1、 物理实验设计与研究物理实验设计与研究华南师范大学 物理与电信工程学院 程敏熙 参考书：参考书：张德启张德启.物理实验教学研究物理实验教学研究.科学出版社科学出版社2005.8朱鹤年编著朱鹤年编著.基础物理实验教程物理测量的数基础物理实验教程物理测量的数据处理与实验设计据处理与实验设计.高等教育出版社高等教育出版社.2003李静、厉志明李静、厉志明.普通物理实验普通物理实验.华南理工大学出华南理工大学出版社版社.1994.张军鹏主编张军鹏主编.物理教学与学业评价物理教学与学业评价.广东教育出广东教育出版社版社.2005参考刊物：参考刊物：物理实验、物理实验、教学仪器与实验教学仪器与实验（原版、
2、新课程研究、中（原版、新课程研究、中学版）、学版）、 实验教学与仪器实验教学与仪器目前在用的中学物理教材目前在用的中学物理教材 第1章 物理实验设计与教学研究1.1课程的目的与任务课程的目的与任务（1）学习和讨论初中、高中新课程标准，明确中学物）学习和讨论初中、高中新课程标准，明确中学物理实验教学的目的，提高中学物理实验教学技能。理实验教学的目的，提高中学物理实验教学技能。（2）改变自身的教育理念，发挥各种物理实验教学方）改变自身的教育理念，发挥各种物理实验教学方式的作用（分组实验、演示实验、课外实验等），促进式的作用（分组实验、演示实验、课外实验等），促进中学生实验技能的形成和发展。中学生实
3、验技能的形成和发展。（3）熟悉中学物理实验基本仪器，熟悉实验内容。新）熟悉中学物理实验基本仪器，熟悉实验内容。新设计实验或改进实验。亲自参与和指导学生参与实验。设计实验或改进实验。亲自参与和指导学生参与实验。（4）开展物理实验设计和教学设计的研究，建设中学）开展物理实验设计和教学设计的研究，建设中学物理实验室。发动同事、领导重视物理实验教学。物理实验室。发动同事、领导重视物理实验教学。1.2 课程的教学要求课程的教学要求（1）强调基础，发展能力（强调基本原理、）强调基础，发展能力（强调基本原理、强调基本仪器和工具、强调基本方法和技术、强调基本仪器和工具、强调基本方法和技术、强调培养操作能力和观
4、察能力）强调培养操作能力和观察能力）（2）突出学生主体地位（教、学角色的转变；）突出学生主体地位（教、学角色的转变；运用各种实验教学形式：演示、分组、课外）运用各种实验教学形式：演示、分组、课外）（3）重视现代化手段在物理实验中的应用）重视现代化手段在物理实验中的应用（电化教育设备、计算机软件和硬件、计算机（电化教育设备、计算机软件和硬件、计算机辅助实验教学、网络教学、仿真实验）辅助实验教学、网络教学、仿真实验）（4）形成合理地进行实验教与学评价的理念）形成合理地进行实验教与学评价的理念1.3 物理实验在物理学发展中的作用物理实验在物理学发展中的作用（1）物理实验的概念）物理实验的概念物理学的
5、基本特点是它的实践性，它是一物理学的基本特点是它的实践性，它是一门以实验为基础的高度定量化的科学。物门以实验为基础的高度定量化的科学。物理学是人类认识物质世界及其运动规律的理学是人类认识物质世界及其运动规律的基本途径，是物理知识的源泉，也是检验基本途径，是物理知识的源泉，也是检验物理理论的标准。物理理论的标准。科学技术的迅猛发展，对人才的开拓、科学技术的迅猛发展，对人才的开拓、创新能力提出了越来越高的要求，因此，创新能力提出了越来越高的要求，因此，学校教育中加强学生实验能力的培养和学校教育中加强学生实验能力的培养和训练，强化物理实验课已成为深化教育训练，强化物理实验课已成为深化教育改革的一项重
6、要任务。改革的一项重要任务。物理实验设计，从教学的角度来说，物理实验设计，从教学的角度来说，能帮助教师讲解新概念、传授新知识。能帮助教师讲解新概念、传授新知识。从学习的角度来说，能帮助学生理解概从学习的角度来说，能帮助学生理解概念，巩固已经学会知识，提高学习兴趣。念，巩固已经学会知识，提高学习兴趣。（2）什么是物理实验？）什么是物理实验？ 物理实验是人们在一定调控条件下，物理实验是人们在一定调控条件下，借助一定的观测手段，有目的有计划地借助一定的观测手段，有目的有计划地对物理客体进行直接观测研究的探索活对物理客体进行直接观测研究的探索活动，其目的在于认识物质结构，探索物动，其目的在于认识物质结
7、构，探索物理变化的特性和规律，揭示各种物理因理变化的特性和规律，揭示各种物理因素之间的联系和物理现象的本质，或者素之间的联系和物理现象的本质，或者对物理理论进行验证。对物理理论进行验证。物理实验的含义：物理实验的含义：要运用仪器设备，人为地控制、创造或要运用仪器设备，人为地控制、创造或纯化某种自然过程，使它按预期的进程纯化某种自然过程，使它按预期的进程发展，也可以让它重复、再现，同时尽发展，也可以让它重复、再现，同时尽可能减少干扰地进行观测，以实验者为可能减少干扰地进行观测，以实验者为主体探究物理过程变化规律的科学活动。主体探究物理过程变化规律的科学活动。是搜集事实、取得经验、总结规律的必是搜
8、集事实、取得经验、总结规律的必要途径。要途径。（3）物理实验的基本结构）物理实验的基本结构实验者实验者实验活动的主体，处于主动地位，实验活动的主体，处于主动地位，对实验过程起主导作用。对实验过程起主导作用。实验对象实验对象实验研究的客体，含天然客体、实验研究的客体，含天然客体、人工制备的样品或模拟物，是信息源。人工制备的样品或模拟物，是信息源。实验仪器实验仪器实验者与实验对象之间传递双实验者与实验对象之间传递双向作用的中介物，是实验者作用于实验对象向作用的中介物，是实验者作用于实验对象的一切物质手段的总和。其主要作用是延长的一切物质手段的总和。其主要作用是延长人的感官甚至人脑的部分功能。人的感
9、官甚至人脑的部分功能。（4）物理实验的基本分类）物理实验的基本分类u 天然客体物理实验天然客体物理实验以天然客体或以天然客体或天然物理现象为实验对象。整个自然界天然物理现象为实验对象。整个自然界是物理学永恒的实验室。（缺点是重复是物理学永恒的实验室。（缺点是重复周期较长，条件难控制）周期较长，条件难控制）人工制备样品物理实验人工制备样品物理实验人为纯化或人为纯化或人工制备的样品代替原型作为实验对象。人工制备的样品代替原型作为实验对象。样品与原型要样品与原型要“同态同态”、“同构同构”。这两大类型的实验研究各具有优点和局这两大类型的实验研究各具有优点和局限性，又具有互补性。限性，又具有互补性。（
10、5）物理实验在物理学发展中的作用）物理实验在物理学发展中的作用发现新事物、探索新规律。发现新事物、探索新规律。如：伽利略斜面实验、胡克弹性实验、如：伽利略斜面实验、胡克弹性实验、波意耳空气压缩实验、库仑定律、欧姆波意耳空气压缩实验、库仑定律、欧姆定律、法拉第电磁感应定律、光的干涉、定律、法拉第电磁感应定律、光的干涉、衍射、偏振；衍射、偏振；X射线、放射性；发现电子、原子核及射线、放射性；发现电子、原子核及其电荷；超导等等。其电荷；超导等等。验证理论。验证理论。 如：验证爱因斯坦的相对论实验、如：验证爱因斯坦的相对论实验、时空弯曲、引力红移等；赫兹的实验证时空弯曲、引力红移等；赫兹的实验证实麦克
11、斯韦电磁场理论；电子衍射证实实麦克斯韦电磁场理论；电子衍射证实德布罗意的物质波理论。德布罗意的物质波理论。 （理论是物理学是核心，理论必须经过理论是物理学是核心，理论必须经过实验检验。理论与实验之间是相辅相成实验检验。理论与实验之间是相辅相成的辨证关系。没有实验，理论是空洞的；的辨证关系。没有实验，理论是空洞的；没有理论，实验是盲目的。）没有理论，实验是盲目的。）测定常数（物质常数：测定常数（物质常数：、n，基基本常数本常数：c、e、k、h）。）。 常数之间的协调是检验物理理论常数之间的协调是检验物理理论的重要途径。的重要途径。推广应用。推广应用。X射线、无线电、超导、核磁共振等（6）当前物理
12、实验方法和发展的特点和趋势）当前物理实验方法和发展的特点和趋势实验和理论的结合越来越紧密，成为不可分实验和理论的结合越来越紧密，成为不可分割、互相依赖的结合体，实验需要理论尤其割、互相依赖的结合体，实验需要理论尤其是实验理论的指导，在理论的预测和条件范是实验理论的指导，在理论的预测和条件范围内进行。围内进行。实验需要更先进的技术和仪器设备。更深入、实验需要更先进的技术和仪器设备。更深入、更细微、更远的距离、更高或更低的温度、更细微、更远的距离、更高或更低的温度、更短的时间、结果更精确。更短的时间、结果更精确。物理实验方法和其他学科的结合向其他物理实验方法和其他学科的结合向其他学科渗透，使得新的
13、实验方法和技术更学科渗透，使得新的实验方法和技术更快地推广应用在各个领域。快地推广应用在各个领域。当代前沿的物理实验越来越成为大规模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、的、集体的、综合的工程。它的设计、建设和运转使用，辅助和配套的工作等建设和运转使用，辅助和配套的工作等都需要各方面的科学家和工程技术人员都需要各方面的科学家和工程技术人员共同合作完成，前沿尖端的实验还需要共同合作完成，前沿尖端的实验还需要国际间的合作。国际间的合作。1.4 物理实验教学在人才培养中的作用物理实验教学在人才培养中的作用（1）实验是培养创造性人才的必经之路）实验是培养创造性人才的必经之
14、路中国老一辈科学家的成功经验：中国老一辈科学家的成功经验：叶企孙叶企孙培养了王淦昌、王竹溪、赵丸章、钱伟长、邓稼先、周光召等5O多名院士和杨振宁、李政道两名诺贝尔奖获得者。（2）创设物理情景，激发学习兴趣和求知欲望。）创设物理情景，激发学习兴趣和求知欲望。（科学研究与物理教学均必需）（科学研究与物理教学均必需）（3）实验教学是发展学生探究能力的重要途径）实验教学是发展学生探究能力的重要途径（手脑并用、环境与资源运用）（手脑并用、环境与资源运用）（4）物理实验中的科学方法的教育（弘扬科学）物理实验中的科学方法的教育（弘扬科学精神、掌握科学方法、树立科学态度）精神、掌握科学方法、树立科学态度）科学
15、精神科学精神-P17.（怀疑、求实、创新、实践、人文）u科学方法科学方法-P1821.（思维方法、数学方法、测量方法、观察方法）u科学态度科学态度P21.（严谨、实事求是、坚韧不拔）1.5物理实验教学的基本形式物理实验教学的基本形式（1）课堂演示实验（教师为主体）课堂演示实验（教师为主体)（2）学生分组实验）学生分组实验（学生为主体（学生为主体)（3）边教边实验（边学边实验，教师与学生角）边教边实验（边学边实验，教师与学生角色互换）色互换）（4）课外实验与制作）课外实验与制作 自制学具、自制教具、课外探究与实践、自制学具、自制教具、课外探究与实践、社会生活的物理问题探究社会生活的物理问题探究1
16、.6 本课程设计与研究的内容（1）实验项目的设计）实验项目的设计 某个物理量的测量方法、某个物理规律的验证探究、改某个物理量的测量方法、某个物理规律的验证探究、改进某个实验的设计、演示实验的设计、自制学具教具进某个实验的设计、演示实验的设计、自制学具教具（2）实验教学方法和手段的设计）实验教学方法和手段的设计 针对各种物理实验教学形式针对各种物理实验教学形式(演示实验、学生分组实验、演示实验、学生分组实验、边教边实验、课外实验与制作）、传统与现代实验方法的边教边实验、课外实验与制作）、传统与现代实验方法的教学设计教学设计（3）关注实验教学有效性（有效率、有效果、有效益）关注实验教学有效性（有效
17、率、有效果、有效益）（4）实验教学心理的研究）实验教学心理的研究 情感态度与价值观（主动与被动、积极与懈怠、坚持与情感态度与价值观（主动与被动、积极与懈怠、坚持与放弃）放弃）（5）物理实验教学的测量和评价研究）物理实验教学的测量和评价研究第一章第一章 （补充）（补充）实验设计的基本原理和方法实验设计的基本原理和方法一、实验的基本特点一、实验的基本特点1、实验目的：为了发现新现象、探究新规、实验目的：为了发现新现象、探究新规律。律。2、实验内容：由需要探索的新问题而定，、实验内容：由需要探索的新问题而定，其内容对于科学家来说是新的，一般是未知其内容对于科学家来说是新的，一般是未知的。的。3、实验
18、形式：观察现象、测量和记录、计、实验形式：观察现象、测量和记录、计算和分析，总结出规律。最终能否得到需要算和分析，总结出规律。最终能否得到需要的结论是未知的。的结论是未知的。4、对外公布，寻求承认，最终确定。、对外公布，寻求承认，最终确定。二、实验研究的基本方法二、实验研究的基本方法对对象的一般观察对对象的一般观察提出假设模型提出假设模型运用数学和逻辑进行推理运用数学和逻辑进行推理实验检验（忽略次要因素，创造理想实验检验（忽略次要因素，创造理想化的物理条件，以求易于测量）化的物理条件，以求易于测量）形成理论（包括对假设进行的修正和形成理论（包括对假设进行的修正和推广，且理论必须服从实验的判决）
19、推广，且理论必须服从实验的判决）（以上方法最早由伽利略创立）（以上方法最早由伽利略创立）三、实验设计基本方法三、实验设计基本方法1、 建立实验原理建立实验原理 根据实验目的和内容，确定待测物理根据实验目的和内容，确定待测物理量与其他物理量的关系，建立一定的思想量与其他物理量的关系，建立一定的思想基础和理论基础。如推导出公式。基础和理论基础。如推导出公式。 分析实验原理的科学性，原理是否正分析实验原理的科学性，原理是否正确，是否确切，与现行的基本原理是否冲确，是否确切，与现行的基本原理是否冲突？突？ 实验原理的可行性。仪器制作、器实验原理的可行性。仪器制作、器材选择、实验条件和操作能否符合所求材
20、选择、实验条件和操作能否符合所求未知量的条件。未知量的条件。如果实验原理不能满足科学性和可行如果实验原理不能满足科学性和可行性的要求，或者引起逻辑混乱，则实验性的要求，或者引起逻辑混乱，则实验设计是不可取的。设计是不可取的。2、 设计实验方法和实验方案设计实验方法和实验方案实验方法和实验方案决定了实验的实验方法和实验方案决定了实验的“框架框架”和和“工艺工艺”，实验方法和实验方案的研究，实验方法和实验方案的研究设计是最能体现实验者的想象力等创造性设计是最能体现实验者的想象力等创造性思维能力的方面之一。要能够抓住对象的思维能力的方面之一。要能够抓住对象的本质特性，建立恰当的实验模型和方法。本质特
21、性，建立恰当的实验模型和方法。如：如：直接测量、间接测量直接测量、间接测量定性、半定量、定量定性、半定量、定量数值法、图示法、精确度数值法、图示法、精确度 自己的实验设计思想要清晰，找出实验中要自己的实验设计思想要清晰，找出实验中要解决的重点和难点，确定解决方法解决的重点和难点，确定解决方法 根据知识结构建立实验模型（知识面要广）根据知识结构建立实验模型（知识面要广） 根据实验要求建立实验模型根据实验要求建立实验模型 设计其他实验方案（从另一个角度入手）设计其他实验方案（从另一个角度入手）用相同的实验方法解决不同实验中的相同问用相同的实验方法解决不同实验中的相同问题题 实验方法和实验方案的比较
22、和选择实验方法和实验方案的比较和选择注意点：注意点：3、 设计实验装置和选择实验器材设计实验装置和选择实验器材（1） 分析装置组合的原理和特点分析装置组合的原理和特点a、设计装置：装置的组合原理大多是设计装置：装置的组合原理大多是由设计思想所决定的，组合适当的装置由设计思想所决定的，组合适当的装置才能恰当地选择实验器材。才能恰当地选择实验器材。b、考虑装置的性能：实验条件是否可考虑装置的性能：实验条件是否可变，改变范围是多少，样品位置是否可变，改变范围是多少，样品位置是否可靠，样品能否更换，操作是否方便。靠，样品能否更换，操作是否方便。 （2）了解仪器的结构、原理和性能）了解仪器的结构、原理和
23、性能a、 了解仪器面板结构、工作原理，了解仪器面板结构、工作原理，在整套装置中起什么作用，输入输出在整套装置中起什么作用，输入输出信号的特点。信号的特点。b、 注意仪器的调节方法、技巧和操注意仪器的调节方法、技巧和操作规程。作规程。c、 注意仪器的技术参数，误差范围，注意仪器的技术参数，误差范围，误差来源。误差来源。（3） 实验仪器的选择原则实验仪器的选择原则a、尽可能简单、明了、直观、易操尽可能简单、明了、直观、易操作。作。b、合理选择精度，根据具体的目的合理选择精度，根据具体的目的要求来考虑，过要求来考虑，过“粗粗”、过、过“细细”都都会带来麻烦。要通盘考虑，避免一台会带来麻烦。要通盘考虑
24、，避免一台“精精”、一台、一台“粗粗”。c、 要满足实验的主客观条件。要满足实验的主客观条件。 （4） 其他器材的选用其他器材的选用a、 绝缘材料绝缘材料b、 保温和干燥材料和设备，通风设备保温和干燥材料和设备，通风设备c、 安全防护器具安全防护器具4、实验条件和实验操作、实验条件和实验操作（1） 实验条件的选择实验条件的选择a、 根据实验原理选择根据实验原理选择b、 根据仪器的技术指标选择根据仪器的技术指标选择c、 根据误差理论的要求选择根据误差理论的要求选择d、 根据图线的趋势选择根据图线的趋势选择（2）实验操作的方法）实验操作的方法a、操作过程以原理方法为依据：明操作过程以原理方法为依据：明确作用与后果。确作用与后果。b、操作动作要规范：遵守仪器操作操作动作要规范：遵守仪器操作规程。规程。c、先粗测、后细测先粗测、后细测d、要善于排除系统误差（这是实验要善于排除系统误差（这是实验工作者的基本素养）工作者的基本素养） 作业（1）1.指出自己在大一、大二期间物理实验中最指出自己在大一、大二期间物理实验中最不喜欢、最不成功的实验（一个或多个）不喜欢、最不成功的实验（一个或多个）,为为什么？什么？
