高中物理实验室

我们把测量中能够直接读出的数字加上有可能估读出的数字统称为测量结果的有效数字，前者称为可靠数字，后者称为不可靠数字。这里所说的有可能估读出的数字是指例如刻度尺、温度计、指针式电表等直读式的仪器，可以而且要求估读的最小刻度以下的一位数字。　　有效数字的位数与十进制单位的变换无关，即与小数点的位置无关，用以表示小数点位置的"0"不是有效数字；同样，由于单位变换在由测量所得到的数字后面的0也不是有效数字。例如，某次测量长度的结果是750厘米，有效数字是3位，在单位变换时也可写成0．0750米，或75000微米，仍然只有3位有效数字。为了避免混乱，物理实验和数据处理中采用科学计数法，就是任何数值都只写出有效数字，而数量级则用10的幂数表示，例如上述数字可以写成7．50×10^－2米或750×10⁴微米。

在测量时，即使排除了产生系统误差的因素（实际上不可能也没有必要绝对排除），进行了精心的观测，仍然会存在一定的误差，这类由于偶然的或不确定的因素所造成的每一次测量值的无规则变化（涨落），叫做偶然误差，或随机误差。产生偶然误差的原因很多，例如观测时目的物对得不准，读数不准确，周围环境的偶然变化或电源电压的波动等因素的影响，难以确定某个因素产生的具体影响的大小。

　 　偶然误差的存在使每次测量值偏大或偏小是不定的，但它并非毫无规律，它的规律性是在大量观测数据中才表现出来的统计规律。在多数物理实验中，偶然误差表 现出如下的规律性：①绝对值相等的正的和负的误差出现机会相同；②绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的机会多；③误差不会超出一定的范围。

　　设n次测量值N₁、N₂、......、N_n的误差为ε₁、ε₂、......、ε₃，真值为N′，则

　　（N₁－N′）＋（N₂－N′）＋......＋（N_n－N′）＝ε₁＋ε₂＋......ε_n。

将上式展开整理后，等式两边分别除以n，得出1/n(n₁＋n₂＋＋......＋N_n)－N′＝1/n（ε₁＋ε₂＋......ε_n）。

上式表明，平均值的误差等于各测量值误差的平均。由于测量值的误差有正有负，相加后可抵消一部分，而且n越大相抵消的机会越多。因此我们可推断出以下结论：

　　①在确定的测量条件下，减小偶然误差的办法是增加测量次数。

　　②在消除数据中的系统误差之后，算术平均值的误差将由于测量次数的增加而减小，平均值即趋近于真值。因此可取算术平均值作为直接测量的最接近的真值（最佳值）。

　　高中阶段的学生实验中，教师安排实验时要注意减小系统误差的影响，对于存在有零点值的仪器，要指导学生进行校准或者对结果进行修正。但是中学阶段的实验是学习性质的实验，不必在提高测量的精确度方面下过多的功夫，一般的实验误差能控制在5％以内就行了，少数实验，例如热学实验、测定万有引力的实验，误差还会更大一些。同一条件下的实际测量次数也不必过多，学生实验中多数只要求测4－6次。

(选自：《高中物理学生实验》)

在物理实验中，对于待测物理量的测量分为两类：直接测量和间接测量。直接测量可以用测量仪器和待测量进行比较，直接得到结果。例如用刻度尺、 游标卡尺、停表、天平、直流电流表等进行的测量就是直接测量。间接测量则是不能直接用测量仪器把待测量的大小测出来，而要依据待测量与某几个直接测量量的 函数关系求出待测量。例如重力加速度，可通过测量单摆的摆长和周期，再由单摆周期公式算出，这种类型的测量就是间接测量。每一 个物理量都是客观存在，在一定的条件下具有不依人的意志为转移的客观大小，人们将它称为该物理量的真值。进行测量是想要获得待测量的真值。然而测量要依据 一定的理论或方法，使用一定的仪器，在一定的环境中，由具体的人进行。由于实验理论上存在着近似性，方法上难以很完善，实验仪器灵敏度和分辨能力有局限 性，周围环境不稳定等因素的影响，待测量的真值是不可能测得的，测量结果和被测量真值之间总会存在或多或少的偏差，这种偏差就叫做测量值的误差。

　　设被测量的真值为N′，测得值为N，则测量误差Δ′N为Δ′N＝N－N′。

　　误差存在于一切测量之中，而且贯穿测量过程的始终。每使用一种仪器，进行一次测量，都会产生误差，没有误差的测量结果是不存在的。在误差必然存在的情况下，测量的任务是：

　　（1）设法将测得值中的误差减至最小。

　　（2）求出在测量的条件下，被测量的最近真值（最佳值）。

　　（3）估计最近真值的可靠程度（接近真值的程度）。因此要研究误差的性质和来源，以便采取适当的措施，达到最好的结果。

(选自：《高中物理学生实验》)

课堂实验是学生实验的主体部分，要搞好这一环节，应抓好这样几项工作：

　　（1）实验前的检查学生在实验前必须检查一下自己的实验桌上的全部仪器和器材，是否都齐备、完好。有问题可找教师，不要乱拿其他组的仪器。

2）安装和调试实验仪器许多实验在进行之前，都要安装和调试仪器，这是一种基本训练。一定要让学生按照规范要求进行安装和调试，教师不要把仪器或线路事先都安装好、调试好。

　　下面列举一些安装和调试中的注意事项。

　　①安装仪器和线路时，要尽量做到便于操作、观察和读数。

　　②危险和易倒易碎的仪器（如酒精灯、支架、电表、玻璃器皿等）不要放在桌子边缘和容易碰到的地方，以确保安全。

　　③灵敏度高的仪器（如学生天平等）有制动器，不测量时，应使仪器处于制动状态。

　　④有小包装盒的仪器，如停表、温度计、砝码、电表等，用完以后要放入盒中。

　　⑤拧动仪器上的旋钮或转动部分时，不要用力过猛。

　　⑥有零点的仪器（如测力计、电表等），要注意必要时调零。

　　⑦透镜、三棱镜等光学元件，不准用手摸或用布擦其光学表面，砝码要用镊子夹取。

　　⑧使用电学仪器要注意电源电压、极性，并需经教师允许后才能接通电源。中学实验中所用电压低，但也要让学生养成严格操作，不用手触摸电路中的裸露部分的习惯。

　　⑨电路中的导线要用整根完好的绝缘导线，并且在接线柱上连接，不准将两根导线直接扭接在一起。

　　（3）观察和测量按照已经确定的实验步骤和实验内容，一步一步地进行实验。观察和测量时同一小组的同学可有所分工，但都要动手动脑。观察和读数时注意力要集中，姿势要正确。

　　如发现实验中有异常现象，如电路中某一部分过热、甚至产生焦臭味时，应迅速断开电源并报告老师。

　　实验结束后，应将所有的实验仪器和器材清理好。保持清洁整齐，恢复到实验前的状态。如有损坏或丢失，要及时报告老师。

　　（4）记录实验记录是实验过程中的原始资料，一定要认真记录，不要随便写在纸上，因为如果原始记录零乱，不仅容易丢失，而且重新整理数据时容易产生错误。

　　实验数据一般是填写在预先设计好的表格中，并注明单位。可以鼓励学生及时记下实验的简单过程和观测到的现象，以便讨论。

　　有些实验要记下实验时的室温、湿度和气压。

　　要注意不要让有的学生每次实验时只当记录员，要求人人有动手的机会，也有记录的机会。

　　测量结束后要进行必要的数据处理，多次测量时还要计算算术平均值。这种数据整理工作，应尽可能在实验课上完成，如果发现数据有问题，还可以进行补充测量。因此在计算结束之后再收拾仪器比较好。

　　在学生进行实验操作时，教师应在实验室巡视，个别学生在操作或对仪器的使用上有错误应及时作出指导；对于全班存在的倾向性问题，应向全班同学进行纠正。这样，可以使学生在实验过程中能正确进行操作，减少误差，防止不应有的事故。

(选自：《高中物理学生实验》)

根据高中物理学生分组实验的要求，应该切实注意这样一些问题：

　　1．安排好实验内容，突出分组实验的重点

　 　要把与主要物理原理和定律有关的实验，包含有基本实验方法的实验，进行基本实验技能训练的实验作为实验教学的重点，在条件允许的情况下，尽量多开一些实 验，以保证基本的东西有一定的重复性，实验方法和仪器的多样性。在安排实验内容时，要把每个实验的具体目的和要求与总的实验教学的目的和要求一致起来。

2．加强实验的基本训练

　　加强实验的基本训练的主要要求是：

　　（1）基本测量方法的训练。在高中学生实验中，基本物理量的测量占有相当的比例，如长度，时间（包括时空定位、周期、频率等），质量，速度，加速度，各种力（如摩擦力、表面张力、库仑力、洛伦兹力等），电阻，电压，电流[强度]，折射率，焦距，波长，等等。围绕这些物理量的测量，应对学生进行一些基本的测量方法的实验训练。

　　（2）基本实验仪器使用的训练。高中学生实验中所用的仪器有许多是基本的测量仪器，学会使用这些仪器，不仅是进一步学习和深造的需要，也是工作和生活的需要。如游标卡尺、外径千分尺（螺旋测微器）、秒表、天平、打点计时器、电阻箱、滑动变阻器、电流表、电压表、多用[电]表（万用电表）、示波器、光具座、分光镜等都是一些基本仪器。

　　（3）动手能力和手脑并用能力的训练。实验中要尽可能让学生自己安装实验装置，调试仪器，独立完成实验。例如像单摆这样类型的实验，对于训练学生的这种能力就很有好处。

　　（4）正确记录实验数据、分析处理实验结果和书写实验报告的训练。教师在教学中不能忽视这种训练，因为这种能力的培养，也和其他能力的培养一样，要靠长期的积累和努力才能形成。

　　3．培养良好的实验习惯和实事求是的科学态度

　　（1） 不要草率地做实验。有的学生为了抢时间，实验时草率从事，这样做是十分有害的。因为要达到实验的各项目的，完成各项基本训练，就要使学生领会操作方法，增 加对实验过程的注意。许多实验要求在相同的条件下重复测量，有时要改变某一条件再进行测量，都需要认真观察实验现象，记录数据，并注意发现问题。而匆忙、 草率地做实验难于达到实验训练的要求。

　　（2）养成良好的习惯。基本实验仪器的使用都有一定的严格要求，例如，对于测量仪器的使用，要养成注意量程和进行零点调整的习惯；在做电学实验时，养成先检查电路，然后再闭合开关的习惯。对待实验课要养成先认真阅读实验课文、作好预习而后动手实验的习惯，等等。

　　（3）正确对待实验结果。要让学生对自己的实验结果具有信心，不要盲目相信别人的结果，更不能随便更改实验数据或抄袭别人的结果。实验误差过大时，要冷静地分析原因，要鼓励学生和教师讨论问题。

　　（4）要爱护教学仪器。要让学生了解实验仪器的作用、性能，并学习正确使用的方法。乱动教学仪器和不敢用实验仪器都是要克服的毛病。实验结束后要求学生整理好实验仪器，检查仪器零件是否有丢失和损坏的现象，如有应及时报告。

(选自：《高中物理学生实验》)

        由于间接测量量是直接测量的一些量通过一定的公式运算而得到的，因此需要知道有效数字的运算规则，这样可以避免一些无用的繁琐计算，而且不致于由于计算而引进误差，影响到最后的结果。

　　运算后判断有效数字位数的一般规则：

　　（1）实验后计算绝对误差时，用绝对误差决定最后结果的有效数字。

　　误差一般只取一位有效数字，间接测量量的有效数字是到误差所在的位数为止。

　　（2）实验后不计算绝对误差时，测量结果有效数字位数可按下述规则粗略确定。

　　①加减运算后的有效数字

　　加减运算后结果的绝对误差等于参加运算的各数值误差之和，因此运算后的误差大于参与运算各数中任何一个数值的误差，这样加减运算后小数点后有效数字的位数，可估计为在参加运算的各数中，与小数点后位数最少的相同。

　　②乘除运算后的有效数字

　　乘除运算结果的相对误差等于参加运算各数值的相对误差之和，因此运算结果的相对误差大于参加运算各数值中任何一个的相对误差。一般说来有效数字位数越少，其相对误差就越大，所以乘除运算后的有效数字位数，可估计为与运算中有效数字位数最少的相同。

　　（3）有效数字运算中须注意的几个问题①物理公式中的非物理常数，如动能公式1/2mv²中的1/2，由于它不是测量值，在确定结果的有效数字位数时不必考虑1/2的位数。对于物理常数或数学常数，如万有引力常数G、π等，在运算中可以取比有效数字位数最少的数值多一位。

　　②对数运算时，首数不算有效数字。

　　③首位数是8或9的m位数值的相对误差和首位数是1的m＋1位数值的相对误差相似，因此在乘除运算中，计算有效数字位数时，对首位数是8或9的可多算一位。

　　④有多个数值参加运算时，在运算过程中应比按有效数字运算规则的多保留一位，以防止由于多次取舍引入计算误差，但运算最后仍应舍去。

　　⑤尾数的舍入法则——尾数凑成偶数

　　现在通用的尾数舍入法则是：尾数小于5则舍，大于5则入，等于5则把尾数凑成偶数。例如3．205取三位有效数字为3．20，而3．215取三位有效数字则为3．22。这种法则与老的四合五入的法则相比，对于大量尾数分布几率相同的数据来说，如果采用四舍五入法则总是入的几率大于舍的几率，新的法则入和舍的几率则是一样的。

(选自：《高中物理学生实验》)

    物理实验中有许多物理量是通过间接测量而得到的，即把若干个由直接测量而得到的相互独立的物理量的数值X₁、X₂……X_m，通过一定的函数关系式Y＝F（X₁，X₂……X_m），求出间接测量值Y。

　  表达各直接测量值误差与间接测量值误差之间的关系式，称为误差传递公式。

(选自：《高中物理学生实验》)

　　这是人们在测量中常常容易混淆的三个名词，虽然它们都是评价测量结果好坏的，但涵义有较大的差别。

　　1．测量的精密度高，是指偶然误差较小，这时测量数据比较集中，但系统误差的大小并不明确。

　　2．测量的准确度高，是指系统误差较小，这时测量数据的平均值偏离真值较少，但数据分散的情况，即偶然误差的大小不明确。

　　3．测量精确度（也常简称精度）高，是指偶然误差与系统误差都比较小，这时测量数据比较集中在真值附近。

 

(选自：《高中物理学生实验》)

系统误差的来源有以下方面：

　　（1）仪器误差　这是由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使用仪器而造成的。如仪器的零点不准，仪器未调整好，外界环境（光线、温度、湿度、电磁场等）对测量仪器的影响等所产生的误差。

　　（2）理论误差（方法误差）　这是由于测量所依据的理论公式本身的近似性，或实验条件不能达到理论公式所规定的要求，或者是实验方法本身不完善所带来的误差。例如热学实验中没有考虑散热所导致的热量损失，伏安法测电阻时没有考虑电表内阻对实验结果的影响等。

　　（3）个人误差　这是由于观测者个人感官和运动器官的反应或习惯不同而产生的误差，它因人而异，并与观测者当时的精神状态有关。

　　系统误差有些是定值的，如仪器的零点不准，有些是积累性的，如用受热膨胀的钢质米尺测量时，读数就小于其真实长度。系统误差的出现一般都有较明确的原因，但需要对具体问题进行认真细致的分析，要设法找出其主要原因，然后采取措施消除它的影响或者是对测量结果进行修正。

　　需要注意的是，系统误差总是使测量结果偏向一边，或者偏大，或者偏小，因此，多次测量求平均值并不能消除系统误差。

(选自：《高中物理学生实验》)

　　实验总结可分为两部分，其中一个内容是让学生自己动手写实验报告，这是学生实验的基本训练之一。对于高中学生一般应让学生独立完成实验报告。

　　实验报告应包括：实验名称、实验目的、仪器和器材、实验记录、数据整理和结果分析等项目，必要时或学生基础好的情况下，还可增加实验原理、实验步骤、回答问题和讨论等。

　　实验报告的重点要放在数据整理和结果分析上。在数据整理中，要求学生不能更改原始数据，要对实验结果进行实事求是的分析，找出产生误差的主要原因。鼓励学生对实验提出改进意见和自己的见解，鼓励学生提出问题和教师进行讨论。

　　实验总结的另一内容可以是教师根据实验和实验报告中存在的普遍问题，在全班进行评讲，也可以是引导学生分析实验误差产生的原因，也可以师生共同对实验结果进行讨论。这种总结的目的在于扩大实验成果，发展学生的能力。

(选自：《高中物理学生实验》)

          实验前的预习是学生做好实验的重要前提。预习的主要作用是让学生了解实验的目的、内容，作好实验前的准备工作，以帮助学生克服实验时的盲目性和随意性，提高实验的效果。为了搞好预习，教师一定要让学生明确预习的内容和要求，教给他们预习的方法，并严格检查预习的效果。

　　预习内容一般包括：熟悉实验所涉及的物理基础知识；明确该实验的目的要求；搞清实验原理或设计思想，从而确定实验方法和步骤；了解所用的仪器和器材，知道它们的结构和使用方法；预计可能在实验中出现的问题及解决办法；设计好记录表格。

　　预习的方式一般采用学生自学的方法，教师可以根据预习要求设计一些预习思考题帮助学生预习。有条件的地方可以在实验室预习，如果建立了实验室开放制度，还可以采取更灵活的预习方式。

(选自：《高中物理学生实验》)

　物理学是一门以实验为基础的科学，物理学中许多重要的定律、概念和理论都是通过实验，对大量的物理现象进行分析、归纳、比较和综合后总结出来的。物理实验是物理学习的一个重要方面。

　　高中物理学生实验的作用，首先是能够加深学生对物理概念和规律的理解。教学过程虽然是以间接知识为对象的特殊认识过程，但是仍然需要遵循从感性到理性，从实践到理论这样一个认识规律。物理实验能够为学生理解物理知识提供丰富的感性知识和实践机会。马克思说过“物理学家是在自然过程表现得最确实、最少受干扰的地方考查自然过程的，或者，如有可能，是在保证过程以其纯粹形态进行的条件下从事实验的”。由于物理实验的“最确实，最少受干扰的”特点，使物理学家能很好地发现和认识规律；同样，物理实验也能在课堂上创造合适的物理环境，使学生以最有效的方式掌握物理知识。

　　其次，物理实验有助于学生的能力发展，发展学生能力是教学改革的一项重要任务。近代科学的发展进程表明，实验是科学发展的重要基础，没有实验所显示的现象，就很难突破传统观念的束缚。在教学中，让学生既动手、又动脑，自己去探索和验证规律，有利于发展学生的思维，开发智力，形成能力。实验能力是区别于一般实验技能技巧的更高层次的概念，对于高中学生来说，它主要是指根据实验的目的和要求，制订实验方案、步骤，设计记录表格，合理地选择仪器，正确地使用仪器进行测量，分析整理实验结果，得出必要结论的能力。实际上，学生实验是思维能力、实验能力综合训练的过程，也是学生创造能力得以产生的源泉。我们应该从实践与思维，动手与动脑的相互关系来认识学生实验的作用。

　　再其次，学生实验有利于学生学习科学实验的方法。物理实验可以在一定程度上模仿物理学的研究过程，让学生主动学习和探求物理规律，学习科学研究的方法，比如探索物理规律的方法（探索性实验），验证物理规律的方法（验证性实验），理想化实验的方法等。

　　最后，学生实验有利于培养学生科学的态度，形成良好的习惯。学生实验可以加深学生对物理学的热爱，进一步激发对物理科学的兴趣。通过学生实验可以使学生树立尊重客观实际，严肃认真，一丝不苟的科学态度，可以形成按照基本仪器的使用方法和使用程序，按照实验要求做实验的良好的实验习惯。

　　为了达到高中物理分组实验的要求。除必要的物质设备条件外，教师是一个关键因素。每位物理教师都应明确实验教学的重要作用，不断提高自己的实验教学水平。实验教学水平应包括教师本人对实验内容的理解，教师的实验技术水平以及教师对分组实验的内容安排，组织指导，分析总结等。当前加强分组实验的教学，一方面要提高教师的实验水平，另一方面应加强实验教学的研究。有些地方为克服器材不足的困难，采取了复式分组实验（半数学生进行实验，半数学生学习其他功课），或者两组学生交换使用某一件器材等教学方法，是值得借鉴的。

(选自：《高中物理学生实验》)

	品名	用处	型号	单位	数量
1	橡皮条	验证力的平行四边形定则		个	60
2	细绳	验证力的平行四边形定则	D=2mm	米	30或1卷
3	图钉	验证力的平行四边形定则		盒	4
4	小灯泡	描绘小灯泡的伏安特性曲线	2.5v，0.3A	个	100
5	干电池	测定电源电动势和内阻	1号	节	60
6	大头针	测定玻璃的折射率		盒	2
7	导线	描绘小灯泡的伏安特性曲线 测定电源电动势和内阻 测定金属的电阻率		米	红色	50
					绿色	50
8	鳄鱼夹	与导线连用		个	500
9	插片	与导线连用		个	1000
10	电阻丝	测定金属的电阻率		米	2

        物理是一门以实验为基础的学科。实验教学是物理教学的重要组成部分，通过观察和实验可以帮助学生加深对知识的理解，发展学生的动手动脑能力，培养学生实事求是的科学精神。为更好地实施实验教学，现做计划如下：

一、实验目的

1．培养学生树立实事求是的科学精神。

2．掌握科学的实验方法。

3．培养学生初步的观察和实验能力。

4．培养学生的创新精神和团结协作精神。

二、实验重点：

本学期实验教学的重点是演示实验和分组实验。

三、实验难点：

将探究方法和创新精神用于教学中。

四、实验措施：

1．对所有演示实验和分组实验都要填写实验记录。

2．严格要求，按程序进行操作。

3．认真组织，精心辅导。

1实验室是师生进行科学实验，教研活动的重要场所，学生进入实验室必须保持安静，遵守纪律，按指定的位置就坐，不许随意搬动实验仪器，药品和其它的教学设备。

2师生在实验操作前，必须熟悉实验内容，明确实验目的和要求，了解仪器药品的性能，掌握实验步骤和方法

3学生在实验过程中应在教师的指导下严格遵守操作规程，按实验步骤进行，积极动脑动手，细心观察实验现象，真实记录实验数据，认真规范地完成实验和实验报告，养成良好的科学作用和科学习惯，如有问题和发生意外事故，要立即报告老师。对违反规程造成事故者，要酌情处理。

4学生实验操作完毕，应将仪器药品或废弃物等整理好，经老师检查后有秩序地离开实验室。

5爱好公物，节约水电和药品，对损坏、拿走仪器药品者，应批评教育并照章赔偿

6实验室专室专用，不准挪作它用。