观察与实验

物理学是一门以实验为基础的学科. 观察和实验是获得感性材料、探索物理规律、认识物理世界的基本手段，也是检验物理理论真理性的唯一标准.

■ 一、 观察

观察，主要是指人们对于物理现象在自然发生的条件下或者在有目的的实验条件下进行考察分析的一种方法. 人类科学发展史上，有许多通过观察获得重大发现的成功实例：伽利略因观察教堂里的挂灯随风摆动的等时性而发明了钟摆；牛顿因观察自由落体而发现了万有引力. 观察是人类认识自然的最基本的方法，是获得感知、为建立科学理论提供原始资料的重要途径和手段.

■ 1. 观察的类型

（1） 根据观察的手段和方法不同，可分为直接观察和间接观察.

直接观察：感官直接作用于观察对象，有直观、生动的特点. 优点：运用方便、干扰最小，比使用仪器更具有直接的现实性. 缺点：对于高难度的研究对象，在一定条件下要受到感官能力的限制. 如人的耳朵只能听到频率在20~20 000 Hz范围内的声波，对次声波、超声波是听不到的.

间接观察:是人们借助于仪器或其它技术手段间接地从外部获取感性材料的一种方法. 优点：扩大了感知的范围和种类，提高了观察的精确度和反应能力，使人们对于自然界的认识能力得到了很大的提高. 缺点：由于仪器本身的复杂性和干扰性，易带来一些认识上的错觉和误会.

（2） 根据观察的性质和内容，又可分为质的观察和量的观察.

质的观察，是考察事物具有或不具有某种属性和特征以及它与其它事物是否具有何种性质联系的一种观察方法.

量的观察，是对研究对象的某些性质和特征进行数量描述和测定的一种观察方法，其目的在于深刻地、精确地把握事物质的特征及其数量的关系.

■ 2. 观察的基本原则

（1） 客观性原则 要求观察者必须客观地、实事求是地反映所观察到的事实，既不能随意增减观察到的事实，又不能臆造一些不存在的事实.

（2） 全面性原则 在观察研究对象时，从空间上讲，要观察事物的各个方面、各个部分、各个层次；从时间上讲，要观察事物发展变化的各个阶段以及它的全过程；同时，要观察事物内部各要素之间以及该事物与外界其它事物的联系.

（3） 典型性原则 在选择观察对象时要注意选择那些能够集中反映一类事物的共性，其自然现象表现的过程较纯粹、最少干扰、最易于观察的事物作为观察对象.

（4） 辩证性原则 观察不仅要看到事物的存在，同时也要看到事物的变化，力戒孤立、静止、凝固不变的形而上学观点. 观察的辩证性还要求注意观察的时间、地点、条件和范围，不能把在特定条件下观察的结果随意延伸，应妥善处理典型性与随机性、特殊性与普遍性的辩证关系.

■ 3. 观察的作用

（1） 观察是收集科学事实，形成科学认识的基础. 物理学原理往往可以从客观实践中总结、概括、抽象而得到，这些都要通过观察来进行.

（2） 观察是检验假说和理论的重要标准之一. 哥白尼“日心说”、牛顿万有引力定律，海王星的发现都是通过观察后获得的.

■ 4. 观察的程序

观察是收集第一手材料的最基本、最常用的方法. 在科学研究上，第一手原始材料具有极其重要的价值，它是一切科学研究的起点，科研往往从问题开始，进而进行观察、调查和实验，从这个意义上讲，科学源于问题.

然而，由于人们的一切认识，包括产生的一切问题，归根到底发源于观察所得到的事实，从这个意义上讲，科学始于观察.

科学观察的一般过程可分为准备、实施观察、整理资料三个阶段，具体步骤包括：明确观察目的，制订观察计划，做好物质准备，进行实际观察，整理观察资料.

科学家法拉第曾说过：“没有观察就没有科学，科学发现诞生于仔细的观察之中. ”

■ 二、 实验

为了能够仔细观察研究某一现象或过程发生的原因、特点、量的决定因素和规律，尽可能排除外界各种干扰的影响，突出主要因素，在一定条件下使这一现象或过程重演，这就是科学实验的方法.

实验是根据一定的研究目的，运用一定的物质手段，人为地变革、控制或模拟客观对象或过程，在有利的条件下研究物理规律的方法. 实验与观察都是科学认识的基本方法，但实验方法比单纯观察方法有明显的优点，它克服了单纯观察的局限性. 实验方法源于观察，又高于观察.

■ 1. 实验思想

实验在物理学中不仅是一种方法，而且是一种思想. 实验中的物理思想超越各个具体的物理实验，是对物理实验问题的深层次思考及概括. 实验思想既体现于构成实验的诸要素（如原理、方法、条件、数据等）之中，又体现在对各个要素进行选择、运用、处理和分析之中. 具体体现在：

（1） 实验设计与制作 任何一个实验，都是在一定的理论或原理指导下设计的，这些理论或原理的本身就体现了实验的思想. 每个实验都包含着科学家认识物理世界的本来方式和实验装置的精巧构思，这是实验的精髓.

（2） 实验方法 实验方法是指在各种物理实验中使用的处理和解决问题的方法. 在中学物理的各种实验方法中，体现出了物理思想，如：伽利略的自由落体实验中，有“加速度的建立”、“大胆的猜想”、“冲淡重力”、“合理外推”等.

（3） 实验条件的控制和实验操作 在实验中调整和使用仪器装置要有目的、有步骤、有要求，操作须规范，动作要清楚明了、干净利索，如砝码不能用手拿，用温度计时手不能握住玻璃泡等. 在实验操作中，必须控制好实验条件，如平抛运动实验中，要求调节轨道出口水平，每次从同一高度释放小球等.

（4） 实验数据处理和分析 设计数据表格，正确记录及处理实验数据，给出测量对结论的判定性及结果的准确性的分析，在这些过程中体现的物理思想是：在操作测量的基础上，运用图象处理数据，分析现象，得到结论，尽可能减少数据处理的主要误差.

■ 2. 实验方法

许多物理实验具有极其丰富和精彩的物理思想，揭示了解决问题的途径和方法，这些思想指导下的具体方法已经超越了具体的实验而是有普遍的指导意义.

（1） 实验设计方法

① 放大法 为了测量、观察细小的物体，人们产生了放大的动机，在这个动机促使下，人们设计、制造了一系列精巧的物理仪器或装置. 温度计内径做得很细，以便观察的现象明显，能体现出温度的细小差别；螺旋测微器则通过螺纹将纵向的微小变化放大成圆周方向上的较大变化；卡文迪许实验装置巧妙地利用了二次放大，测出了万有引力常量.

② 控制变量法 在研究一个量与多个变量之间的关系时，有意控制其中一些变量不变，研究其中一个变量与因素的关系. 例如在研究影响加速度大小的因素时，加速度与外力、物体的质量有关，如果我们研究加速度与外力的关系，就保持物体的质量不变.

③ 转化法 把不可测的量转化为可测的量，把测不准的量转化为测得准的量. 例如弹簧测力计把力的大小转化为弹簧的形变量读出.

④ 累积法 把某些物理量（有时这些量是难以直接测量的微小量）累积后测量. 如要测量导线的直径，可以把导线密绕在铅笔上20圈，测量出宽度，再求平均值.

⑤ 留迹示踪法 把研究对象在运动变化过程中的径迹用一定的手段记录下来，能形象、直观、及时地显示出物理过程. 如通过纸带上打出的点记录小车的位移和时间，用描迹法画出平抛物体的运动轨迹.

⑥ 比较法 天平是测量质量的仪器，测量质量的过程实际上是把未知的质量与标准质量进行比较的过程.

（2） 实验数据处理方法

① 直接寻求两个物理量之间的关系

根据实验的数据予以直接阐述. 如伽利略斜面实验，当小球从静止开始沿斜面滚下时，每隔一定时间间隔所通过的位移之比为12 ∶ 22 ∶ 32……，从而得到位移与时间平方成正比的结果.

② 逐差法 将实验数据按前后顺序每隔一定项数进行分组，然后对应项相减. 例如在测定匀变速直线运动的加速度这个实验中，测得连续相等时间Ｔ内的位移分别s1、s2、s3……s6. 得加速度a=■，由于充分利用了数据，可以减小偶然误差.

③ 图象法 把数据之间的关系直观地显示出来，这是最常用的方法之一. 图象法具有以下优点：可以去掉测量误差较大的数据；有多次测量取平均值的作用；能简便地从图中求出实验需要的某些结果；可直接读出在实验条件内没有观测到的某些值，或把图线延伸得到测量范围以外的数据；通过坐标变换将较复杂的函数关系用直线表示出来.

■ 3. 实验程序

（1） 实验设计 周密的实验设计应包括确立进行实验的理论基础，以便在实验中不断得到正确指导；也包括对实验仪器效用的了解，以便在实验后能正确地分析其结果，还包括对各种可能出现的偶然情况的估计，以便在随机情况出现时能及时加以排除.

在探究加速度与力和质量的关系实验中，放在木板上的物体肯定要受到木板的摩擦力，给实验的设计带来了新的思考：摩擦力无法克服，能否尽量减小摩擦力的影响？自然界摩擦力最小的环境是空气中，若能将物体悬浮在空气中，就能使摩擦力减小到比较理想的状态（近似为零），于是气垫导轨装置就出现了. 但其因为经济等原因不具有普遍性，于是人们又在探寻更简单的办法，平衡摩擦力的思想又出现了，就有了在木板的一端垫高，让重力沿斜面的分力来平衡摩擦力的办法.

（2） 实验实施 即操作流程，它是实验能否正确完成的规范. 只有照此办理，才能克服、避免我们实验操作中的随意和失误，以高效、简洁的操作工艺求得科学的真实和规律的本源. 实验程序的实现过程便是科学思想的成熟过程，认识和灵感的深化和升华过程.

（3）实验数据的处理和分析 对通过自己亲自实验获得的实验数据，做出科学的分析和归纳，得到实验的结论. 结果分析是根据已有理论或提出新假说对实验结果进行合理说明的问题.

■ 4. 实验的作用

实验可以简化和纯化研究对象，即根据研究的目的选出和突出主要因素，舍弃和排除次要、偶然因素，使需要的属性或关系在简化、纯粹的形态下暴露出来，以形成准确认识.

实验可以强化和激化研究对象，即根据研究的需要可以人为地创造特殊条件，改变事物存在的状态，甚至将其推向极端状态，以便显示其规律.

实验可以再现和重演自然过程，即通过人为的控制，对于昙花一现、时过境迁、规模大、周期长的事物和现象，使其再现、重演，缩小其规模，减短其周期，以达省时省力、经济快速地认识的目的.

■ 5. 实验类型例析

（1） 探究性实验：这类实验旨在通过实验探索某种物理规律、研究某个物理问题. 这类实验安排在有关知识的教学之前进行，或可作为教学同时进行实验. 其目的是让学生通过实验观察，对尚未学过的知识有一感性认识，并可归纳得出初步结论，为进一步学习有关规律打下基础.

■ 例1 某同学用如图1所示装置做探究弹力和弹簧伸长关系的实验. 他先测出不挂砝码时弹簧下端指针所指的标尺刻度，然后在弹簧下端挂上砝码，并逐个增加砝码，测出指针所指的标尺刻度，所得数据列表如下：（重力加速度g＝9.8 m/s2）

（1） 根据所测数据，在坐标纸上作出弹簧指针所指的标尺刻度x与砝码质量m的关系曲线.

（2） 根据所测得的数据和关系曲线可以判断，在_____N范围内弹力大小与弹簧伸长关系满足胡克定律. 这种规格弹簧的劲度系数_____N/m.

■ 解析 （1） 标尺刻度x与砝码质量m的关系曲线见图2.

（2） 根据曲线可以判断，在0～5.0 N范围内弹力大小与弹簧伸长关系满足胡克定律；弹簧的劲度系数为25.0 N/m

（2） 验证性实验：这类实验要求用实验的方法来验证科学家已归纳、总结和已证明的结论，通过实验过程的再现，加深对规律适用条件和结论的理解. 这类实验安排在学习过有关知识之后进行，要求学生定量分析实验数据，从中得出结论，并与所验证的定律作比较，以达到验证目的. 如果实验结论与物理定律有偏离，还应分析产生误差的主要原因.

■ 例2 在验证机械能守恒定律的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，查得当地的重力加速度g=9.80 m/s2，测得所用重物的质量为1.00 kg. 实验中得到一条点迹清晰的纸带如图3所示，把第一个点记做O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点. 经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为62.99 cm、70.18 cm、77.76 cm、85.73 cm. 根据以上数据，可知重物由O点运动到C点，重力势能的减少量等于_____J，动能的增加量等于______J. （取3位有效数字）.

■ 解析 重力势能的减少量等于重力做的功W＝mgh=mg・OC=1×9.8×77.76×10-2 J＝7.62 J.

动能的增加量等于mv2C/2，vC为BD段的中间时刻的瞬时速度，等于BD段的平均速度.

即vC=（85.73-70.18）/0.02×2=388.8 cm/s，

ΔEk=0.5×1×v2C=7.56 J.

（3） 基本技能性实验：熟悉某些基本测量仪器的操作与使用的实验. 这类实验的目的是训练实验操作技能，能正确操作和使用. 例如游标卡尺、螺旋测微器、打点计时器、天平、测力计等的使用.

■ 例3 图4为弹簧秤测力的示意图，该弹簧秤的量程为_______N，测量值应为_______N.

■ 答案 50；27.

（4） 测量性实验：这类实验以某一原理或物理规律（公式）为依据，通过测量相关的物理量，从而实现测定某个（或某些）物理量或物理常数为实验目的. 这类实验的目的是让学生运用已掌握的知识和熟悉的器材，测定某些物理常数和物理量，要求学生理解实验所依据的原理，明确实验的条件、步骤和过程.

■ 例4 一个有一定厚度的圆盘，可以绕通过中心垂直于盘面的水平轴转动. 用下面的方法测量它匀速转动时的角速度.

实验器材：电磁打点计时器，米尺，纸带，复写纸片.

实验步骤：

（1） 如图5所示，将电磁打点计时器固定在桌面上，将纸带的一端穿过打点计时器的限位孔后，固定在待测圆盘的侧面上，使得圆盘转动时，纸带可以卷在圆盘侧面.

（2） 启动控制装置使圆盘转动，同时接通电源，打点计时器开始打点.

（3） 经过一段时间停止转动和打点，取下纸带，进行测量.

① 由已知量和测量量表示的角速度的表达式为ω=________，式中各量的意义是：__________________________________.

② 某次实验测得圆盘半径r=5.50×10-2 m，得到的纸带的一段如图6所示，求得角速度为_____.

■ 解析 ① v=（x2-x1）/（n-1）T，又v=ωr，因此ω=（x2-x1）/（n-1）T，T为打点计时器打点的时间间隔，r为圆盘的半径，x1、x2是纸带上选定的两点间分别对应的米尺上的刻度值，n为选定的两点间的打点数（含两点）.

② 6.8 rad/s

（5） 设计性实验：由学生根据实验目的，运用已掌握的物理规律、实验方法，选择熟悉的仪器、器材、自行独立设计的新的实验构想或方案. 设计方案涉及到对实验原理的认识和理解，包括选择合理的实验方法，配置合适的实验器材，安排正确的实验步骤，设计科学的数据处理方法，采用客观的误差分析方法，最后给予总结和评价.

■ 例5 如图7所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮. 车轮转动时，A发出的光束通过旋齿上的间隙后变成脉冲光信号，被B接受并转换成电信号，由电子电路记录和显示. 若实验显示单位时间内的脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量或数据是_____________；小车速度的表达式为v=________；行程的表达式s=______.

■ 解析 由题意可知，D与C同轴，即在相同时间内D、C所转的圈数应相同，又知每次通过D上的齿间隙发送一个脉冲，齿的间隙数等于齿轮齿数p，而求小车速度与行程必须知道车轮的半径R.

由单位时间内D所转圈数为n/p可知小车速度为2πR・n/p，小车行程为2πR・N/p.