物理实验的构思五法
在中学物理实验教学中，要强化对实验构思方面的教学和训练，这对于培养学生的能力将起重要的作用。为此，金鹏老师归纳了几种物理实验构思方法：
“比较法”构思举例
例1天平：用未知质量与标准质量进行比较的构思来测量物体的质量。
例2惠斯顿电桥：惠斯顿电桥是把未知电阻和已知电阻相比较来测未知电阻的装置。
从例1、2可以看出，虽然天平是力学仪器，而电桥是电学仪器，两者的原理也根本不同，但是天平和电桥在物理实验过程中取得数值的构思方法是相同的，天平有臂，电桥也有臂，天平有平衡指针，电桥也有平衡指针(灵敏构流计G的指针)，天平有比较标准(砝码)，电桥也有比较标准(标准电阻R0)，因此人们也把电桥称为“电阻天平”。
“放大法”构思举例
例1密绕法测直径：用米尺来测量细金属丝的直径的方法是，将金属丝在铅笔上密绕100匝，则细金属丝的直径就被放大了100倍。
例2螺旋测微器(千分尺)：它是一种精密的测量长度的工具，螺旋测微器原理很简单，大家知道，螺栓在螺母中旋转一周，螺栓便沿旋转轴线方向前进或后退一个螺距。人们可以设计一种螺旋，它的螺距很短，例如05毫米，但是螺栓的周长很长，例如等于100毫米(这时螺栓的直径为3183毫米)如果这样，只要螺栓沿轴线方向移动01毫米，那么它的圆周上的点就移动了2毫米，即放大了200倍，因此，沿轴线方向移动的不便测量的微小距离，就能用圆周上的点移动的较大的距离表示出来，这就是螺旋测微器采用“放大法”的构思。
循着“放大法”的构思，我们还可以列举出：扩音机、示波器、回旋加速器、收音机以及幻灯机等等。
“复制法”构思举例
如托马斯·杨的杨氏实验(或称“双缝干涉”实验)，它巧妙地复制出了两个频率相同、相差恒定的光源，从而有力地支持了光的波动学说。
“间接法”构思举例
威尔逊云雾室以及磁力线、电力线等实验。
“整体法”构思举例
这种构思来自“整体功能大于各部分功能之和”的整体论命题，即整体不仅要发挥出组成部分的各自功能，还要发挥出相互联系而产生的功能。例如显微镜，单个凸透镜只具有放大的功能，而当两个凸透镜适当组合时，就具有一种新的“显微”功能。
中学物理实验的设计十五法
研究实验，不仅要明了设计思想和方法。而且要有意识地去设计一些实验，以开拓新的视野。
河南省宜阳县第一高中程流锁老师将设计方法归纳起来有如下几种：
1累积法
有些微小物理量不易直接测量，或虽可直接测量但误差太大。为提高精确度，可以把它们累积后进行测量。例如：振动周期可以通过测30-50次全振动的时间，算出T=tn；纸厚可以累积几十到几百张测厚a，算出a=ln；细丝直径可以通过在直棒上密绕多匝再去测量……
2控制法
物体变化过程大多比较复杂，包含多种因素。如果不分主次轻重，很难找到规律。通常采用的研究方法是在许多因素中先控制一些量使之不变，依次研究其中某两因素间的关系。找到其变化规律再综合其总体规律。例如：研究牛顿运动定律时，先保持质量不变，研究加速度与外力的关系a∝F；再保持外力不变，研究加速度与质量的关系a∝1m。又如气体的压强、体积、温度间变化的规律，可以先保持质量温度不变，研究压强与体积的变化规律；再保持质量、压强(或体积)不变，研究体积(或压强)与温度的变化规律。
3转换法
某些物理量不易测量，某些现象不易显示，研究时可用易于测量和易于显示的现象代替。也可以根据研究对象在一定条件下有相同效果的量和现象作间接测量和观察。
如把测电阻转换为测其两端电压和通过它的电流(R=U/I)。
4留迹法
是把瞬息即逝的现象(位移、轨迹、图象等)记录下来的方法。如通过打点计时器在纸带上打出的小点记录小车的位置；用描迹法或闪光摄影描绘平抛运动的轨迹；用示波器显示变化的波形等。
5外推法
有些物理量能局部观察或测量。作为它的极端情况，不易直接观测。如果把这局部观察测量得到的规律外推到极端，可以达到目的。如在测电源电动势和内电阻的实验中，无法直接测量I=0(断路)时的路端电压(即电动势)和U端=0(短路)时的电流强度Im，但通过一系列U、I对应值描点画出直线并向两方延伸，交U轴点即为e，交I轴点即为Im。
6近似法
在复杂的物理现象和物体运动中，影响物理量的因素较多，有时为了突出主要矛盾，可有意设计实验条件，略去次要因素的影响，将近似量当成真实量进行研究。如验证牛顿第二定律的实验中，强调让小桶和砂的质量远小于车和砝码的质量(条件设计)，近似地把小桶和砂的重量代替对小车的牵引力。
7平衡法
平衡有不同因素作用抵消的效应。许多测量仪器就是用平衡原理设计的。如天平、弹簧测力计、压强计、温度计、电流表等；不少测量方法也属于平衡法，如电桥测电阻，测金属比热(Q吸=Q放)等。
8比较法
在物理实验中，对一些物理现象或物理量，可通过比较而达到异中求同或同中求异的目的。
如验证焦耳定律的实验，可在不同电阻的各电阻丝上用黄油粘上火柴杆，通电后谁先脱落，说明该电阻丝发热多(快)功率大。又如：观察自感现象的实验中，可通过两个规格相同的灯泡亮度的比较。显示自感现象的存在。另外，验电器张角大小的比较反映不同带电量；静电计偏角大小的比较，反映与之相连的平行板电容器的电压不同；光谱线与未知元素光谱线比较，可确定未知元素的成分和百分比。
9放大法
对物理实验中微小量或小变化的观察，可采用放大的方法。例如游标卡尺、放大镜、显微镜等仪器都是按放大原理制成的。在实验现象观察和物理量测量中，也有通过放大实现的。如卡文迪许测定万有引力恒量的扭秤实验中，石英丝微小的扭转角的测定，是通过石英丝上固定的小平面镜的反射光在较远的刻度尺上移动的距离求出的。
10推理法
有些实验不能直接得到测量结果和观察结论，但可据观测结果通过推理、分析得出合乎情理的结论。如通过可见的布朗运动现象推理得出看不见的液体分子永不停息地做无规则运动的结论。伽利略通过推理方法，加上理想化的抽象思维而得出了惯性定律。
11理想化法
即突出主要矛盾、忽略次要因素影响的思维方法。力学中的质点、单摆、热学中的理想气体、电学中的点电荷，光学中的点光源、平行光等都是理想化的实例。这种方法在科学研究中是不可缺的。
12模拟法
无法直接观察和进行实验控制时，常采用模拟法。如点电荷难以取得、难以控制，在研究它的等势线时，用低压直流电极与导电纸的触点来模拟；波的干涉、衍射通过发波水槽模拟。
13垫基法
有些变量有一定值域，但使用的仪器量程与此值域不符，为防止意外事故发生，要用垫基法加大安全系数，设计一个元件保证此值域边界。如研究电源输出功率和改装伏特表时测内阻实验中，与电流计串联的变阻器最小电阻为零。为防止电流表、电流计因不慎把变阻器触头接触最低端造成大电流烧坏电表，线路上串一定值电阻的垫基。
14比例法
库仑用扭秤实验探讨静电力变化规律时，还没有电量单位，也不知如何测电量。他用一个带电小球与完全相同的不带电金属球相碰，使二小球各带原电量的1/2。同法可得原电量的1/4、1/8……巧妙的设计使他及早总结出了库仑定律。另外如力的合成实验用相同砝码的个数模拟力的大小。在力矩平衡实验中，用某线段连续自然数的倍数作半径画同心圆。用圈数代力臂大小、都属于比例法。
15逐差法
在用打点计时器测运动物体加速度，通过a=Sn+1-SnT2求出一组组a，再取其平均值。如ā=(a1+a2+a3)/3=(S2-S1T2+S3-S2T2+S4-S3T2)/3=S4-S13T2。因中间各段间距不起作用，误差的偶然性太大，故改用逐差法。即取相隔几段间距差求a，再求平均值：ā=(a1+a2+a3)/3=(S4-S13T2+S5-S23T2+S6-S33T2)/3=S6+S5+S4-S3-S2-S19T2。这样各个数据都起作用。各数正负偶然误差的抵消使测量值渐趋准确。
实验设计方法还不止这些。我们可以有意识地从中探讨它们蕴藏的设计思想，引导启发学生研究运用，并加以科学创新，引发出更好的实验设计方法，以培养学生创造性的思维能力和解决实际问题的能力。
物理实验创造的缺点列举法
缺点列举法是指通过发掘现有事物的缺陷，把事物的缺点一一列举出来，然后提出改革或革新的一种技法。
“缺点列举法”它简便易学，有效，把它应用于物理实验教学不仅有助于改进实验仪器装置一类的“硬件”，而且还可有助于改进实验方法。
上海风华中学冯容士、陈奕荣老师介绍运用缺点列举法可分三步进行：(1)定课题。课题要相对小一些、简单一些，这样比较容易成功。如果课题过大可以把它分解开来，就该课题的局部进行考虑。(2)根据掌握信息一一列出缺点。(3)针对缺点提出改进方案进行实施。
下面举几个大家熟悉的例子来说明这种技法的应用。
对弹簧秤设计的创新
弹簧秤是物理教学中常用的仪器，要对它改进，课题就是弹簧秤，列举缺点实际上就是把它在教学中应用时感到不“顺手”的地方一一列举出来。
概括起来现有弹簧秤存在下列缺点：
①刻度大小，作演示用时可见度差；②只能测拉力，不能测压力；③没有记忆装置，不能显示物体受变力的情况；④不能测量运动物体的受力情况。
而上述缺点是造成现有弹簧秤使用范围有较大局限，在教学中应用时“不顺手”，针对上述缺点可以有很多改进方案。有人设计了如图1所示的弹簧秤。
这种弹簧秤扩大了分度范围，刻度用红、白二色交替，增加了可见度，满足了演示实验需要。此弹簧秤两端都可用，即能测拉力又能测压力。弹簧秤上还装有“记忆”纸圈，在弹簧受力伸长的同时“记忆”纸圈在棒上移动，撤去外力后，弹簧秤恢复原状，而纸圈却因摩擦而停留在原处，这样可以记录下弹簧秤曾达到的最大示数。
测转动物体所需要的向心力是演示实验的一个难点，用此弹簧秤可解决转动物体受力情况这个问题。如图2所示，转盘上沿径向固定弹簧秤，重物置于有秤钩一端。转盘转动时，秤内弹簧的弹力提供重物作匀速圆周运行所需要的向心力。转盘停止转动后，弹簧秤上“记忆”
纸圈停留的位置所示的数值，就是向心力的数值，重物转动时的半径也可由“记忆”纸圈所在的位置测得。这样利用公式可测出做圆周运动所需要的向心力。
用此弹簧秤，再添加一些装置(图3)，还可以描绘出冲力的变化曲线，并根据“记忆”纸圈对应的刻度，测得最大冲力和冲力平均值。
当槌子端面贴上泡沫塑料后，描绘的曲线形状会比不贴泡沫塑料时所描绘出的曲线形状变得平缓，形象地说明了锤子动量变化一定时冲力大小和作用时间关系。弥补了一般弹簧秤无法显示物体受变力作用情况下的缺点。
车辆在桥上瞬时而过，它对桥面正压力不易测定。在这个“桥”模型实验中，弹簧秤的“记忆”纸圈很容易把“车辆”过“桥”时，对“桥”的压力“记忆”下来。
把弹簧秤竖直固定在底座上。用有槽的铝合金条弯成凸形和凹形桥模型，尽量使弯曲面相当于某一圆周的一部分，“桥”的底部用万能胶粘一个圆柱形插座，以便装在弹簧秤木棒上端。插座内径与弹簧秤棒直径相配，使“桥”插上后能稳固可靠。
同样方法再做一架平“桥”。
准备一个铁球作为“车辆”，先把平“桥”插在弹簧秤上，“桥”面中间放上铁球后，弹簧秤增加的数值即为铁球的重力。让铁球在平“桥”上慢慢滚动，弹簧秤上示数保持不变。换上凹形“桥”，让铁球静止在“桥”面上，弹簧秤增加的数值与平“桥”上相同，当铁球从斜槽上滚下通过凹形“桥”面时，对它的压力超过铁球的重力。提高球滚下的高度，使球通过“桥”时的速度增加，从弹簧秤示数上可发现球对“桥面”的压力也随之增加。换上凸形“桥”后，当铁球静止在“桥”面时，弹簧秤增加的数值也等于球的重力，而当球从斜槽上滚下时，对“桥”面的压力反比球的重力小，球的速度越大，对桥面压力越小。若应用一般弹簧秤碰到这类问题就很难解决了。
液体的密度一般都用密度计来测定，但这种密度计存在刻度不均匀，量程不可变和读数不方便等缺点。若把弹簧秤稍加改装，即可成一架使用方便并具有记忆功能的直接式密度秤。
测试块为正方体，它是用硬泡沫塑料块制成，测力计没有钩的一端插入测试块中并用胶固定。
手持弹簧秤，与液面垂直，让测试块浸没到液体中(注意不能把秤杆没入液体，否则会增大误差)，弹簧秤所示读数即为测试块所受浮力。根据阿基米德定律，浸在液体中物体所受浮力仅和液体密度和排开液体体积有关。因测试块体积一定，所以当测试块浸没在各种不同液体中，它所受的浮力与液体密度成正比。若把测力计上所标值换成对应的密度值时，弹簧秤即成密度秤了。因为弹簧秤中弹簧的伸长和外力成正比，所以这支密度秤的刻度是均匀的。
放在坛子等容器内的液体用密度计测密度时很难读数，而用这支密度秤只需把测试块浸在液体后取出，即可从记忆纸圈所在位置显示液体的密度。
改变测试块的体积，密度秤的量程会发生变化，测试块体积越大，仪器也就越灵敏。
萘的熔解实验研究
晶体熔化和凝固是物态变化的重要实验，在教学中常用萘的熔化和凝固过程中温度保持不变的现象来说明晶体的性质，若按照课本的装置(图6)进行实验，在熔化过程中，温度计读数保持不变的时间很短，有时几乎看不到这一现象，即不易得到熔化曲线。对于“萘的熔化实验”这个课题，实验中的缺点是显而易见的。根据技法指导，在列举缺点后要设法找出产生上述缺点的原因，然后再对“症”下“药”，其中“症”是造成缺点的原因。“药”即为改进措施或新设计的方案。原来，萘在熔化之前热传递的主要方式是热传导，而萘又是热的不良导体，所以在实验中可能出现靠近试管管壁的萘温度高，而试管中心的萘温度低的情况，甚至烧杯中的水的温度超过了萘的溶化温度，靠近管壁的萘已开始熔化，而试管中心的萘的温度还低于萘的熔点的“夹生饭”现象。
改进途径是使“不良”导体变为“良”导体。
