物理学中的放大思想

摘 要：物理学是一门以实验为基础的学科。物理实验更是学生学习物理知识、培养创造性思维和能力的重要环节，从学生的认知过程来看，直观的、感性的认知过程有助于学生对概念的建立。总之希望通过本文，对了解物理学放大思想的实施、推广有一定的教育功能及设计有指导作用。

关键词：物理实验 放大思想 可见度 直观

物理学是以实验为基础的科学，实验教学是物理教学的重要组成部分[1]。观察和实验是物理学研究的基本方法，它们是获得新材料、探索物理规律，是了解物理世界的基本手段，也是檢验物理理论的唯一标准。由于强调探索物理实验的过程和方法，注重学生的积极参与和主动性，激发学生学习兴趣，培养学生的手和思维能力，促进学生的交流合作，培养学生求实创新，热爱生活和良好的教育等方面的功能，因为它有一个独特的教育功能，因此物理是教育领域特别关注的。

演示实验是中学物理实验教学中的重要组成部分，演示实验的成功与否直接影响教学效果的好坏。教科书上给出的个别实验方法及实验室提供的实验装置，在实际使用中效果甚微，可见度低。但如果采用正确的方法，对实验进行改进，并结合现代化教学工具，利用“放大”思想，就会收到很好的效果。“放大”思想已在各个科技领域得到了广泛的应用。

一、物理实验的主要思想方法

1.物理实验思想

思想是客观现实在意识中的反映，这种反映在哲学上是指人们对客观事物的理性认识。人们在社会实践中开始得到的是感性认识，“这种感性认识的材料积累多了，就会产生一个飞跃，变成了理性认识，这就是思想”。物理实验必须是在一定的科学实验思想指导下才能进行。只有充分掌握了实验思想，才能通过实验有效地获得可靠的有价值的结果。无论是经典实验、演示实验还是学生实验，从实验的设计、装置、操作、数据处理等各个环节都蕴含着多种多样的实验思想。

我们有理由这样认为，实验思路是根据实验旨在利用现有知识和科学思维方法确定研究对象，分析了课题研究的方向，预计可能出现的状态初步概念，和巧妙设计实验技术（即实验仪器和技术）来达到实验的目的。

2.物理实验思想的主要方法

中学物理许多实验具有极丰富和精彩的物理思想，揭示了解决问题的方法，这些思想和方法已经超越了具体的实验而具有普遍的指导意义。教学过程中适时地对学生进行物理实验思想和方法的教育，培养学生的创造能力，这种能力是新世纪人才必须具备的基本能力之一，也永远是物理教学的主旋律。物理实验中的思想方法常见的有以下几种：放大法、控制变量法、留迹示踪法、间接转换法、累积法、模拟法、比较法或对比法、选择法等等。

二、物理实验中的放大方法

1.机械放大

是物理实验最直观的一种放大方法，它是一种空间放大方法。

（1）游标放大法

为了提高米尺的测量精度，通常在米尺（主尺）上附带一个可以沿尺身移动的小尺（游标）。游标上的分度值x与主尺分度值y之间有一定关系，一般使游标上p个分度格的长度与主尺上（p-1）个分度格的长度相等，即使得 px=（p-1）y主尺与游标上每个最小分格之差δx为 δx =y-x=y/p差值δx称为游标尺的精度，它表示了游标尺能读准的最小值，也就是游标的最小分度值。

（2）螺旋测微放大法

螺旋测微计、读数显微镜和迈克耳逊干涉仪等的测量系统的机械部分都是采用螺旋测微装置进行测量的。

（3）机械杠杆

因为，当机械杠杆平衡时有：F1L1=F2L2。所以有：F1= F2L2/ L1 ，L2= F1L1/ F2成立。从F1和L1的表达式可以看出，机械杠杆可以把力和位移放大或细分。

（4）液压放大

根据帕斯卡定律制成的液压机、水压机、油压千斤顶都有：作用在它们两活塞上的力的比，等于它们的面积比。即：F1/F2=S1/S2。从中可以得出：F1= （S1/S2）F2，该式说明由帕斯卡定律制成的液压机、水压机、油压千斤顶可以把力放大。

（5）累积放大

当我们用米尺测量一张纸的厚度时，一般的方法是：取同样的纸100张，然后用米尺测量其厚度，把测得的数除以100，即得出一张纸的厚度。该方法采用了相同量累积叠加的放大方法。既解决了可测问题，又提高了测量的精度。

2.时间方面

用高速摄影摄取运动物体的瞬时状态，如：研究自由落体运动、高速飞行的子弹、水滴下落过程中形成的变化等都是把时间过程细分并展开。

3.光学方面

（1）光学装置放大

一种是使被测物通过光学装置放大视角形成放大像，便于观察判别，从而提高测量精度。例如放大镜、显微镜、望远镜等。

（2）光杠杆放大

测量微小长度和微小角度变化的光杠杆镜尺法，是使用光学装置将待测微小物理量进行间接放大的方法，它是一种物理实验中常用的光学放大法。

光杠杆测量原理如附图所示。它由一面装在一个三脚金属架上的平面镜构成，配合望远镜尺组来测变化极微小的长度。使用时，将光杠杆的面前脚放在一个固定位置，后脚放在被测量的点上，使镜面垂直于地面，望远镜尺组放在镜面的正前方，当物体为原长时，由望远镜中可以看清楚标尺式中，Δl0点在小镜中的反射像，当后脚向下降落一个位移面ΔL时，镜面M使转动一个角度θ，这时在望远镜中所观察到的像由l0点变为l1点，设若镜面M与标尺间的距离为D，根据反射定律可知：，L=l1- l0，可由标尺上读出，由于材料形变很小，相应θ也很小，所以有 tan2θ≈2θ，tanθ≈θ，因此，，所以有：。当满足时，不难看出，小位移ΔL被放大成能观测的大位移，其作用像杠杆的作用一样，所以光杠杆的方法是一种放大的

方法。

3.电磁方面

（1）三级管、场效应管、集成电路组成的放大电路

在物理实验中往往需要测量变化微弱的电信号（电流、电压或功率），或者利用微弱的电信号去控制某些机构的动作，必须用电子放大器将微弱电信号放大后才能有效地进行观察、控制和测量。电子放大作用是由三极管、场效应管、集成电路组成的放大电路完成的。

（2）谐振现象

当电容C和电感L两类元件同时出现在一个交流电路中时，随着频率的变化，电路中的电流I（有效值）或总阻抗z不是单调的变化，而是在某个频率f处出现极值（极大值或极小值），这种现象叫做谐振。谐振是一种选择放大。

（3）变压器的升压与降压法

对于理想变压器有：U1/U2=N1/N2，I1/I2=N2/N1成立。式中U1、U2分别为输入、输出电压，I1、I2分别为输入、输出电流，N1、N2分别是原、副线圈的匝数。因此，适当选择N1，N2即可达到升压或降压的目的，同时也确定了原、副线圈中电流的关系。

4.多媒体课件放大法

物理实验中的许多基本仪器、仪表，学生在课堂上第一次接触，加上仪器本身小，刻度也小，可见度差，使用很不方便，给教学造成困难，成为不应有的教学难点。现在有了计算机、智能手机，教师可以轻松把实验放大后投到屏幕上。同时，它甚至可以让学生看到在正常教学中不可能看到的东西。如：教学这一节的动力学理论，我从网上下载了动画的分子运动，当教学时，先放动画，学生喜欢看他们平时看动画片。然后我对他们说：“你们想看更准确生动的分子运动吗？”“当然”，学生们很愿意，我给他们播放分子运动的动画，这使得这个无形的物理学现象在学生心中有了具体的形象。

三、物理学中放大思想的渗透

物理学是一门以实验为基础的学科。物理学家研究物理问题时，在物理实验中常常遇到一些微小物理量的测量。物理工作者为提高被测物理量精度，常选用特殊的测量装置将被测物理量放大后再进行测量，放大思想已经渗透到物理学的各个分支。

1.“放大”思想在力学中的应用

一个力可分解为无数对大小方向不同的分力，分力的大小随分力间夹角增大而增大，这是力的放大思想，拔河比赛中一个现象，若两边的人拉得正起劲时，中间有人用力一拉，两边众多人往中间倒，为什么一人能敌众人，同样是利用分力放大思想。

现在“放大”思想在各个领域得到了广泛的应用。科学家们在探索过程中也常常采用“放大”思想，来获得大量数据和信息，使预言和猜想得到证实。

如：海王星的发现

伽勒在1846年9月23日接到法国年轻的天文教员勒威耶的来信的当天晚上，通过望远镜仅用了1小时就发现了这颗没有标明的新星。当把望远镜倍数加大，果然出现了特征圆面。历史记下了这一时刻，关于海王星的预言终于得到了证实。

又如：万有引力常数的测定：1798年，即在牛顿发现万有引力定律一百年以后，英国物理学家卡文迪许（1731——1810），巧妙地利用扭秤装置，采用“放大”思想将微小的形变两次“放大”，第一次在实验室比较精确地测出了引力常量。

再如：布朗运动：1827年英国植物学家布朗，用显微镜观察悬浮在水中的花粉时发现了悬浮微粒不停地做无规则运动，间接地说明了大量水分子的无规则运动——热运动。

2.“放大”思想在电学中的应用：

演示电流和电流之间的作用是通过磁场发生的。利用实验室提供的器材实验，实际上很难演示成功。因为通电导线之间的相互作用力相当弱，效果不明显，能见度低。我在演示课本环形电流磁场的磁感线分布情况时，如图2所示，是把实验器材放在实物投影仪上进行演示，在操作过程中却意外地发现：通过银幕显示出了单匝线圈之间有明显的相互作用，通电导线在力的作用下发生运动，运动状态的变化极为明显。

3.“放大”思想在声学中的应用：

各种声音放大器实际上大多数都是电信号与声音信号之间的转化，电流放大电路一般采用以下几种方法：一是在喇叭下面装及个电阻做电流取样，实际上回去的还是电压信号，是模拟的电流反馈；二是负阻放大器，其主要作用是对低频的延伸有很好的改善。实际上这种电路是和音箱搭配使用的，单独没有什么实际使用意义；三是电流模反馈放大电路，是真正的电流型负反馈，其反馈的信号是电流，不是电压；四是电流倾注式功率放大器，其工作原理是2个放大器，1个甲类，一个乙类。放大思想在声学方面应用还具体表现在各种助听设备上，为生活不便的老人带去了“天外知音”。

4.“放大”思想在光学中的应用：

光杠杆在卡文迪许钮秤实验中的应用：

卡文迪许扭秤实验堪称巧妙设计的典范.1687年，牛顿在其名著《自然哲学的数学原理》中正式发表了万有引力定律，但是牛顿并没有给出引力常量的数值.因为一般物体间的相互吸引力是极其微小的，用实验方法确定引力常量的大小将是非常困难的.1798年，英国物理学家卡文迪许利用扭秤装置测定了引力常量.卡文迪许把两个小铅球系在用石英丝倒悬的T形架的两端，然后用两只大铅球靠近小铅球，通过石英丝的扭曲测量大球与小球之间的引力作用，从而确定引力常量的数值.这个实验的目的是测量物体间的引力作用，以大球和小球组成的系统为实验对象，先将大球和小球的引力转化为T形架的扭转力矩，再将T形架的扭转力矩转化为石英丝的扭转角度，然后又将石英丝的扭转角度转化为光标的位移.通过这三次转化，使微小引力的测量成为可能.卡文迪许精心设计了巧妙的实验装置：采用T形架增大力臂，利用反射光路增大扭转角度，拉开小镜與光标的间距增大位移.通过三次有效的放大，极大地提高了测量的精度，可见，转化和放大构成了该实验的基本思想。

结语

探讨物理实验的放大法有助于实验者重视放大法在物理实验中的作用，有助于实验设备改进者改进实验设备，有助于实验设计者利用放大法设计出新的实验设备。探讨物理员的放大方法有利于物理工作者对科学方法的应用。有利于学生对科学方法的掌握。演示实验种个别效果甚微，可见度低的实验方法及实验装置，在实际使用中，利用“放大”思想，就会收到很好的效果。

从学生的认知过程来看，直观的、感性的认知过程有助于学生对概念的建立。这就需要我们教师通过一切途径，想方设法地把现象展示出来。“放大”思想已在各个科技领域得到了广泛的应用。

参考文献

[1] 王沛清.按“课改”要求 深化物理实验教学改革[J].实验教学与仪器，2003，1：5～8.

[2] 李科敏.在探索性物理实验教学中应注意的问题[J].湖南：廊坊师范学院学报，2004：59.

[3] 胡盛海. 中学物理实验中的思想方法[J].河北：2004：59.

[4] 张大昌.物理必修2[M].人民教育出版社，2006：71.