義務教育《物理課程標準》(2011年版)中「第三部分 課程內容」中指出:課程內容由科學探究和科學內容兩部分組成。科學探究既是學生的學習目標,又是重要的教學方式。將科學探究列入「課程內容」,旨在讓學生經歷與科學工作者進行的相似的探究過程,主動獲取物理知識,領悟科學探究方法,發展科學探究能力,體驗科學探究的樂趣,養成實事求是的科學態度和勇於創新的科學精神。
因此,學習物理的最基本方法之一就是觀察和實驗,在物理實驗中要特別注意對過程和研究方法的掌握。物理學中常見的研究方法很多,其中多次測量是初中物理實驗及今後高中乃至於大學中最基本的操作和研究方法。但由於實驗目的不同,多次測量的目的和方法又有所不同。
初中物理實驗從多次實驗的目的,可以分為三類:
測量性實驗;規律性實驗;不同情況下的測量性實驗和規律性實驗。
在上述不同類型實驗中,多次實驗的目的是不同的:
一、多次測量取平均值,減小誤差
在測量性實驗中,多次測量的是同一對象(物理量)的值,誤差是不可避免的,因一次測量的數據誤差較大,為了達到測量的準確程度,就要採取多次測量取平均值的方法來減小誤差。
這是一種最基本、最簡單的方法,通常這種方法用於測定某個固定的物理量,如:
① 測量某物體的長度(多測幾次長度);
②測量某物體的速度(多測量幾次路程和時間);
③測量某電阻的阻值(多測量幾次電壓和電流)等等。
二、多次測量尋找普遍規律,避免偶然性
通過分析實驗數據尋找普遍規律,是研究物理問題的常用方法。在規律性實驗中,若通過一兩次實驗數據得到的結論往往不夠準確、全面,具有偶然性,而多次實驗探究出的規律具有普遍性,所以此類實驗中多次測量是為了探尋相關實驗的普遍規律,為了防止以偏概全,排除因實驗次數太少,得出的結論具有偶然性,需要在不同條件下多次測量進行實驗。在中考中涉及到的實驗主要有:
① 探究平面鏡成像規律(多做幾組改變物體位置);
② 探究槓桿平衡條件(改變動力臂多測量幾組數據);
③ 探究串、並聯電路中電流和電壓特點(改變測量的用電器或換用不同定值電阻,多次測量);
④ 探究電流與電壓、電阻的關係(改變幾次電阻)等等。
三、多次測量進行綜合分析,比較物體在不同條件下的變化規律
某些物理量的變化規律是發生在不同狀態、不同條件、不同範圍下的,其在不同條件下可以表現出不同的物理規律,所以這類實驗我們探究時,就需要在不同的條件下對同一物理量進行測量,建立測量結果和不同狀態、不同條件、不同範圍之間的聯繫,找出對應的關係。從而找出這個物理量的變化規律。在中考中涉及到的實驗,如:
① 探究凸透鏡成像規律(由於有三個區間——小於焦距、大於焦距且小於二倍焦距和大於二倍焦距,只有多少才能發現這個規律;就是後面兩個區間,也要多次實驗測量才能發現像距、物距和像的大小的關係,所以要多改變幾次物距)
② 測量小燈泡的電功率(改變幾次電壓,使電壓分別等於額定電壓、小於額定電壓和大於額定電壓下工作,觀察燈泡亮度的變化情況)
③ 測量小燈泡的電阻(改變幾次電壓,才能發現電阻是變化的)。
四、多次測量,運用控制變量法探究影響某一物理量大小的因素
探究實驗中,所研究的物理量大小通常是由多個因素決定的,但每個因素對這一物理量有無影響,需要通過實驗進行逐一測量驗證。這類實驗在中考體現較多,通常先就某一物理現象提出問題,然後作出合理的猜想和假設,用控制變量法進行實驗設計、驗證,最後得出結論(影響物理量的因素)。在中考中涉及到的實驗主要是:
① 探究影響壓力作用效果(受力面積一定,改變壓力;壓力一定,改變受力面積);
② 研究影響液體內部壓強規律(改變深度、液體種類、方向);
③ 探究影響電阻大小因素(改變材料、長度、橫截面積、溫度);
④ 探究影響通電螺線管磁性強弱(改變電流大小、線圈匝數、鐵芯有無);
⑤ 探究影響摩擦的因素(接觸面粗糙程度一定,改變壓力;壓力一定,改變接觸面的粗糙程度)等等。
在這四個方面,其實三和四是對「不同情況下的測量性實驗和規律性實驗」來說的,如,用「伏安法測量小燈泡功率」的實驗中,由於幾次測量的是不同電壓時的電功率,而不同情況下電功率的值和意義都不同,因此有別於常規性的測量性實驗,在這裡取平均值是毫無意義的,所以在這個實驗中多次實驗的目的並非是多次測量取平均值減小誤差,而是測量不同情況時的電功率。
由於它們的多次測量的目的是比較特殊和複雜的,在初中一般不要求同學們了解,所以中考也不對「多次測量」的目的進行考查,重點考查的是一和二兩個方面。
綜上所述,在初中物理學習中,關於「多次測量」的現象是非常多的,中考題中更為常見,所以要求我們在平時一定要在做實驗時,理解「多次測量」在不同實驗下的目的和要求,學會歸類總結,只有這樣,才能在應用中得心應手而不會出錯。