实验设计方法

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七种物理实验设计方法

七种物理实验设计方法

1.积累法

某些微小量的测量，在现有仪器的准确度内难以测准确，若

采用将这些微小量积累后求平均的方法能减小误差。如要测

一面书纸的厚度，可测全部书纸的总厚度，然后除以纸张数；

在用单摆测定重力加速度的实验中，需要测定单摆的周期，

用秒表去测一次全振动的时间误差很大，但可以测30—50

次振动的时间t，从而求出单摆的周期T=t/n（n为全振动次

数）。

2.控制法

在一些实验中，往往存在多种变化因素，为了研究某些量之

间的关系，可以先控制一些量不变，依次研究某一个因素的

影响。例如，在验证牛顿第二定律的实验中，为了验证加速

度a与合外力F及物体质量m三者的关系，可以先保持m不

变，研究a与F的关系，研究a与m的关系再保持F不变，

验证a与m的关系。又如研究导体中的电流强度I与导体的

电阻R和导体两端电压u的关系，可以先保持R不变，研究

I与U的关系，再保持u不变，研究I与R的关系，从而得

到导体的电流强度与导体两端的电压成正比，与导体的电阻

成反比的结论。

3.放大法

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在现象、变化、待测量很微小的情况下，可采用“放大”的

方法。根据放大对象的不同，放大的方法也各异。螺旋测微

计、游标卡尺是对“长度”的“机械放大”；望远镜，显微

镜是利用透镜来进行“光放大”；喇叭，蜂呜器是对声的放

大；用晶体三极管可对电信号进行“电放大”；投影式是表、

教具借助投影仪来放大。

物理课本上介绍的卡文迪许设计的测量万有引力的著名扭

秤装置，该实验的关键是要测量出由于小球m受到大球

m′的吸引时，石英丝被扭转的角度。但是小球m和大

球m′之间的引力非常微弱，因而石英丝扭转的角度也

极为微小，不进行放大无法观测。卡文迪许正是巧妙地运用

了光点反射放大法，借助从小平面镜M的反射光在刻度尺上

移动的距离来求出扭转角，再根据扭转角就可以算出m与

m′的引力F。

光点反射放大法是物理实验中常用的放大方法，它是使光的

反射角的微小变化，通过反射线投射到远处光屏上的光点的

移位来显示，其变化的显著程度取决于反射镜至光点投射之

间的距离；另外，杠杆放大法也是较常用的放大方法，它是

利用有固定转轴的指针，微小变化作用于指针杠杆的短臂，

而观察点则在长臂的顶端，观察的显著程度取决于长臂与短

臂的比值。

4.转换法

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某些物理量不容易直接测量，或某些现象直接显示有困难，

可以采取把所要观测的变量转换成其他变量进行间接观察

和测量，这就是转换法。

如玻璃瓶的微小形变难以直接观察，但用插在瓶塞上的毛细

管里液柱的高低来显示，则现象明显；双金属片热胀冷缩时

的弯曲，不用投影仪是不容易看清楚的，但利用它的弯曲来

接通电路，则效果更好。

5.平衡法

物理学中常利用一个量的作用与另一个（或几个）量的作用

相同，相当或相反来设计实验，制作仪器，进行测量，这就

是所谓的平衡法。如弹簧秤的设计是利用了力的平衡，天平

的设计是根据力矩的平衡，温度计的设计思想是热的平衡等。

6.比较法

比较法是在一定的条件下找出研究对象之间的同一性和差

异性。在物理学中由于研究对象的广泛性和多样性，比较的

形式也是灵活多样的，可以是比较某物理现象在实验时间内

前后的变化情况，可以是同时对几类物理对象的现象，变化

过程的比较，也可以是比较同一对象中不同条件下的变化情

况等。如通路自感实验，就是通过电感支路和电阻支路在通

电时两灯泡发亮的先后比较，来说明线圈在通过自身的电流

发生变化时会产生感生电动势，阻碍电流的变化。在研究透

镜成像的实验中，就是比较物体在u＞2f，f＜u＜2f和u＜f

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三种不同情况下通过透镜所成像的不同，从而总结出凸透镜

成像的规律和特点的。

7.留迹法

在物理实验中，有些物理现象瞬息即逝，如运动物体所处的

位置、轨迹或图像等，用一定的方法记录下来，然后通过测

量或观察来进行研究，就是留迹法。如测定匀变速直线运动

的加速度的实验，就是通过纸带上打出的点记录小车的位移

和运动的时间，从而计算小车在各个位置或时刻的速度，并

求出加速度；对简谐振动则是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，从而能很

方便地研究谐振动的图像；用闪光照相法记录自由落体运动

的轨迹；用示波器显示变化的波形等，都是用留迹法进行研

究的。