五、物理实验中的常用设计原理和方法

一般实验并不能完全满足教学的要求，无论是现象、变化太小或太大，还是变化过程太快或太慢，都不适宜于在课堂教学中直接观察和测量，往往希望采用各种方法、手段，或调整观测对象，或改善观测方法，以使教学实验最后达到预期的教学目的、教学效果。

在现象、变化、待测量很微小的情况下，可采用“放大”的方法。放大的方法很多，放大的对象也各不相同。①“机械放大”。螺旋测

微计、游标卡尺是对“长度”的放大；如图 6—3 所示，在倒放的凳脚上钉两只图钉，图钉上各挂一根铜丝，水平铜丝的另一端用铅直铜丝推压着而不致掉下来，它的热胀冷缩由铅直铜丝的偏转显示出来。这是利用“杠杆原理”的放大；水压机则可看作是对“力”的放大。②“光放大”。望远镜、显微镜是用透镜来放大；照相机是用透镜来“缩小”；光杠杆、光标检流计等是利用镜面反射原理来放大；投影式电表、教具借助投影仪来放大。③“电放大”。用数码管显示电阻、电压、电流或温度的数值是一种电和光放大；④喇叭、蜂鸣器是对声的放大等。

“转换”法。

许多特征、过程或物理量要想直接进行观测有困难，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。例如，力学量的光测法、电测法是一种转换法。又如，要证实平抛物体竖直方向的分运动与自由落体运动有相同的规律，在教学过程中要直接测量它们运动时的速度、加速度等来比较是不适宜的（费时、费力且效果不一定好），然而让两个小球分别做平抛运动和自由落体运动从同一高度同时落下，比较它们是否同时着地，就可以证明它们的规律是否相同了。这里是把定量测量转换为定性观察，是研究方法的转换。再如，用插在瓶塞上的毛细管里液柱的高低来显示物体（瓶）的微小形变；用毛细管中液滴的位置来显示烧瓶内气体的热胀冷缩，变化很显著；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，用灯的明暗来反映它的弯曲，则效果很好。这些都是用的转换法。

利用平衡、等效、补偿等原理。

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、相当或相反来制作仪器、进行测量，这就是所谓利用平衡（等效、补偿）原理。如弹簧秤的工作原理是力的平衡，天平的原理是力矩的平衡，温度计的原理是热的平衡，电桥是利用电路平衡，电位差计是用补偿法测电压，等等。

累计求平均的方法。

对微小量的测量，用累计后求平均的方法能减小相对误差。如薄纸的厚度可测 n 层后平均而得，细丝的直径可绕 n 圈后测出，单摆的周期计几十次摆动的时间平均而得，等等。

利用比较、对比、类比等方法。

比较就是在一定的实验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在不同条件下的变化情况等。

例如，在研究浮力时，可以比较规则、不规则形状的物体在同种液体中所受的浮力、给定物体在不同液体中所受浮力、密度大于和小于液体的固体在液体中所受浮力及它们与物体浮沉之间的关系等。

比较方法的关键在于要从表面上风马牛不相及的事物间找出它们的同一性，而从表面上类同的事物间找出它们本质上的差异性。例如，比较机械振动、机械波与电磁振荡、电磁波，则不难发现它们之间的异同；比较极小面积上的漫反射与镜面反射的情况，可以看出它们本质上是一致的。类比的方法是将一种特殊对象的知识，迁移到另一类对象去的思维方

法，在实验中也有应用。例如，电力线用磁力线来类比；卢瑟福原子模型以太阳系模型来类比；声的折射、反射、衍射以光的折射、反射、衍射来类比等。