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468382，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330275）用凹面镜聚集太阳光。古希腊的阿基米德（前287212）的浮力定律等。这一时期，物理实验的特点是：零星不系统；定量实验较少、定性实验较多；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；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（15641642）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（17361806）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（16351703）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（17771851），电流的磁效应。法拉第（17911867），电磁感应现象。托马斯杨（17731829），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：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：对现象的一般观察提出假设运用数学和逻辑进行推理实验检验形成理论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。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。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：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。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。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。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。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：实验条件可以严格控制；实验可以重复；需要借助各种仪器；可以在特殊条件下或特殊环境中进行。科学实验教学实验目的发现新现象，探索新规律帮助学生掌握知识和学习方法，培养能力，提高素质。内容由需要探索的新问题而定，内容是新的，一般是未知的。按一定的教学目的设计，根据教学实际的需要安排。比较成熟的。形式通过实验观察、测量、记录、计算和分析，总结出规律。有肯定的结果，易得到结论。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 在闭合电路中产生感应电流 电流计指针偏转。关键：感应电流要大；电流计的灵敏度、可见度大。对器材的要求：增大B，用强磁铁。增大L，可用一个线圈的一条直边。减小R，导线电阻等要尽可能小。减小rA，选内阻较小的电表。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：较快移动直导线切割磁场线。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：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