中学物理实验的科学方法
中学物理实验是培养学生科学的观察、实验能力、科学的思维、分析和解决问题能力的主要课程之一。正如李政道先生所说的那样：“教物理重要的是让学生懂道理……”根据中学物理教学的目的和教学标准的基本要求，在中学物理实验的教学过程中应使学生在科学实验的基本方法上有一个实在的感受，从而培养他们的探索精神和创造性，并受到科学方法的教育。黑龙江省教育学院樊式录、哈尔滨81中徐春菊老师从培养学生分析问题和解决问题能力的角度出发，在中学物理实验的整体构成和实验思想方面，论述了实验设计的综合考虑及两种实用的实验结果的表示方法。
实验设计
(1)实验目的
物理实验的教学，虽然具有一定的可操作性和观察性，但仍存在着理论联系实际的问题。物理实验课应既能解决实际问题，又能促进中学生各门功课特别是物理课程的学习和提高，将自己学到的各科知识，在物理实验上综合地发挥出来。
为使实验达到预期的目的，必须使每个参加者明白为什么要做这个实验，做这个实验是要解决现实技术问题、知识问题，还是要探索一下教材中将要出现的物理现象等等。解决实际问题的是什么样的，探索书中的知识问题时，应当明白是哪一个问题及什么现象。目的明确，是实验成功的前提。
(2)实验操作
为使实验达到预期的结果，应考虑采用符合实际的实验方法和规范的实验操作步骤。实验的操作过程不是简单的使用仪器，也不仅仅是个技术或技巧的问题。操作过程本身就是一个创造环节，同时又是实验方案设计的完善过程，并且也是一个创造性的思维过程。确立恰当的实验程度是实验成败的关键。实验操作的每一步都应置于控制之中，启动一个开关或调节某一个部件(部分)所出现的物理现象、物理变化的趋向或显示出来的数值都是有预期结果或指定范围的。集中精力测准几个关键量。参加实验者应分工明确，并保证每人都能有亲自动手操作的机会。
(3)分析变量
为使学生在实验课中受到分析问题能力的训练，教师应有效的指导学生分析本实验所涉及的所有变量。所谓变量，是指反映预期实验结果的被测量。根据实验目的和实验内容，必须确定出被测量之间的因果关系以及它们的变化范围，并保证每一个被测量只在人为的方便的控制之中，不受其他物理因素的影响。
(4)实验仪器的选择
中学物理实验课，在仪器设备的选用上，应遵循创造性、科学性、安全性、经济性和试验性的原则，突出训练意义，不必强调自动化、高精尖和现代化。尽量采用学生在做一般物理实验时用到过的仪器设备，也可动员学生自制和改装。
(5)实验数据的记录与简单处理
实验数据记录是整个实验过程的关键一环。为使学生在采集数据和获得资料能力等方面得到严密有效的训练，尽量避免使用现成的数据表格。实验记录应与实验目的和实验方法联系在一起考虑。学生自己合理的设计记录数据表的规格和形式，具有明确的名称和标题，能够突出的表示出被测量的因果关系，具有清楚的分栏项目，便于填写实验数据，使自变量和应变量在数据栏中出现明显的对应。确定的数据采集点应符合实际，不论采集的数据是否在预期的范围之内，都应如实记录，并且禁止使用铅笔，以防有意或无意的涂改数据。
中学生也要掌握一定的数据处理的知识。在一般情况下注意到有效数字的计算和可疑数据的剔除。基本能达到实验的要求，在有效数字的知识方面，应当掌握有效数字的概念，实验数据有效位数的判定准则，及有效数字的化整原则和误差计算。对于测量结果中的可疑数据应按可疑数据的剔除原则处理。
(6)探索性实验的选题
给中学生安排探索性实验，并不是让学生去揭示尚未认识的物理规律，而是让他们经历该实验的全过程之后，对探索性实验有一个实在的感受，掌握探索未知物理规律的基本方法。
探索性实验的选题应与中学生的知识水平和教学任务相适应。在选题方面应注意到以下几点：
①根据中学生学到的数学知识和在实验时间上的限制，实验结果的经验公式以一次线性为宜。如：
A线性关系：Y=a+bxB反比关系：Y=a+b/xC幂关系：Y=axbD指数关系：Y=aexp(bx)改直：lny=lna+bx以上各式中x为自变量，y为应变量，a、b为常数。
②两个被测量之间的变化特征具有较强的可观察性。
③经验公式的理论分析不宜过于复杂。
实验结果的表示
实验结果的表示，首先取决于实验的物理模式，通过被测量之间的相互关系，考虑实验结果的表示方法。常见的实验结果的表示方法有图解法和方程表示法。在处理数据时可根据需要和方便选择任何一种方法表示实验的最后结果。
(1)实验结果的图形表示法
把实验结果用函数图形表示出来，在实验工作中也有普遍的实用价值。它有明显的直观性，能清楚的反映出实验过程中变量之间的变化进程和连续变化的趋势。精确地描制图线，在具体数学关系式为未知的情况下还可进行图算，并可借助图形来选择经验公式的教学模型。因此用图形来表示实验的结果是每个中学生必须掌握的。
图解法主要问题是拟合面线，一般可分五步来进行。
①整理数据，即取合理的有效数字表示测得值，剔除可疑数据，给出相应的测量误差。
②选择坐标纸。坐标纸的选择应为便于作图或更能方便地反映变量之间的相互关系为原则，可根据需要和方便选择不同的坐标纸，原来为曲线关系的两个变量经过坐标变换利用对数坐标就可能变成直线关系。常用的有直角坐标纸、单对数坐标纸和双对数坐标纸。
③坐标分度，在坐标纸选定以后，就要合理的确定图纸上每一小格的距离所代表的数值，但起码应注意下面两个原则：
A格植的大小应当与测得值所表达的精确度相适应。
B为便于制图和利用图形查找数据每个格值代表的有效数字尽量采用1245避免使用3679等数字。
④作散点图，根据确定的坐标分度值将数据作为点的坐标在坐标纸中标出，考虑到数据的分类及测量的数据组先后顺序等，应采用不同符号标出点的坐标。常用的符号有：x○●△⊙等，规定标记的中心为数据的坐标。
⑤拟合曲线，拟合曲线是用图形表示实验结果的主要目的，也是培养学生作图方法和技巧的关键一环，拟合曲线面应注意以下几点：
A转折点尽量要少，更不能出现人为折曲。
B曲线走向应尽量靠近各坐标点，而不是通过所有点。
C除曲线通过的点以外，处于曲线两侧的点数应当相近。
⑥注解说明，规范的作图法表示实验结果要对得到的图形作必要的说明，其内容包括图形所代表的物理定义，查阅和使用图形的方法，制图时间、地点、条件，制图数据的来源等。
(2)实验结果的方程表示法方程式是中学生应用较多的一种数学形式，利用方程式表示实验结果，不仅在形式上紧凑，并且也便于作数学上的进一步处理。实验结果的方程表示法一般可分以下四步进行。
①确立数学模型，对于只研究两个变量相互关系的实验，其数学模型可借助于图解法来确定，首先根据实验数据在直角坐标系中作出相应图线，看其图线是否是直线，反比关系曲线，幂函数曲线，指数曲线等，就可确定出经验方程的数学模型分别为：
Y=a+bx，Y=a+b/x，Y=a＼b，Y=aexp(bx)②改直，为方便的求出曲线关系方程的未定系数，在精度要求不太高的情况下，在确定的数学模型的基础上，通过对数学模型求对数方法，变换成为直线方程，并根据实验数据用单对数(或双对数)坐标系作出对应的直线图形。
③求出直线方程未定系数，根据改直后直线图形，通过学生已经掌握的解析几何的原理，就可根据坐标系内的直线找出其斜率和截距，确定出直线方程的两个未定系数。
④求出经验方程，将确定的两个未定系数代入数学模型，即得到中学生比较习惯的直角坐标系的经验方程。
中学物理实验有它一套实验知识、方法、习惯和技能，要学好这套系统的实验知识、方法、习惯和技能，需要教师在教学过程中作科学的安排，由浅入深，由简到繁加以培养和锻炼。
逐步掌握探索未知原理规律的基本方法。
中学物理教学中的几种实验方式
实验是物理教学的基础，加强实验教学是当前提高中学物理教学质量的重要一环。
中学物理实验教学包括演示实验和学生分组实验两种。实验教学的主要任务，首先是从观察、分析物理现象中，获得感性认识，建立物理概念，认识物理规律，检验物理理论，从而使学生正确而深刻地领会物理知识，达到理解、记忆和深化知识的作用。其次，通过实验使学生掌握一定的实验技能和技巧，特别是使他们掌握一些基本工具和基本仪器的使用方法和操作技能。第三，通过实验培养学生的科学思维能力和利用实验解决物理问题的能力。在实验过程中，学生需要用眼观察，用手操作，用脑思考，需要进行分析、比较、归纳和综合。
特别是全日制中学的高中课本，对物理学发展具有重要作用的一些实验，如库仑扭秤实验、奥斯特实验、法拉第电磁感应实验、杨氏干涉实验、α粒子散射实验等等，不仅说明了实验的做法，而且介绍了实验的设计思想。这样，既可以使学生加深对物理知识的理解，又能从前人设计实验的科学思维中获得教益。
要搞好实验教学，必须注意以下各点。一是要明确实验的目的。因为每一个实验都是为实现一定的教学目的和要求服务的，所以实验的内容必须根据教学标准和教材内容全面考虑和安排，做到有计划、有目的的做好每一个实验。二是随着科学技术的发展，要不断地改进仪器装置，提高操作技能和实验效果。当然，对于中学物理实验教学而言，有时采用一些简单的仪器设备，所显示的物理现象更明显，阐述原理更便于学生理解。例如，在组织学生做“游标卡尺”实验时，预先用木板做了一个一米多长的模型，结合演示来讲解“游标卡尺”的原理，效果很好。三是实验时必须加强具体指导，提出严格要求。在写实验预习提纲、实验设计、示范操作、布置实验习题填写实验报告等环节中，一方面要求教师预先备好课，做到心中有数，另一方面，要求学生必须细致认真地完成，养成严谨的科学态度，四是在实验中要特别注意发展学生的思维，培养学生的观察能力和运用实验解决物理问题能力。
根据教学的目的和要求，结合教材的内容和特点，黑龙江省宾县一中龙涛靖老师总结介绍了在实验教学中大致采用的五种不同的实验方式和方法。
引入性实验
这种实验的主要目的，在于丰富学生的感性认识，为他们顺利地接受新知识打好基础。学生只有具备了比较丰富的感性知识，才有可能通过逻辑思维上升到理性认识。例如，在讲“弹力”这一概念时，首先给学生做一个简单的演示实验，将一根锯条上端固定在支架上，下端放一个木块，推动木块使锯条发生形变。然后让学生对木块进行受力分析，着重分析锯条对木块的作用力。通过观察分析使学生认识到，这个力是由哪个物体发生形变产生的？作用在哪个物体上？方向怎样？最后在学生获得感性认识的基础上，总结出弹力的概念。
再如讲静电屏蔽时，先用一个带电的绝缘金属球靠近验电器，由于静电感应作用，验电器的箔片张开；然后用一金属网将验电器罩住，再将带电体靠近时箔片并不张开。接着问学生：
这两次实验有什么不同呢？为什么第一次实验中箔片张开，而第二次实验中箔片不张开呢？经过观察和分析，学生便能很好地了解和掌握静电屏蔽的概念。
类似这样的一些实验属于引入性实验，它是教师为了讲述某一个概念或规律，先通过演示实验引导学生观察和分析物理现象，然后运用科学思维的方法引入物理概念，找出物理规律，形成新的认识，做这种实验时，必须注意如下几点：
(1)演示现象必须有利于概念的引入。我们通常可以用不同的实验和多种实验方式引入一个物理概念，但选择的实验好坏直接影响学生对概念的理解和形成。这就要求所选择的实验必须具有典型性、代表性、实验装置要简单，实验方法不能太复杂，防止分散学生的注意力。演示的现象要显明，可见度好，能使学生清晰地观察到现象的产生和变化的全过程。通过演示实验使他们对物理现象产生的因果关系，有一个深刻的印象。
(2)演示过程必须遵循学生认识事物的规律。实验是认识客观事物的一种特殊形式，它能把感性认识和理性认识所具有的特征结合起来。
这就必须作到实验目的要明确，预先有计划。先观察什么？后观察什么？做到由简到繁，由表及里，步步深入，使学生的认识随着演示过程不断提高。这样就能激发学生的求知欲，培养学生的观察力和分析能力。
(3)实验结果要能充分揭露物理事实或物理现象的本质，体现概念的本质属性。
推导性实验这种实验主要是用于定律、原理、公式的推导。例如，在讲惯性定律时，首先仿照伽利略斜面实验的设计思想，做了一组演示实验，使一个小车以相同的初速度依次在几个粗糙程度不同的平面上运动。学生可以明显地看出，平面越光滑，小车运动的距离就越远。
接着把一物体置于气垫导轨上，当推一下物体时，物体将近似地做匀速直线运动。然后向学生指出，如果在没有摩擦和任何其他阻力的情形下，从实验中可以想象到物体将沿着这平面以恒定的速度持续运动下去，进而总结出牛顿第一运动定律。又如在讲力的平行四边形法则时，将一弹簧秤挂在支架上，先在弹簧秤上挂500克的钩码，则弹簧秤的示数为500克。然后在弹簧秤下栓两根细绳，跨过定滑轮后分别挂300克和400克的钩码。调整两绳间的夹角，使弹簧秤的示数仍指在500克处。这时，可以量出两绳的夹角恰好是直角。若以两绳为邻边画出平行四边形，则两邻边边长与其对角线之比正好是3∶4∶5，进而总结出两个互成角度的共点力合成的平行四边形法则。
从上面列举的实验可以看出，这种推导性实验是通过观察实验、分析实验数据，找出各物理量之间的关系，从而导出结论、建立公式或推出规律。因此，在做这种实验时，除了注意引入性实验的各点外，还必须特别注意做到数据准确和物理事实的可靠性。否则就不能正确地导出结论和规律，容易造成错误概念，影响对定律、定理、公式的正确理解。
