第一节 分析原理是研究实验的基本方法

如果我们刚接触一个实验，怎样对这个实验进行分析研究呢？下面， 我们先通过两个简单的实验研究实例，看看实验研究的基本方法是怎样 的。

低压沸腾实验

在瓶里装入低于 100℃的水，用针筒抽气降压，就可看到水也会沸腾， 如图 3-1 所示。

这一实验看起来简单，但不一定能成功。怎样才能确保实验成功呢？ 对此，可这样分析（简述）。

1. 实验目的：说明压强减小、沸点降低。

2. 实验要求：明显地显示出减小瓶内压强（抽气）后，瓶内原来不沸腾的水发生沸腾（冒气泡）的现象。

3. 实验原理：抽气→减压→沸点降低→沸点低于水温→沸腾。

4. 实验关键：水温要高于被降低的那个沸点。这要由两个因素共同决定：①水温；②降压的程度。

5. 对实验器材（和实验条件）的要求：

①水温不要太低（例如在 85℃以上）。

②瓶内的水不能装得太少。例如，要在保证针筒活塞抽出的过程中， 至少能使瓶内水面上面那部分空气的体积增大 1 倍以上，这样，气压就降到原来的一半以下，水的沸点就降到 85℃以下。

③橡皮管不能太长、太软，瓶塞等处不能漏气。满足了上面三个要求， 也就解决了实验的关键问题，就能确保实验成功。

直导线切割磁力线产生感应电流实验

这是一个最基本的电磁感应实验。这个实验在初高中的物理教学中都要演示，如图 3-2 所示。

1. 实验目的（略）。

2. 实验要求：当直导线切割磁力线时，电流计指针有明显的偏转，

   以清楚地表明感应电流的产生。

3. 实验原则：切割磁力线 → 产生感应电动势（ε = Bvli sinθ

• 在^{闭合电路中→ 产生感应电流I =}

ε

（R + rA ）

→ 电流计指针偏转。

1. 实验关键：从原理分析可见，要使电流计指针偏转明显（满足实验要求），关键在于两个要素：①感应电流要大；②电流计要灵敏、可见度大。而感应电流又是由

   B，v，l，sinθ，R，rA 六个因素决定的，因此，

要使实验达到满意的效果，关键在于对上面七个因素的控制：

  B——大

  V——大

 ε——大L——大

I大 

关键 

sinθ大

 L I  ——大R——小

   R + r 

r ——小

   A   A

电流计——灵敏、可见度大

用一块永久磁铁、一只一般的演示电表、一根直导线来演示直导线切割磁力线实验，常常不能得到预期的效果，这主要是没有把握住实验关键， 对器材选择不当。

1. 对实验器材的要求：

①增大 B。用强磁性磁铁，或将几块磁铁或磁块组合在一起（这样又增大了磁场区域）。

②增大 l。可用一个线圈的一条直边。

③减小 R。导线电阻和接触电阻要尽可能小。

④减小 rA。选内阻较小的电表。

⑤显示仪器灵敏、可见度大。对此，可选择的器材有：灵敏检流计（或微安表头，对刻度和指针进行投影放大）；光点检流计（贵重、调整烦，大部分中学没有）；示波器（初中不适宜）；加电流放大器的演示电表。根据对器材的要求，就可以有目的地去选择器材。当然，并非上述要

求都要满足后实验现象才明显。事实上，上述五个要求中最重要的是①，

②，③三个要求。

1. 对实验操作的要求：

①较快移动直导线切割磁力线。

②使直导线、运动方向和磁力线三者能互相垂直。

如按上述要求选择器材和操作，能确保实验成功。从上面两个实例的分析可见，在一般情况下，从分析实验原理入手研究实验的最基本的方法是：首先，明确实验的目的、内容和要求；其次，认真研究实验原理，对定量或半定量实验，需要分析实验的误差原因及其影响程度；再次，确定实验关键；最后，对实验装置、器材和实验条件提出要求并进行选择，确定操作要点和注意事项。

上面的研究方法，对刚接触的实验或者要对实验进行初步研究是很有效的。

在原理研究中有两个问题应该特别重视。下面看一个实验研究实例。

平行板电容器的电容与两极板间距的关系的实验

1. 实验目的：说明平行板电容器的电容 C 随两极板间距 d 的增大而减小的规律，如图 3-3 所示。

2. 实验要求：当两极板间距 d 变化时，静电计指针的偏角θ有明显的变化，即△θ尽可能大。

为了方便起见，假定：①用厂制仪器进行实验，不另选仪器；②实验过程中不存在漏电现象、两极板相对面积不变；③仅考虑两靠近的极板逐渐拉开的实验过程。

1. 实验原理：

所以，当 d 由 d0→d′，变化=△d 时，有： C 由 C0→C′，变化△C；

U 由 U0→U′，变化△U； θ由θ0→θ′，变化△θ。

实验要求△θ尽可能大。显然，要使△θ大，就需要△U 大，就需要

△C 大。要使△C 大，就需要使△d 大。

1. 实验关键：要使△d 尽可能大。

2. 操作要点：将两极板拉得越开越好。

实验结果：效果不能令人满意。显然，上面的实验研究不确切或不全面。

研究 2 从上面的分析可见，要使△θ大，就需要△C 大。但△C 的大小并非仅仅决定于△d 的大小。对此，可做下面的分析。

①由 C 与 d 的反比关系图（如图 3-4）可以很直观地看出：初始位置 d 不同，初始电容 C 也不同；对于不同的初始位置 d，即使△d 相同，△C 却是不同的。

②由公式C = ε 0S 可得：

d

△C = ε0 S △d

d2

可见，△C 不仅取决于△d 的大小，还取决于初始间距 d0 的大小。

1. 实验关键：d0 要小，△d 要大。

2. 操作要点：两极板靠近些再拉开些。

实验结果：效果不能保证令人满意（△θ不稳定，且通常不很大）。研究 3 接上面分析，考虑实际情况，静电计和连线都有一定的电容（如

图 3-5）。所以，在平行板拉开的过程中，平行极板上的电荷并非不变（但是这三个并联电容器上的电荷是不变的）。静电计的电容 C 计和连线的电容 C 连是否可以略去不计呢？笔者就图 3-3 装置用 SQ18A 型万用电桥进行

了测量，结果如下：

C 计=5pF C 连=1pF

平行板的直径为 20cm。对于不同的间距 d，按平行板公式算出的电容理论近似值 C 板·理、实际测出的近似值 C 板·实以及整个装置的电容实测近

似值 C 实（C 板·实+C 计+C 连）如下表所示。

从上面的数据可见：

①静电计和连线的电容不能忽略。

②d 达 10cm 后，系统的总电容基本不变；既然 C 末基本不变，那么要使△C 大，就需要使 C 初大，即 d0 要小。

1. 实验关键：d0 要小。

2. 操作要点：d0 要小，可控制在 0.5～1cm 内；△d≥10cm 即

1可（这样可使系统的电容减小到初始电容的 左右，电位差增大3倍

3

左右）。

实验结果：效果仍不能确保令人满意。

研究 4 在这一实验中，电容的变化由电位差的变化来反映，而电位差的变化则由静电计指针偏角的变化来反映。在上面的分析中，对测量（显示）仪器——静电计的特性特别是静电计指针偏角对电位差的响应情况并没有予以考虑。我们知道，静电计指针偏角θ与电位差 U 不成线性关系。笔者用静电高压发生器和静电电压表对“文革”前的老静电计和“文革” 后的新静电计进行了测试，分别得到了它们的θ-U 关系，如图 3-6 所示。

如前所述，若 d0 约 0.5～1cm，那么极板拉开后 U 可增大 3 倍左右。从

θ-U 图线可见，要使△θ尽可能大，可使θ0 在 15°左右，这样可使△θ 在 30°以上，确保变化明显。

（4）实验关键：

①使 d0 约为 0.5～1cm。

②使θ0 在 15°左右。对此，用可感应带电的方法给极板带电，控制θ0；也可用接触带电的方法，若所带上的电荷较多，可以用手指多次快速接触连线绝缘包皮使其适当漏电的方法来控制θ0 的大小。

按上述要点操作，实验效果很好，可确保△θ在 30°以上。从这一实验的原理分析，我们可以得到两点启示。

1. 所谓实验原理，并不是仅仅指实验目的中所要说明的物理道理。广义地讲，实验原理是实验的方法、实验的装置和器材、实验过程、实验结果分析等所依据的物理道理。原理分析中所涉及的许多情况、因素和信息，

往往并没有给出，而要靠自己去寻找、收集、探究、试验。原理分析时需要一定的“理想化”、需要略去一些次要的因素或做一定的简化和抽象， 但其程度的把握是至关重要的。

1. 无论对定量实验，还是定性实验，在分析原理时，应有“量”的意识，能做定量或半定量分析的不要轻意放弃。定性分析固然简明、快捷， 但是在许多情况下，仅仅停留在定性分析的基础上是不够的，因为“量” 变常常会影响实验现象和效果（结果）的质的变化。

上面两点，在分析研究实验原理时应该予以重视。