中学物理实验

中学物理疑难实验专题研究

本课程对中学物理教学中所遇到的疑难实验进行了理论阐述，分析了形成的原因和改进

方法，论述了中学物理实验设计方法，并附有大量的妙趣横生的精彩实验设计。通过学习，

将会对中学物理教学具有重要的指导作用。

本课程学习目标：

1.中学物理中有哪些疑难实验需要进行研究?

2.形成疑难实验的原因是什么?

3．如何通过这门课程的学习提高自己解决疑难实验问题的能力?

4.通过学习，你如何改进实验并设计出新意来？

许多中学物理老师都有这样的体会：中学物理课本中有不少实验，看似简单，

你真的去做，往往会发现并非想象中的那么容易。

例如，高中物理课本中机械波概念的

引入，教材上用的是一个如图所示的绳波

演示实验，按课本所述，用手拿着一根绳子的一端

（另一端固定）上下摆动，就会看到一列凹凸相间

的波向绳子的另一端传去，但拉着绳子的一端上下

摆动了老半天，却只见整条绳子在摆动，而不见明显的波。实际上，这个实验要

想演示出课本所说的现象，在绳子的选择上很有讲究，绳子如

何悬挂以及手拿绳子如何摆动也都是个问题。并不是随便拿根

绳子、随便摇两下就可以摇出波来的。而这些细节，作为以中

学生为读者对象的中学物理课本一般是不会特别地加以说明

的。

类似的还如光电效应的演示实验也是如此，照课本介绍，

把一块擦得很亮的锌板连接在如图所示的验电器上，用弧光灯照射锌板，验电器

指针就张开一个角度，但实际上，用弧光灯或紫外线灯照射了老半天，却不见验

电器指针有要张开的迹象。还有一些实验，如牛顿第二定律的验证、用打点计时

器验证机械能守恒定律等，虽然均能完成，但实验误差太大，结果令人失望。这

样的实验挫折经历多次后，教学新手往往会对实验产生畏惧心理，久而久之虽然

教学经验不断丰富，有些还成为了教学骨干，但不少实验在他们的手中，疑难程

度却没有相应地降低。

第一节疑难实验形成的原因

中学物理中竟然还有这么多的疑难实验？这是大多数新教师始料不及的。人们不禁要

问，中学物理范围内主要涉及的大都是物理学中比较成熟的知识内容，怎么还会有疑难实验

呢？这个问题不解决，就会造成前面所说的由忽视或轻视到畏惧的结果。

首先，作为科学实验，这些课题都早已在实验室获得了解决。但如今作为教学内容编

进中学物理教科书中的，就属于教学的物理实验。作为教学的物理实验，和科学研究中的物

理实验或在其他应用领域的物理实验有一个最重要的区别，

那就是教学物理实验的设计不仅要体现物理思想、符合科学

性原则，而且必须反映教学思想、符合教学原则。例如，简

谐运动图象的描绘实验，从技术上来说，有很多的方法可以

描绘出正弦或余弦曲线。但若设计成如绘图仪那样的图象描

绘仪，虽然具有自动化程度和可靠性高、操作简便等诸多优

点，但若考察教学目的，这个实验必要的一点就是要在所获得的图象与振动体的运动之间建

立起劲可能直接的、必然的联系，以便学生理解图象所反映的物理意义。从这一点来看，如

果图象的描绘是通过一个自动化的装置来实现的而其机理又被有意无意地置于隐蔽地位的

话，它就丧失了作为一个教学的物理实验存在所必须有的教学价值。为此，就要设计出一个

既简单又要可靠好用的装置，这在技术上提出了更高的要求。同样的道理，前述的光电效应

演示实验，采用裸露的锌板并用验电器检验锌板上的带电，从教学思想上来考虑是很值得的，

但在技术上又大大地增加了实验的难度。此外，如电磁（阻尼）振荡、光学中的一些实验等

也都是同样的问题。这样带来的实验疑难在中学物理疑难实验中占有相当大的比例。

笔者列出了中学物理中的10大疑难实验：

●电磁振荡实验；

●自感演示实验；

●牛顿第二定律实验；

●瞬时速度实验；

●光电效应实验；

●布朗运动实验；

●声音的干涉实验；

●内能与做功关系的实验；

●吸收光谱；

●静电学系列实验（法拉第圆筒，电荷分布，电容器电容）

●…………

其次，实验的难度是相对于教师的知识、能力和经验而言的。有很多实验不

是疑难问题，但是到了新教师手里，却成了难题。还有一些实验，如静电演示实

验，由于以著名物理教育家朱正元先生为代表的许多前辈学者的不懈努力，实验

本身已不像很多人想象的那么难，但是要很好地驾驭它，实验者必须有比较扎实

的基本功。必须在掌握有关知识的同时，花时间去认真琢磨、体会实验的奥妙，

将资料上的分析介绍、别人的经验内化为自己的真正理解和切身体会，并坚持在

实践中不断摸索和积累，才能练就出做好静电实验的真功夫。然而，许多刚走上

讲台的教师在碰了几次钉子、特别是在看到许多老教师对静电实验也感到头痛之

后，没有信心和恒心深入钻研下去。结果，静电实验在很多教师的手里成了头号

疑难实验，只有在天气干燥的气候条件下才敢在课堂上演示。

此外，中学物理实验仪器本身的缺陷也是导致疑难实验问题的一个重要原

因。由于体制的问题，现有的中学物理实验室仪器设备还较普遍地存在许多不如

人意的地方。主要表现：一是在仪器的生产和配备上对新技术、新成果的反映太

迟钝，这样使得一些已经很好地解决了的疑难问题由于没有新的仪器可用而依然

疑难如故；二是不少仪器由于粗制滥造导致可靠性很差，使一些根本不难做的实

验由于没有合格的仪器可用而成为疑难实验。

第二节．疑难实验研究的方法

从事任何学习与研究，只有抓住问题一个一个地、扎扎实实地钻研下去，才

可能掌握到真正属于自己的知识、练就出独立解决问题的能力，这里不存在投机

取巧的捷径可走。疑难实验的学习与研究也不例外。但在扎实努力的前提下，如

何才能举一反三、活学活用，则是我们大家所希望的。为此，要求我们在学习和

研究的过程中，不仅要针对教学的需要，一个一个地解决问题、积累知识和经验，

而且要善于透过具体的疑难实验的研究，发现共同的、规律性的东西。具体来说，

研究疑难实验，了解和掌握尽可能多的有关前人研究的资料信息是很有必要的，

但一定要特别注重从众多的表面差别甚大的实验装置中发掘和把握其中蕴含的

实验方法。因为实验方法是物理实验的

灵魂，深入不到实验方法的层次就驾驭

不了疑难实验。疑难实验之所以成为疑

难，说到底，就是尚未找到满意的实验

方法。许多漂亮的实验方法不仅提供给

我们化解疑难实验所需的知识和技术窍

门，而且更重要的是可以给予我们智慧的启迪和激励，使对它敏感、勤于思考的

人获得创造性地解决问题的能力。我们知道，直流电动机中，有一个被称为直流

电机构造特征的重要部件——换向器，它的作用就是对应于转子线圈的转动周期

性地改变输入电流的方向，使线圈得以持续地转动。如果要你设计一个简化的、

不用换向器的电动机，你会怎么办？根据磁场对通电线圈作用的特点，不用换向

器的话，要么周期性地改变磁场，要么就采用可根据线圈转动周期性地变化的电

源，使得磁场力始终起促进线圈转动的作用。这样，很可能设计出一个更复杂而

不是简化的电动机。如图所示的是一个将线圈引出线当转子转轴使用，既省去了

轴也省去了换向器的直流电动机，它采取断续供电的办法，即只在线圈转动的半

个周期内才输入电流，另半个周期内线圈由于未通电而不受磁场力的作用，借助

惯性，线圈的运动并不会停止。从实验方法来看，这样省去换向器是不是简单巧

妙？但是又如何来实现对线圈的断续供电呢？这看来又是一个不那么简单的问

题。而在图所示的装置中，用的方法是将线圈引出线一端的绝缘漆全部刮去，而

另一端则只刮去一半，使得线圈在每转动一圈的过程中，只有半圈的时间由于引

出线两端都是刮去绝缘漆的导体面与导体支座接触而有电流输入。实验方法简单

得出奇，却漂亮得令人叫绝！

又如，对于光通信，学生很感兴趣但觉

得挺神秘。如何用实验来演示光通信的原理，

听起来似乎不简单。而用如图所示的光通讯

演示实验装置，在手电筒中串联一个电感，

再将要传递的音频信号通过隔直电容加于电

感两端，原来稳定的发光的小灯泡的亮度就

会随着输入的音频信号的变化而变化。这样就实验了用音频信号对光的调制，也

就是使电筒射出的光束中包含了要传递的信息。因此，若在另一端用光电池接受

光束的照射，就可得到与传递信号变化规律相同的电信号，从而实现了解调的过

程。演示时，从一个信号源发出的信号，可在另一端的接收机上得到，而传递信

号的载体却是光，这样就突出了实验的原理，使学生只需要透过较少而且他们比

较熟悉的技术细节就可以领悟实验的过程及其原理。像这样的实验简单直观，痛

快淋漓，淋漓尽致，不沲泥带水的实验方法！简直是一种智慧的熏陶和享受！

此外，还有几个问题在疑难实验的学习和研究中也是需要加以注意的。

1．必须高度重视对疑难实验的学习和研究。

由于众所周知的原因，目前在不少中学，仍存在着不重视实验的教师仍能

受到重视、实验技能低下的教师也能成为教学骨干甚至“教学能手”的不正常

现象，这就误导了优秀教师的标准。因为对中学物理教师而言，不像大学教师

那样有专业方向的分工。虽然，不同的教师都因个人的特长而会形成自己独特

的教学风格。但具有较强的实验教学技能和一定的实验研究能力是对每一个中

学物理教师的基本要求，更不用说对优秀教师了，只会凭空口讲实验、用粉笔

在黑板上“做实验”的教师就不是一个真正合格的中学物理教师，因为这样的

教师在基本的教学技能上尚未达标。对于物理师范生及新教师尤其要明确提出

这样的要求。因为将要走上或刚走上教师岗位的年轻人在熟悉教材和学生、在

语言表达和教学心理素质等方面与有经验的教师之间的差距问题，一般很难在

短期内解决好，非经一定的实践磨练不可。而在疑难实验的学习和研究方面，

由于他（她）们具有知识新、头脑新的优势，如果他（她）们能积极主动地对

待这样的要求，这实际上是一条可以弥补教学新手自身经验不足，增强他们搞

好教学的自信心的有效途径。对此，在过去近十年的物理师范教育实践中，笔

者是深有感触的。当我们的实习生在课堂上用改进的方法成功地演示出诸如光

电效应、简谐运动图象的描绘、机械波的传播和干涉等疑难实验而受到实习学

校师生的赞扬时，甚至一些在校时认为自己根本不适合当教师的实习生也对未

来的物理教学工作充满了信心。然而，我们强调实验教学技能和物理实验方法

的重要性，并不是要淡化物理理论的知道作用。实际上物理实验与物理理论两

者是密不可分的。没有理论指导的实验是一种盲目的实践，充其量也不过是一

些经验和技术技巧而已。这也是在疑难实验的学习和研究中要特别注意的。

2．实验研究需要教育理论的指导。

作为教学的物理实验，除了要有物理理论的根据、反映物理思想外，还要符

合教学原则、反映教学思想。这个问题比较复杂，不容易三言两语说明白。但是，

有一点是可以非常明确地提出的，那就是通过实验的教学应用，应该有效地促进

学生的有意义学习过程，避免机械学习过程。这应该成为贯穿整个教学物理实验

设计与改进过程始终的教学思想。所谓的“有意义学习过程”，是与“机械学习

过程”相对应的，它的实质“就是符号所代表的新知识与学习者认知结构中已有

的适当知识建立非人为的（非任意的）和实质性的（非字面的）联系。”这就要

求我们在教学中，要特别注意将新知识的传授与学生已有的概念和理解联系起

来，在学生原有认知结构的基础上设计和组织我们的教学。否则学生头脑中充斥

的多是些人为建立的联系，也就是靠模仿和记忆得来的东西。物理教与学都被降

格成在头脑中发生的“机械运动”，就只能是徒有智力活动的虚名了。本来，物

理实验在教学中的地位受到肯定的重要原因之一，就是它具有培养学生能力的教

育功能。但从功能到变为现实之间还需要有精心的实验设计和有效的教学过程。

否则，机械学习在实验学习的情境下照样可以大行其道。例如，滑线变阻器是一

个中学物理实验中最常用的仪器之一，学生自己使用和看老师使用的次数应该不

算少。但即使是在大学生中，不能正确地自己独立使用它的人仍不少。因为他们

在以往的学习中，知识照方抓药、依葫芦画瓢地对着那些实验讲义或练习册连线，

根本就没有弄懂这样一个并不复杂的仪器的结构、原理和各个部件的功用。这样

的机械学习怎么能产生培养能力的效果！又如，在简谐运动的图象的演示实验中，

我们知道，实验要求保证记录底板匀速直线运动，这在技术上不难实现。但从学

生理解的角度考虑，应该先确定记录底板的运动是否匀速，否则，就会出现根据

所得出的图线是否为正弦或余弦曲线来判断记录底板的运动是否匀速的逻辑混

乱。

3．要以科学的态度对待疑难实验的学习与研究，创造性地学好本课

程。

这也是在笔者看来也是最重要的------科学态度首先是实事求是的态度，那

种当学生时抄实验数据作弊、作老师时由于自己的无知使实验失败却欺骗学生是

仪器不好的倾向，是阻碍自己提高的最大障碍。此外，在实事求是的前提下，科

学态度还应表现为批判性的态度。疑难实验的研究是在不断发展的，没有一成不

变的释疑方法，需要不断创新。即使一些很出色的解决方法，可能它们保持先进

地位的时间要长一些，但也要用批判的眼光去消化、吸收它，囫囵吞枣式的学习

是难以获得真知的。要成为一个有创造性的优秀教师，真正重要的是要培养自己

敏于发现并抓住问题、勤于分析研究问题和善于解决问题的能力。

第三节．要深入研究实验中的物理过程

在实验教学的研究中，首先应该运用物理学的基本原理来分析实验中发生

的物理过程，处理好实验内、外各种因素间的关系，使实验取得理想的效果，灵

活地解决实验中发生的问题，对学生的实验活动进行正确的指导．还要注意发掘

实验的教学功能，充分发挥实验在教学中的作用．要开发新的实验，也要注意研

究原有的实验．

●各种物理现象都有自己的固有特征，而这些现象的发生又都有一定的条

件．实验者应该深入了解这些特征和条件，特别是对这些特征和条件作出基本的

数量估计，才能正确地选择实验仪器和实验方法来完成这些实验，否则往往会导

致实验失败，或被实验中的假象所蒙蔽．

●教学实验是在课堂教学的特定环境下，要求在有限的时间内，将所要研究

的物理过程或物理规律简洁、清晰地展现给学习者．但一个实验中所发生的物理

过程往往受到多种因素的制约，各种因素之间还存在着错综复杂的关系，有时它

们之间甚至是互相冲突的，因此在研究这些实验的时候，就必须深入分析影响所

研究的物理过程的各个因素间的关系，恰当地处理这些关系，使它们达到最理想

的匹配．

●实验中，除了影响所要研究的物理过程的主要因素之外，往往还伴随着一

些无关或起干扰作用的因素，这些无关或干扰因素要影响到实验的效果，有时甚

至使实验结果发生扭曲，造成了实验中的假象．因此,在实验研究中要注意排除

这些因素的干扰.

●虽然中学物理教学中不系统介绍误差理论，但简单的误差理论在实验的设

计或对学生实验的指导中仍有重要的意义．特别是对一些测量性的实验，只有从

误差理论出发，才能找到实验的主要矛盾，也才能对学生的实验进行正确的指导．

下面对几则实验进行物理过程的分析，供参考。

1．与惯性有关的实验解析

惯性是物体运动中的的基本概念。但是，学生要从中思考清楚惯性在所观察

到的现象中所起的作用，恐怕不是件容易的事情。因为影响这两个实验的因素并

不是很单纯，特别是如图所示的实验，实验应演示的现象是松开弹片后，钢球下

面的硬纸片被弹出，而钢球则掉到了下面的筒里，所作的解释是钢球由于惯性要

保持原来的静止状态，就留在原处。实际上并不是这

样简单。在这个实验中，钢球具有惯性，要保持原来

的静止状态，但钢球受到了硬纸片所施的摩擦力的作

用，它能否掉进筒中，肯定还跟这个摩擦力的大小及

作用时间有关。为简化起见，我们不考虑钢球的滚动，

钢球（A）和硬纸片（B）进行受力情况分析。设钢球

和硬纸片之间的动摩擦因数为μ，则硬纸片B对钢球

A的摩擦力

f

AB

=μN

AB

=μm

A

g

而f

AB

=m

A

a

A

所以a

A

=μm

A

g/m

A

=μg

可见，a

A

与钢球的质量无关，只由钢球和硬纸片之间的动摩擦因数来

决定。这说明什么问题呢？实际上，在弹片对硬纸片作用的过程中，钢球和硬纸

片的加速度方向相同，钢球能否掉进筒中，必须满足的一个条件就是硬纸片的加

速度至少大于钢球的加速度，是否满足这个条件，从外力来说，当然弹片对硬纸

片的打击力越大越好；从A、B系统来说，决定的因素是B对A的摩擦力，只有

F

当使A加速所需要的摩擦力大于B对A所能施加的摩擦力时，A、B之间才可能

相对滑动，钢球才可能掉进筒中。即使A、B之间有了相对滑动，钢球的加速度

a

A

也不可能太大，否则仍可能掉出筒外。而钢球的加速度a

A

竟与质量无关，最后

起作用的是A、B之间的动摩擦因数！换句话说就是，若A、B之间足够光滑的话，

钢球才有可能掉进筒中，否则不然，而不管钢球的质量如何。这就值得思考了，

因为我们知道质量是物体惯性大小的量度，一个演示惯性的实验，能否得到所期

望的现象，竟于物体的惯性大小无关，而是由与惯性无关的摩擦来决定，这难道

说得过去吗？这使得我们不得不要考虑它作为惯性演示实验的合适性问题。类似

的大同小异的例子还很多，也都被用来说明惯性的存在和作用。事实上，这个实

验真正能说明的倒是冲量定理！用于作惯性的演示实验，不仅存在前面所讲的问

题和影响因素过于复杂的问题，而且对学生的前概念没有多少针对性，学生很容

易用肤浅的“那是由于惯性”等说法对付所有这一类现象。

和历史上的“运动需要力来维持”的观念形成的原因一样，学生在早期

的日常生活中大量观察到的停止施力物体就不再运动的现象，是他们在头脑中形

成前概念的感性基础。要挑战学生的这种有长期个体经验基础的前概念，就必须

通过实验把物理现象突出到为人们的自然观察所忽略或达不到的程度，使学生对

个人观念有所认识和反思。从这个角度考虑，摩擦力的影响是关键，设计实验演

示物体在尽可能小的摩擦力作用下的运动行为，让学生自己

发现原有观念错误的原因，应该是很有必要的。

由于速率不高的物体在空气中运动所受的阻力比

在物体表面运动时小得多，用气垫来演示效果很好。如图所

示的简易气垫更值得推荐，因为每个学生都可以做一个自己

去体验。所需的材料只是一个气球、一个有孔的橡皮塞和一

块泡沫塑料。将泡沫塑料加工成圆盘形，在其中间开一个小孔，孔的上半段较大，

可使橡皮塞刚好塞进孔中；孔的下半段较小，以免将气球内的空气很快放完。实

验时将气球吹足气，捏住出气口将气球套在橡皮塞上，再将橡皮塞塞进泡沫塑料

圆盘的孔中，将圆盘放在平滑的桌面上，松开气球的出气口，圆盘就会被从下面

小孔中喷出的空气托起，轻轻一推，它就可在桌面上接近自由地运动。

气

球

中

间有

在物体间直接接触的情况下，采用平衡的方法，设置物体所受合外力为

零的条件，演示物体在没有净外力作用下的运动行为，也是一种可行的

方法。如图所示，找一个转动很灵活、稳定的滑轮（最好是轴尖式的），

用一根细绳将两个物体跨过滑轮挂起来。若两物体等重，推动物体使它

们一上一下动起来后，若不再施力，则由于摩擦力的作用，系统将做减

速运动并最终停止运动，对类似的现象，人们在自然观察中往往没能发

现摩擦力的影响，而认为物体停止运动是由于没有了力的作用的结果。

但在这样的装置中，若使一边的物体稍微重一点，用它来抵消摩擦力的

影响，且调节好m的大小，使mg刚好能平衡系统所受的摩擦力。则可在

一个方向上实现系统所受合外力为零也即牛顿第一定律所要求的条件。这样，下

拉图中的M或者上推M+m，可以将物体定在任意位置上，但是轻轻上推一下M或

者下推一下M+m，就会见到M匀速上升或者M+m匀速下降。由于通过小心轻推可

以使物体的运动非常缓慢，完全不见速度的明显减小或者增加。此即所谓的“静

者恒静，动者恒动”的境界。用这样的实验现象去挑战学生的“运动需要力来维

持”的前概念，应该会有一些作用。

2．与静电有关的实验释疑

用摩擦的方法起电，带电体往往是绝缘体，如何将它所带的电荷转移到

验电器或其他物体上去呢？人们自然想到使它们相互接触，如将已起电的有机玻

璃棒与验电器的导电球接触，使验电器带电。但是，做过这个实验的读者一定会

有这样的体会，仅仅将棒与导电球接触往往不易使电荷转移到验电器

上去，特别是在天气较潮湿时更是如此。而若照如图所示使棒在导电

球上转动摩擦几下，往往可使验电器带上足够多的电荷。这是什么原

因呢？实际上，大家知道，作为绝缘体，它带电的情况与导体大不一

样，绝缘体所带的电荷是以束缚电荷的形式出现的，因而不能象导体

上所带的电荷那样可以自由移动、以传导的方式实现电荷的转移。试

想，如果绝缘体上的电荷可以通过传导的途径转移，那么从电荷产生

伊始，它不就可以通过我们的持棒之手跑掉了吗？哪里还谈得上转移电荷呢？实

际上，带电的绝缘棒与导体接触后，导体上所得到的电荷是通过放电的形式转移

M

而来的，即金属中的电子在强电场的作用下从金属表面逸出。导体表面电荷集中

的尖端部分最易发生这种放电现象。如图所示，在验电器导电杆上插一表面光滑

的薄金属板，用带电的有机玻璃棒或者橡胶棒靠在金属板面上来回移动摩擦数次

后移开棒，发现验电器并未带上电荷，但若将棒靠在金属边缘上刮擦

一次，即可使验电器带上电荷。这正是由于金属板边缘电荷集中，电

场较强，容易产生放电之故。事实上，在天气干燥时，只要将带电棒

靠近金属板边缘而并不与之接触，就足以使验电器带上净电荷。若在

此过程中细听，可听到带电棒与金属板边缘之间有“喳喳”的放电声，

这个实验是很说明问题的，前述的将带电棒在验电球上转动摩擦，其

作用也正是促进放电的发生。

按照以上的解释，通过放电转移到验电器上去的电荷的正负

性质，应该与带电棒的一样。但是，一个善于思考的学生提出的一个在实验中发

现的问题值得进一步思考：在天气干燥时将带正电的有机玻璃棒掠过插在验电器

上的金属板后离开，发现原来带有正电荷的验电器指针偏角反而变小，这说明验

电器上有净正电荷的减少，这又如何解释呢？的确，按照前述的电荷通过放电转

移的观点，这一现象似乎不可理解。其实，在验电器导电杆和指针作为一个整体

处于带电棒的强电场中，由于静电感应，正电荷将聚集与验电器指针的下端，由

于指针端头一般较细较尖，因此正电荷较易通过放电的形式逸出指针（本质上为

空气中的电子被吸到指针上）。尽管在带电棒与金属板之间也可以有电荷的转移

（使金属板得到正电荷）但若从指针下端逸出的正电荷较多，超过了从带电棒获

得的正电荷的数量，移开带电棒后，就会看到验电器指针张角反而变小。

综上所述，通常我们通过接触可以实现绝缘带电体上电荷的转移，但其

本质上不是传导而是放电。对于这个问题的正确理解，有助于我们把握静电实验

的成败关键，提高实验的成功率。如利用法拉第冰筒演示静电平衡时电荷只分布

在导体外表面的实验，许多物理老师感到棘手，主要是将验电球从内壁取出后，

验电球上也常常带有电荷。发生这种现象的原因大多是，冰筒与验电球之间产生

了放电（冰筒内壁若存在尖端部分也会显著地影响试验结果）。在验电球从冰筒

筒口经过时，它与筒口边缘之间，最易发生放电，从而导致验电球带电。为此，

可采取适当扩大筒口特别是对筒口边缘进行磨光处理的措施，同时选用合适的验

电球和注意操作，就可以保证实验的成功。

3．固体热胀冷缩的实验演示

固体热胀冷缩及在冷缩时产生力的实验演示，在中学实验室配备中，有

J2258型固体线胀演示器和J2259型固体缩力演示器两个专用仪器，可供教学演

示使用。J2258型固体线胀演示器用火烧和冷水浇铜棒，使受热膨胀和遇冷收缩

的铜棒推动压于其下的指针转动，这样显示固体的热胀冷缩现象；J2259型固体

缩力演示器则通过加热的金属棒在冷却的过程中拉断销钉的现象来演示固体在

冷却时产生的力。这两个实验装置一来说效果还是不错的，但是，对这样生活中

常见的现象的演示，应该可以用更简单、生动的实验装置来演示，而不必用那两

个专用的仪器。

接电源

有的物理老师发现，给细导线通以大电流的方法，效果很好且简便易行。

当时是想做一个象弓一样形状的电热切割器，用来切割泡沫塑料。但一时找不到

可弯成弓行的竹片，于是就做了一个如图所示的装置，想当做一个电热切割器使

用。没想到一通电，就发现原已被两个接

线柱绷紧的细导线立即就软了下来，根本

无法当电热切割器用。但这一原未料到的

现象马上使笔者想到它可以用来演示固

体的热胀冷缩。换用漆包线后，效果令人满意。具体方法是这样的，找两个中间

有孔的接线柱，装在一块较厚的硬木板（为便于投影，最好使木板窄一些）两端，

再找一跟ψ=0.10mm左右的漆包线，立即就可看到原来绷紧的漆包线明显变松且

冒烟，断开电源开关，导线马上重新被拉紧；而通电后再将导线拉紧固定，然后

断电，就可看到导线很快被拉断。两个实验一气呵成，整个实验时间不到一分钟，

而若将该装置侧立起来放在投影仪上演示，则现象将更加生动明显。

4．固体分子引力实验

中学物理教学中演示固体间分子引力一般采用的是将两个铅圆柱块压

紧在一起后不易拉开的方法。这样实验要想令人信服的话，一是最好只用两手

接

用力挤压而不要借助工具，因为若是学生的印象是用两个铅块被压成一块了的

话，就没有必要这样做，随便找个物体直接一拉不就得了？而且，两铅块压在一

起后，要能抗得住一定的拉力。因为，有学生可能会认为，两铅块压在一起后之

所以不分开，是由于大气压的缘故，类似马德堡半球。这种怀疑不是没有道理的，

只有通过实验才能解开他们的疑问。

这样一来，对实验的要求就高了。首先，要将两铅块接触面的氧化层用

玻璃或刀刮去，要注意向同一个方向用力并尽量将两接触面刮平，对两铅块施压

时不要采取两个接触面对压的方法，而要按照图所示的箭头方向用力推压，逐渐

增大两铅块的接触面。这样压好以后，一般可以承受10N的拉力。而拉开铅块后，

从其上的印痕可以看出，两铅块压紧时的接触面积一般都很小，可以估算出远远

小于1cm2。因此足以说明是分子间的引力在起主要作用。笔者在指导教育实习时，

学生按上述方法处理和压紧两铅块后，最大曾吊起过半桶水约5kg的水。这样就

更令人信服了，老师们不妨一试。

5．受迫振动和共振演示的实验研究

而若用如图所示的装置来演示共振，则发现拉开驱动摆再释放后，需要

等较长的时间才可看到；摆长与驱动摆A摆长相同的B和C

两个摆振幅最大；摆长与驱动摆摆长相差最大的D和E两个

摆振幅最小的实验现象。但稍后这种格局即开始变化，使教

师不得不赶紧将整个演示停下来，这会给刚刚看了个开头的

学生一个什么样的印象就可想而知了。究其原因，首先是因

为有关的摆长很难调得一致，从而产生“拍”的现象；其次

是驱动摆的驱动力是通过张紧的挂单摆的绳子传给其他摆

的，而其他摆一有振动也同样可以通过绳子影响驱动摆的振

动，这样相互影响，使得问题变得很复杂；此外挂单摆的绳子的松紧程度影响着

能量的沿绳子的传播快慢，适当放松张紧的绳子，可以加快能量的传递，缩短开

始等待的时间。但是，其他的问题依然存在。因此，若改用长短不一的细线各栓

一个回形针后固定在一支铅笔上，演示时手握铅笔的一端微微振动，回形针也随

之摆动，哪个回形针摆幅最大则由驱动的频率决定。这样演示颇为生动有趣，但

缺点是演示时驱动力的频率是由演示者把握的，如何能使学生建立振幅最大的摆

的自由振动频率与驱动力频率的联系还是个问题，但是这个简易装置极其简易，

每个学生都可以当堂自制一个自己亲自来体验什么情况下摆的振幅对大，从中不

难发现出共振的条件。

同样是使用钢锯片振动，实际上也可用手动代替上面所说的由电动机

带动的偏心轮驱动。在一木板底面装有两个轮子（可用皮箱用的拖轮）成为一辆

小车，木板两端各钉上一块钢锯片，钢锯片上分别夹上一个相同的夹子。改变夹

子在锯片上的位置，可明显地看到振动频率随之变化。演示开始时调好夹子的位

置，使两锯片的自由振动频率相同，然后用手推动小车左右运动以驱动钢锯片的

振动，可见到锯片随之开始振动，且稳定时振动的频率与驱动力的频率相同。但

同时发现驱动幅度不变而驱动频率改变时，锯片振动的幅度也随之变化，这就可

用于共振的讨论。若从较低的驱动频率开始逐渐增大，可发现在某一驱动频率时，

受迫振动的振幅最大。进一步的实验和引导学生观察，就不难使学生把握共振的

条件，而若将两夹子分别夹在锯片的不同位置上，使两个振子的固有频率不同，

再分别对小车施加接近于两锯片固有频率的驱动，则可见到它们分别发生共振，

即一个振幅很大另一个几乎不动的有趣现象。

以上的各个装置中，虽然实验方法各有特点，但从驱动力的性质来说

是相同的，都是弹力。若采用其他性质的力来驱动，是否可以进一步地改进实验

效果呢？实际上，这个实验用磁场力驱动效果很好。如图所示，用细线分别栓一

大一小两块磁钢，悬挂起来作为两个磁性单

摆。其中大的一个作为驱动摆。实验时，摆

长需要改变但始终保持两个磁钢之间的距离不变。拉

开驱动摆使其摆动，可见到另一个摆（称为振动摆）

很快开始摆动，驱动力就是驱动摆对它的磁场力，由

于磁场力较强，受迫振动很快就可以进入稳定状态。

因此，可很好地演示受迫振动的振幅随两摆之间的固

有频率的接近程度变化，但其频率始终与驱动摆摆动

的频率相同。仔细调节图中的木夹的高度后将其伸出

夹住振动摆的摆线，就可方便地在不改变两磁钢的距离的情况下改变振动摆的摆

长，这样确定出使振动摆振幅最大十振动摆的摆长，固定次位置，然后分别用停

表测出两个采自由振动的周期，可以发现两者很接近。

第四节、物理实验的设计原则

中学物理实验是中学物理教学中不可缺少的一个重要环节，这也是物理学科

本身的特点决定的。而中学物理实验除了它自身的实验特点以外，还必须考虑中

学生的兴趣爱好，因此中学物理实验的设计必须遵循必要的设计原则，这样才能

达到良好的教学效果。

1．科学性原则

作为用来解释和揭示科学理论的物理实验，它自身的

设计的合理性、原理的科学性，实验现象解释的合乎规

律性等是一个十分重要的问题。物理实验的科学性体现

在实验原理、实验仪器、实验操作、实验数据处理和实

验现象的解释都应遵从严格的物理学原理。如人教社的

高中物理试验课本上有这样一个演示实验：光滑桌面上一个钉子上连一根细绳，

细绳的另一端一个小球绕O点作半径为l的匀速圆周运动。当拔去钉子，小球沿

切成方向飞出。书本上说明：①说明向心力指向圆心；②说明小球速度方向在切

成方向。这个实验从实验原理上来说有疑问：①实验能做成功吗？事实上这个实

验在没有气垫平面的情况下是无法做成功的。②实验知道绳子上的拉力是沿半径

方向的，但是小球事实上不可能保证匀速率，因此如果真做实验的话，可能会造

成一种错觉：合力指向圆心，小球做减速圆周运动。因此实验的可行性也是科学

性的体现的。

2．简单性原则

简单性是自然物存在的基本原则之一，简单也是物理实验的合理性的体现。

尤其是中学物理实验，要求用最简洁的

原则，最简单仪器和简明操作方法得出

明了的实验结论。简洁有利于节约物力

资源和人力资源，简洁也有助于被学生

所接受和喜爱。

·

l

B

光电

光电

A

计时计时

中学物理实验要求使学生能接受，因此要求从设计原理上简单。例如在动量

守恒定律一节课，笔者设计了一个演示实验：在气垫导轨上让两个滑块以压紧的

弹簧弹开，如图所示。设计主要思路如下：

①滑片初始状态静止，以弹簧弹开，使守恒情况更简单，系统作用前动量为

零。

②为了测出滑块弹开后速度，应用两个相同的光电门，使滑片上的挡光片A、

B的宽度相等。

③为了使学生更简单，使两块滑块质量相等。

④学生观察什么？光电门上显示的时间是否相等？如果相等（误差允许范围

内）则认为两滑块动量大小相等，即总动量为零。

⑤为了克服质量相等引起的偶然性，第二次实验时

使m

A

=2m

B

，则学生只要观察两个时间是否是2倍关系即

可。

再如，高中课本上用激光来演示桌子形变的实验装

置如图（4）所示。实验中应用了平面镜A和B。其实

在教室中实验是不必用平面镜，而将激光来直接投射到

教室后的白墙壁上，由于距离更大，光点移动更明显。

仪器要简单操作方便

物理实验中必须遵循的基本原则是，在达到教学目的的前提下，尽可能

用最简单的仪器，最方便的操作程序，节约有限的物质资源且易被学生接受。试

验课本上课后的学生“小实验”都是取材简单操作方便的实验。在平时上课时可

设计一些简易的小实验，有些可以表演，有些可以让学生自己动手玩，使学生有

体验和感受，积累感性经验。教师要尽可能地设计一些物理思想性强的小巧玲珑

实验，让学生来设计和表演，将更使课堂更添光辉。

3．直观性原则

物理实验尤其是演示实验，实验现象的直观性是衡量一个物理实验质量好坏

的重要指标。

直观性首先体现在学生能观察到物理现象。例如洛仑兹力演示仪演示电子束

在匀强磁场中运动轨迹，只有在暗室中才能观察到，而且后面一半同学观察到的

现象很不清晰，笔者使用了电子实物展示台的镜头对准轨迹区域然后以投影电视

激

加

B

A

的形式在屏幕上展示出来，教学效果就很好。当然有了大屏幕投影，很多以前能

见度很差的实验现在变得非常清晰了。

直观性也体现在物理现象或物理数据的处理和解释直观明了。例如加速度与

质量的关系，由于转换成加速度与质量的倒数之间的关系图线（a—1/m），使实

验曲线变成直线，物理规律的呈现就更加简单。

直观性原则要求物理实验能见度高，物理原理呈现过程简单。因此在实验原

理，实验仪器选择，实验操作，实验数据处理等环节上都要引起教师们的注意。

4．趣味性原则

由于我们设计的实验是为教学服务的，而学生的学习兴趣又直接影响教学质

量。因此要求在实验设计上尽量增加趣味性。例如在演示

动量定理实验时，选择如下实验，效果较好。让一支钢笔

竖直放置在桌面边沿的白纸上。如图（5）所示。一手握住

白纸A处，另一手飞快地向下打纸条，由纸条被快速拉出，

钢笔依然不倒。这个实验以“险”和“惊”引起学生注意，

实验的成功又促使学生对实验原理的解释兴趣浓厚，有效

地激发了学生的学习兴趣。

再如用2—3层包水果的泡沫包装网裹住一个生鸡蛋，让鸡蛋从离开桌面1m

左右高处自由下落在桌面上的玻璃板上。我采用下列实验步骤：

①让裹住的鸡蛋下落，发现里面的东西没有异样。问：里面是什么？——学

生非常热烈，七嘴八舌，众说纷纭。

②打开包装网发现鸡蛋——学生惊奇？怎么不破？于是有的学生说是熟鸡

蛋。有的说由于包装网的作用可能是不会破的。讨论更热烈了。

③让去掉包装网后的裸鸡蛋从相同高度落下，鸡蛋打破了，展示玻璃板上打

破的鸡蛋。——生鸡蛋！→学生惊叹！

④让学生解释现象产生的原因。

趣味性是教学中永恒追求的目标，实验是学生最喜爱的教学活动。而趣味性

的物理实验能最大限度地激发学生的兴趣。

第五节、物理实验的设计方法

A

B

白

快

物理学发展史上有很多实验体现了实验物理学家周密的思考，方法的巧妙，

对问题说明的透彻性。例如1911年卢瑟福的α粒子散射实验，设计非常精巧，

对实验现象的本质揭示非常透彻。首先该实验的设计是用α粒子作为“炮弹”轰

击金原子，从α粒子与原子作用后散射的结果的数字对比中揭示原子的内部结构

的重要特征；原子中存在几乎集中所有质量而又是体积很小的原子核，即原子的

结构是核式的，该实验的设计是从α粒子的行为特征（信息）推及原子核的特征

信息。从某种意义上这是研究对象信息的转换。该实验的研究对象是原子，而卢

瑟福将其转换到可测量的α粒子上，再从α粒子散射结果发现“核式结构”。该

实验的散射思想成为近代基本粒子研究的主要方法。

下面就高中物理实验涉及的方法作一个归纳。

1．平衡法

平衡一词，广义地来说是矛盾双方的暂时的相对的统一。在一个平衡系统中，

存在着两种制约因素，一种因素是使系统趋向统一，而另一种效应是使系统趋向

分离失衡。平衡是系统内两种因素共同影响的结果，物理上的平衡是两种或两种

以上物理因素导致系统的均衡，例如，力的平衡，热平衡，电磁系统平衡等等，

平衡法就是利用平衡双方在某些物理效应上的等效性，从已知的物理量测量未知

量。常见的仪器有：天平、比重计，压强计，温度计，测力计，力矩盘，这些仪

器在使用时也采用平衡法。有些仪器制成主要原理虽然不是平衡法，但仪器也体

现了平衡法。例如所有电表中的表头，指针的偏转是电流线圈受到的磁力矩与弹

簧丝产生的扭力矩的平衡；库仑和卡文迪许的扭秤实验中也体现了二个力矩的平

衡效应；验证力的平行四边形法则实验中体现了力的平衡法；测量动摩擦因数实

验中体现了二力平衡等等；而电桥测电阻、金属的比热的测定也是平衡法的体现。

2．放大法

在物理测量中某些物理量因太小而不能直接观测到，必须借助于声、光、

电和叠加等方法，通过对放大的物理量的观测进而测量待测物理量。常见的仪器

有：千分尺、游标卡尺、放大镜、望远镜、显微镜等。有些实验的操作方法体现

了放大法，如测纸张厚度。测一颗米的质量，用直尺测细钢丝的直径，测单摆的

周期等。放大法按其实现的手段可分为转换放大和叠加放大。

（1）转换放大：将物理量转换成另一个放大的物理量，通过观测间接量的

方法实现。如千分尺、游标尺、放大镜、显微镜、望远镜、显示微小的形变、扭

秤上的反射镜，油膜法测分子直径，电子在匀强磁场中的圆轨迹测量电子的荷质

比。

（2）叠加放大：通过测量相同的待测物理量的大量集合体的总量，转而计

算待测物理量本身的方法，如：测一张稿纸的质量、测一段头发丝的质量、滴水

法测重力加速度和秒表测单摆的周期等等。

3．比较法

物理实验中通常可采用物理现象和物理量的比较，达到异中求同，同中求

异的目的。如验证力的平行四边形法则中比较以一个弹簧秤直接测量的合力F

和用平行四边形法则求出的两个弹簧秤的合力F＇，等臂天平的比较，半偏法测

电阻的比较，自感现象中比较小灯炮在开关断开前后的亮度变化，伽利略研究斜

面上物体的匀加速度特征也使用了比较法。比较法是物理实验普遍使用的方法。

4．再现法

再现法就是模拟自然现象的发生条件，在实验室中再现物理现象的方法。

例如用棱镜产生模拟彩虹，用起电机产生模拟雷电等等。从本质上来说，所有实

验都是在一定的条件下对自然现象的再现过程，贝弗里奇（dge）

也说过：“作为一次成功的实验，其最基本条件是要能再现。”

5．控制变量法

在一物理系统中，影响一个表征物理现象的物理量的因素往往不至一个，

多个因素共同作用使相互影响的物理现象或物理量之间的关系难以确定，此时，

物理实验中最常用的方法是控制某些对物理现象或待研究

的物理量的因素，使其中一个因素产生作用，从而确定因变

量和自变量的关系。这种方法叫控制变量。例如，研究加速

度、质量和合外力的关系，研究一定量气体的压强、体积、

温度之间的关系，验证向心力公式F=mrω2等实验均采用了

控制变量法。

有时，为了排除某些次要因素及无关因素，也采用控

制变量法，这些实验往往采用减少或消除无关因素。如验证牛顿第二定律实验中

使长本板有一个适当的倾斜角以消除摩擦力的影响，验证机械能守恒定律实验中

用质量较大的重锤下落以减少纸带阻力和空气阻力的影响。如图（6）所示半偏

R

G

K

2

R

′

K

1

法测电流表内阻实验中，仪器选择必须使R》R＇是为控制回路总电流的变化，

减少对测量结果精确性的影响。

6．转换法

转换法也称间接测量法。在物理实验中，常有一些现象或物理量因不明显

或不易观测，采用某些方法或手段转换成可直接观测，效果较明显的物理量，这

种方法叫做转换法。如电阻测量转换成测电压和电流，冲击摆测弹丸的速度转换

成测冲击摆的最大摆角，测重力加速度转换成测摆长与周期，油膜法测分子直径

转换成侧面积和体积，迈克耳逊利用旋转棱镜法把光在两个山头之间传播所用的

时间转换成棱镜转动1/8周所用时间来测量，用光的干涉现象中的干涉条纹测量

光的波长，等等。可以不夸张地说，转换是物理实验中测量方法的“灵魂”所在。

7．留迹法

某些物理过程由于运动过程难以进行动态观察或测量，实验中采取一定的

手段对过程在模拟状态下再现成可观察和测量，这种方法称为留迹法。如打点计

时器的作用是使实验者对运动过程实现精确测量和研究，频闪照片可以研究快速

的物理过程，演示带电粒子在匀强磁场中作匀速圆周运动时让电子束通过低压汞

蒸气后发出辉光以显示电子的径迹，利用云室、泡室、核乳胶、火花室和流光室

等显示基本粒子的径迹，高速摄像机能使人们对难以观测到的非常短暂的物理过

程得以从容观测。

8．等效法

在物理量测量中，以一个更易观测的物理量替代成另一个物理量，把一种

模型替换成另一种模型，而替换不影响研究者对研究对象研究，具有等效性，这

种方法叫做等效法。在验证动量守恒定律实验中，以两球的水平位移替换两球的

作平抛运动的初速度，即碰撞前后的速度。而不影响结论检验的正确度的原因是

球在空中的飞行时间相等，用正负电极之间的电流线模拟正负电荷之间的电场线

具有模型的等效性。

以上是物理实验设计中常用的几种方法。应该指出，一个实验是一个不那

么简单的设计，其设计方法与设计思想可能涉及到不止一种。例如卡文迪扭秤实

验中体现了以下几种思想：①平衡法，石英丝的扭矩与引力产生的扭矩平衡；②

转换法，以石英旋转的角度来间接测量引力；③放大法，利用T型架增大力臂；

利用反射光线增大角度；用光线反射后在远处标尺上的光点移动代替微小的角

度；三次使用了放大法。同时这里又体现一种间接测量法。

总之，物理实验的方法很多，设计精巧的实验必须巧妙使用各种方法。

第六节．实验设计与讨论示例

1．直流妙变交流

如图所示的装置我们在前面第七章中曾讨论。图中R是一个中点有一抽头的

滑线变阻器，由中点和滑动点两端的输出电压U的大小和方向都可以改变。图中

滑动点处在中点左边时，输出电压U是

左负右正；滑动点移至中点时，输出电

压为零；滑动点移至中点右边后，输出电压U变

为左正右负。这样一个简单的装置，事实上就实

出了将直流电变换为了大小和方向均改变的确

交流电，构思巧妙。进一步地想，输出电压U的

变化规律由滑动点移动的规律来决定。在负载电

阻相对滑线变阻器的电阻很大时，U正比于滑动点离

开变阻器中点的距离（设为X），即UX。因此，若

滑动点的移动按照简谐运动的规律进行，即

滑动点以变阻器中点为平衡位置在变阻器上做简谐运

动，得到的输出将是正弦交流电压。

以上的设想完全可以通过实验来实现，一个有趣

而奇巧的设计就是将上面所述的滑动点的移动与做简

谐运动的单摆的运动联系起来，这样用导电的液体作

为变阻器，就可在足够小的阻力下用单摆的运动来实

现变阻器的滑动点的移动。如图所示的就是这样的一个装置的示意图。图中容器

内的导电液体可用自来水，A、B和单摆线均为导体。若输出电压U接到示波器

上检测，会发现输出为很好的正弦波形。

2．“用手表测单摆摆球直径”（参考杭高夏蒙森老师的讲座）

Ⅰ．问题的提出

某资料设计的实验题：

“在没有游标卡尺但有手表的情况下，我们应如何测量摆球的直径D？需要测

量哪些物理量？”

答案是：

“用手表测出摆的周期T，用刻度尺量出摆线长L

1

，然后由单摆周期公式

求出小球直径．”

Ⅱ．分析

１．模型错误

这道题用中学知识是不能解的，若解出定是错解．

所谓单摆，应由一根不可伸长，无质量的线悬挂

一个质点组成．而本题要考虑摆球的半径，此时必须把这个摆看作复

摆．对复摆来说，其等效单摆长并不等于悬挂点到质心的距离．作为极端

的情况，设想在复摆的质心处将复摆悬挂起来，则这个摆将不能摆动，也就是说

它的周期是无限大，因而它的等效单摆长不是零而是无限大．（图中O

为复摆的悬挂点，C为质心，x为悬挂点到质心的距离，注意x不等于复

摆的等效单摆长．）

２．正解

为简单起见，假定悬线的质量可以忽略，摆作小偏角摆动．

图中一半径为r，质量为m均匀球用质量可不计

的线悬挂在O点，C为球的质心，l为悬挂点到球质心的距离．

当偏角θ很小时，可认为sinθ≈θ而得运动方程

等式左边为重力对悬挂点O的力矩，右边括号中为球对悬挂点

的转动惯量，θ的2阶导数是角加速度．对照简谐振动的运动方程及周期的

解

可得球的摆动周期为

实际上在许多资料中，这类错题很多．例如“将一个装满水的水桶悬挂在

一个固定点，随着水由桶底小孔逐渐漏出，问桶的摆动周期如何变化？”等，都

是物理模型错误，把复摆和单摆混淆了，请老师们注意．

3．妙趣横生的超球

取一大一小两个弹性很好的球。如市场上售的彩色半透明硅橡胶制成的实心球。

大球直径4.0cm以上，小球直径2.0cm以下。将小球放在大球的正顶部，贴住大球。用单手

拿这样配置的两个球，从约0.5m高度放手，使它们一起自由下落（也可用打足气的篮球、

排球来代替大的弹性球）。

【看看】

结果你看到它们落地后，小球被反弹到2—3m高处（见图1）。这似乎有些不可

思议：一般说来，自由落下的弹性球从地面反弹后只能接近其初始高度.而自

由下落的连接物却能反弹到其初始高度的四、五倍甚至更高处，这是为什么

呢？

注意：演示成功的关键是二球在落地时发生正碰。这就需要一定的熟

练技巧，要反复多练习几次。为了提高实验的成功率，可从稍低处（0.1m—0.2m）

释放球。

我们知道，如果两个弹性小球质量相差甚远，小球以一定速度v撞在不动

的大球上，则小球速度反向，大球几乎保持不动。在本实验中，两个弹性球下

落时，大球的底部首先着地。大球与地球相比，质量甚小，反弹后速度向上，

大小仍为v（见图2）。然后分析小球和大球的碰撞。为此我们以速度v向上运动的大球为

参照系，在此参照系内大球不动，碰撞前小球向下运动的速度为2v（见图3）。由于两球的

质量也相差甚远，大球不动，小球速度反向，变为向上的相对于大球的速度为2v（见图4）。

再让我们换回到地面为参照系，小球向上的速度变为3v（图5）。由机械能守恒定律得：小

球上升的高度h=v2/2g∝v2.速度增大到3倍,高度就增大到9倍,还怕打不到天花板上

M

吗！

问题思考：

1．超球能被反弹到初始高度的9倍，有没有违背能量守恒？如果说没有违背能量守

恒，使小球增高的能量来自何处呢？

2．超球实验富有佯谬性的戏剧性结果现在已被应用在空间探测器上。空间探测器从

大行星旁绕过时，由于行星的引力作用，可以使探测器的运动速率增大，这种现象被称之为

“弹弓效应”。在航天技术中，“弹弓效应”常常用来作为增大人造小天体运动速率的一种

有效方法。

质量为m的空间探测器以速度υ1飞向质量为M的大行星，大行星的速度为υ2，如图6

所示。探测器围绕它运动一圈后速度为u1，此时大行星的速度为u2，由于m＜＜M，υ1、υ2、

u1、、u2的方向均可视为相互平行，且都是相对于太阳的速度。请证明该探测器绕过大行星

后的速率u1=υ1+2υ2。

4.日常奇异现象的探究

有许多实验现象，虽然看上去很简单，但要把说明白，却不那么容易。而且，

越是觉得惊奇有趣的现象，有时解释起来就越是困难。比如：

●把两大张尼龙纱窗布上下迭合在一起时，布面上会出现一些有趣的不规

则的波纹（莫尔条纹）；

●当一滴小水滴落在灼热的铁勺上时会弹跳起来，整个水滴反而不易汽化

（莱顿弗罗斯特现象）；

●浴缸里的水排出时，水流总是沿着逆时针方向旋转（科里奥利力）；

●平板上的沙粒随着板的振动翻滚跳跃，会聚集成美丽的花纹（克拉尼图

案）；

●我国古代铜镜的一种奇异的“透光”现象：把镜面放在阳光下，反射光

照在墙上，会出现与镜的背面花纹图案完全相同的明暗图像；

●当你以适当的速度摇动臀部时，呼拉圈会持续在腰上旋转；……

许多物理学家就是从对一些奇异现象的探索，开创了新的研究领域。如惠更

斯对“牛顿秋千”实验的研究，发现了碰撞问题中的一些守恒规律；法国物理学

图2碰撞前

以地面为参照系

图3碰前图4

碰后

图5碰撞后又

以地面为参照系

u

1

=υ

υ

υ

大

探

家菲涅尔用实验证实了当时认为似乎是十分荒谬的泊松亮斑，从而推动了光的波

动学的发展。

许多大物理学家也是非常关注

物理学中的奇异现象。如图是在儿童

的零食包里用塑料制成的倒翻陀螺：

半球壳形的物体，将它圆底着地，快

速旋转。你会发现，当转到后来，它

会突然自动翻个筋斗作转柄在下、圆底向上的旋转。这使人感到很惊奇。这个玩

具曾在50年代风靡丹麦，曾引起大物理学家玻尔和泡利等人的极大兴趣。虽然

人们早已对这个实验现象给出过解释，但当时也有许多物理学家认为，在摩擦力

矩等一些细节问题上还需要重新值得探究。

在街市上或工艺品店里有一种用于装饰的玩具：在一个小轮盘上对称地

装有三只小海豚，只见小轮盘在一个略呈“V”形斜面上不停地上下来回滚动，

好似海豚在波浪中翻滚，如图所示。它为什么会运动呢？它运动所需的能量从哪

里来呢？

●为什么悬挂着的各种圆环和小球能够不停地旋转？

●为什么内圈的小球罢得快，越到外面的金属环转得越

慢？

●为什么有时内环和外环旋转方向相反？

●为什么各层次旋转变化的周期不一样？

可以运用了牛顿运动定律、机械能守恒、角动量守恒、直流电路、磁场、楞

次定律和电子线路等知识进行探究，详见附录。

最后，讲一个故事。

在1963年，有一个名叫弗洛克的中学生参加了一次物理实验表演活动。他

当时表演过这样一个有趣的实验：拿一个透明的大气球，大气球内部还有个蓝色

的小气球，接着用一束激光瞄准了大气球。那激光居然穿过大气球，刺破了它腹

内的小气球，而大气球却完整无损。后来他读了医科大学，当上了眼科医生，接

待了许多的视网膜病患者。有的患者视网膜血管破裂，有的患者视网膜从后壁脱

落了。因为视网膜在眼球内的后边，用一般手术很难修补，只好眼睁睁地看着患

者成了瞎子，这是当时许多眼科医生深为遗憾的事。弗洛克医生在医治过程中脑

海里闪出了这样的火花：“学生时代激光打球实验中的气球和人眼的构造多么相

似！既然那‘激光’具有通过透明物的能力，那么它穿过人的角膜，不伤害角膜

也许是可能的。角膜就是那不受损害的大气球。”弗洛克立刻查阅了有关激光的

资料，把物理知识与医学知识结合起来，研制了“激光视网膜凝结机”，使成千

上万的患者重视了光明。从此，激光迈入了医学的大门。当初，要是弗洛克没有

经历过这个实验，他能发明激光手术吗？这也说明了物理学基础知识在其它各个

领域中的价值。

如果说物理学是一座宝石矿藏，那么，物理实验则是其中最绚丽多彩的宝石。

青年教师们，让我们一起动手和动脑，让高中物理的教学真正“动”起来！

第七节．典型疑难实验的研究

（详见附录和课件）

1．光电效应实验

2．布朗运动实验

3．瞬时速度实验研究

4．新增学生实验的疑难问题研究（10个）

5．光学实验的操作和研究

6．静摩擦力实验研究

7．磁悬浮和跳圈实验

8．声音的干涉研究

9．振动实验分析

10．几则奇妙趣味实验介绍

11．……

作业与考核

1．你认为中学物理疑难实验形成有哪些原因？

2．请你列举一则在教学实践中遇到的疑难实验，分析其物理过

程，剖析产生疑难的主要原因，并说说你解决的方案。

3．为什么课本中的光电效应实验一般难以做成功？请从理论上

进行阐述。你采用什么方案来使光电效应实验取以成功？

4．静电实验成功的关键是什么？你如何提高静电实验的成功

率？请举出一例。

考核：（选一）

1．请设计和制作一则你认为比较精彩的小实验（500－1000字，

有图）。

2．举一个在教学中比较难完成的实验，分析其原因。（800字

左右）

参考书目：

1．刘炳升等，中学物理实验制作和研究，人民教育出版社

2．赵力红，高中物理探究性趣味实验，浙大出版社。

3．项红专，物理学思想方法研究，浙大出版社