现的事物或现象来反应不易表现的事物或现象，是揭示事物本质特征的一种间接而有效的方法，模拟对象与被模拟对象之间有本质上的共同性或形式上的相似性。
例如，波的干涉、衍射通过发波水槽模拟等。
模拟法可以分为物理模拟和数学模拟。
物理模拟式保持同一物理本质的模拟。
如用光电弹性法模拟工作内部的应力情况。
数学模拟式把两个不同本质的物理现象或过程，用同一数学形式来描述，例如模拟静电场实验中，用稳恒电流的电场来模拟静电场。
本来它们是两种不同的场，但两种场的电位分布具有相同的数学形式，把以上两种模拟法配合起来使用更好，随着微机的引入，用微机进行模拟实验更为方便，并能将两者很好的结合起来。
模拟法还可以分为：
（1）性质模拟法：根据实验对象性质相似或相同而进行模拟。
（2）形式模拟法：根据实验对象形式相似或相同而进行模拟。
如用铁屑模拟磁场分布；用在蓖麻油中洒发屑模拟电场分布。
7.补偿法
补偿法是根据某一测量原理，在提供一种可调的标准量来抵消被测量所显现的作用条件下，对被测量进行测量的方法。
补偿法的一个特点是测量系统中须有一个指零装置，用来显示待测量与补偿量比较的结果。
我们常通过调整补偿量，使指零装置指零。
例如电学中的补偿法基本思路是，通过某些手段形成一标准的已知电压，取此已知标准电压的一部分与被测电压相补偿，从而确定出被测电压的大小。
根据此基本思想设计制出了各种类型的电位差计，其基本特点是当被测电压与已知标准电压刚好补偿的情况下，电位差计则不从测量回路中吸取能量，即不会因其接入而改变测试对象的状态。