于这样的考虑：小试管顶端在水中，水对顶端的压力（压强）由小试管顶端到大试管顶端这一段距离的水柱所决定，它远小于大气压力。因此，小试管的上升主要由小试管在水外的各玻璃壁受到的大气压力所决定。
小试管的上升是否是由于大气压作用的结果呢？
假定在两试管倒过来的一瞬间，水和小试管还基本处于静止状态。如图所示。我们取小试管为研究对象，小试管主要受到三个力：重力G、向上的大气压力F1?p0S（p0为大气压强、S为小试管外径截面积）、水对小试管顶部外壁的向下的平均压力。小试管所受向上的合力为：F2?pbS（pb为小试管顶部外壁所受平均压强）
F?F1?F2?G。式中G和F1是恒定的，而F2(pb)是随实验条件而变化的。
若开始时细试管插入粗试管水中的深度是h。那么，只要水是静止或流速很小，可以认为这时大气压强在水中传递的过程中压强的大小不变，而且各向同性。因此，小试管顶部b处的平均压强为：
pb?pa??gh?p0??gh
因而，F2?(p0??gh)S
由此得到向上的合力的大小为：F?F1?F2?G??ghS?G。
由上式可知，在两试管倒过来的这一瞬间，如果?ghS?G，则F＞0，小试管就要向上运动；如果
?ghS?G，则F<0，小试管就要向下运动。而hS就是开始时小试管排开大试管中水的体积。所以，这一
实验要能做成功，必须满足的一个条件是：开始时小试管排开水的重力?ghS要大于小试管的重力G。
为了使这个条件得到满足，在操作时应先将大试管差不多灌满水，再将小试管放在大试管中，使其正好浮在水中，这时?ghS=G，然后将小试管尽可能往水中按下一些，使得?ghS>G，最后迅速将两试管倒过来。若实验的初始条件选择得不当，如h太小或G太大，此实验都难以成功。
由上分析可见，小试管的上升，并非仅由于大气压力作用的结果（事实上，开始时大气压对小试管的压力之和是为零的）。把小试管上升的原因仅归结为大气压力对小试管的作用是不确切的。
题目所说“两管粗细相差很小”也是一个重要条件。若粗细相差较大，即使刚开始的瞬间满足?ghS＞G的条件，但由于水迅速沿两管壁流出，因而h迅速减小，从而使得F＜０，小试管落小。
（2）因教学需要要求出现的实验现象，就原理来讲必须是唯一的，而不应该是可能会出现的。 三、原理的可行性。
1、设计的实验方案从原理上讲并没有错误，但在实施过程中受到装置、器材、实验条件等限制，而无法实施。
2、有些实验虽然在科学性上并没有错误，但其主要的实验原理学生不易理解，或还未学到。 3、原理无误，学生也易理解，但运用教学中，把他们放在一起就会出现逻辑错误。
第四章 实验方法和实验方案
实验需要有一定的方法和实施实验的方案。一般来说，教学实验与科学实验中的基本方法大致可分为
6
如下三类：
1、实验归纳法。
这是一种由个别到一般的认识方法。物理学家常常根据研究的目的，人为地控制条件，从大量的实验事实中找出普遍特征，形成规律。例如，理想气体三定律、电磁作用的法拉弟定律、机械能转换关系等等，都是从大量的实验中归纳出来的。
实验归纳法，也是物理教学中常用的实验方法。例如，在课堂教学中，为了使学生掌握一般物体热胀冷缩的性质，就需要分别演示固体、液体、气体热膨胀实验，然后，才能归纳出结论。又如，在欧姆定律的教学中，需要通过学生分组实验，采用控制变量的方法，分别测出电流强度与电压的关系和电流强度与电阻的关系，然后，才能归纳出欧姆定律的表达式。
实验归纳法的特点是，实验在前，结论在后，实验就是探索规律的主要手段。这种实验人们常称为探索性实验，这是中学物理教学中最常见的实验方法。
2、实验验证法。这是一种推理、判断在前，实验验证在后的研究方法（即演绎法）。物理学家们常常在已知的物理推论或者哲学思想的基础上，经过推理，作出假设和预言，通过实验检验它的真理性，最后肯定或否定论断，得出可靠的结论。例如，麦克斯韦电磁理论的建立，中微子的发现，相对论的成功，都是通过实验验证法，最后得到肯定的。
实验验证法是与想象、推理、判断等思维形式紧密结合起来的方法，是人们的认识能力充分发展的表现。科学家运用这种研究方法，就能走在实验的前面，推动科学向前发展。而这种研究方法既能鼓励科学家们大胆设想，勇于创新，发展预见能力，同时又可以无情地否决某些谬误，防止科学家在错误的道路上走得太远。
物理实验教学中也常用实验验证法。旧教育思想往往忽视教学实验在研究方法上的意义，有时，为了设备安排上的方便，脱离课堂教学的过程过远，使学生分组的实验成为无的放矢。实验目的不明确，就会使这种实验可有可无。近年来，人们越来越重视实验验证法在科学方法和教学方法上的重要意义。在课堂教学中，努力把验证性的演示实验或学生分组实验紧紧地与理论分析结合起来，构成推理、判断、验证、结论这样一个合理的教学程序，就能使学生在掌握规律的同时，学到这种研究方法。
探索性实验与验证性实验是两种类型的研究方法，教学中运用得当，都具有启迪思维、探索真理的作用。
3、理想实验的方法。理想实验是人们头脑中想象的实验，是一种思维活动，是在已有实践的基础上，经过推论、判断得出理想条件下的物理规律的方法。例如，伽利略在研究物体惯性时进行的无摩擦理想斜面实验；爱因斯坦建立狭义相对论时设计了关于同时性的相对性实验；在建立广义相对论时，设计了在自由下落的升降机里一束光因受引力作用发生弯曲的实验；在量子力学中，海森伯用以推导测不准关系所设计的电子单缝衍射实验等等，都是理想实验。这些理想实验，既以真实实验为基础，又高于真实实验。它能更深刻地反映现象的本质，揭示事物的内在联系，是人们认识能力高度发展的体现，在推动物理学发展的过程中，起着重要的作用。
在中学物理教学中也需要借助这种研究方法，帮助学生建立概念和认识规律。例如，建立即时速度概念，只能在测定有限的平均速度的基础上，推论到位移趋于零时平均速度的极限。运用这种理想化方法，可以发展学生的想象能力和逻辑推理能力。
第一节 分析归纳设计思想
一、分析归纳设计思想的基本要求。
要进行实验方法和实验方案的研究，首先要善于分析、归纳实验的设计思想，找出实验中要解决的重点和难点以及解决的方法，有可能的话，还可探究设计者完成这一实验的可能的思维方法和过程。
如几何光学实验演示的关键是光路的显示问题。（加烟雾、或把水弄浑浊等） 二、分析设计思想的三个角度。
①物理原理；②教学要求或实用要求；③仪器制作或装置搭配中的一些工艺和选材等问题。 如：医用温度计的细弯管。
第二节 根据知识结构建立实验模型
不同的物理内容和知识结构，必有其相应的实验模型和实验方法。
7
物理学按传统划分为力学、热学、电学、光学、原子物理五大部分。各部分的实验，有其独特的方法。例如，力学实验主要是围绕着时间、空间（位移）、质量和力的测量而设计的；热学中的气体定律实验是围绕着温度、压强、体积的关系而设计的；波动实验往往离不开干涉和衍射；场的实验常常是通过试探元所受的作用力来进行研究的；粒子实验则利用碰撞或捕捉径迹等等。这些实验方法的设计是与各类物理现象的物理特性紧密联系的。
就某一个物理量的测量来说，根据不同的物理原理，能创造出多种的测量方法。以时间测量为例。根据周期性原理，有：滴水法、打点法、闪光照相法、音叉法、秒表法、节拍法等；根据同步耦合的特性，有：复摆法、转盘法等；根据电学原理，还有电容器放电法等等。每一种方法又有各自的特点，例如，打点、闪光照相之类的方法，具有“记忆”能力，可以把时间和空间同时记录下来（即时间、位移同定法）；秒表、毫秒计之类方法，适用于按空间范围确定时间（即按位移定时间）；节拍器之类方法，适用于按节拍时间确定空间（即按时间定位移）。
第三节 根据实验和教学要求建立实验模型
实验设计思想中必然包含着对实验的要求和教学要求，分析实验要求和教学要求，常常能激发灵感，产生设计思想的萌芽，同时也利用比较，选择或改进实验方法或方案。
如：通电导线在磁场中运动的实验。 实验主要观察的是导体的“动”，“易动”，且“动的明显”。
课本上常用的方法。
还可以设计为摆动、转动等方法。
第四节 用相同的实验方法解决不同实验中相同的问题
有些实验，虽然它们的实验目的不同，但需要解决的问题是相同的或相似的，因此在实验装置的设计中所用的方法也就相同或在原理上相似。
如：微小形变的放大方法，都可采用杠杆原理。 热学的热胀冷缩、钢丝的拉伸形变等。
第五节 实验方法和实验方案的比较和选择
一、实验方法和实验方案的比较。 一个实验，可有多种不同的实验方法，如测重力加速度有：落体法、单摆法、圆锥摆法、振子法、机械能守恒法等。
同一种实验方法，也可有不同的实验方案。
如加大内阻方法（减小原电池内部离子通道截面积和增加长度等），方案有：用盐桥拆开原电池①；用隔板拆开原电池②；用可变内阻的蓄电池③等。
二、实验方法和实验方案的选择原则。
8
①仪器装置简单明了，易于搭配和制作。
②现象清晰，效果明显，易于操作，安全可靠，重复性好。 ③紧密结合课堂教学。 ④学生容易接受。
第五章 实验装置和实验器材
要进行实验，光有方法和方案不行，实验仪器和材料是必不可少的，如果不弄懂实验装置的原理，不了解清楚仪器的原理、结构、性能，不了解材料的特性，就不能合理地选择器材，不能很好地使用仪器，充分发挥实验器材的作用，也不能有效地进行实验。同时加强实验装置和器材的研究，对于仪器的自制、实验的设计、装置的确定和搭配等都是相当有益的。
第一节 分析装置的原理和特点
一、分析装置的原理。
不了解装置原理就不能合理地选择器材，不能抓住实验要点，并正确地进行操作。而装置原理大多是由设计思想所决定的，因此，分析装置原理，进一步了解设计思想和实验方法有利于了解装置的特点（优缺点），有利于实验装置的改进，以及激发设计新的实验装置的灵感。
第二节 分析和掌握仪器的结构、原理和性能
一、分析仪器的结构和掌握仪器的工作原理。
分析仪器的结构，要注意仪器的外形大致分为几个部分，各部分的器件及其所用材料和大致作用，各部分的作用和相互联系，实验者操作的部件，仪器主要的工作部件和易损部件。
如验电器。
二、了解仪器的技术参数和一般用途。 1、了解仪器的技术参数。
仪器的技术参数决定了仪器的使用范围，以及使用中的许多问题。 如天平的最大称量、感量、游码标尺误差等。
了解仪器的技术参数，有时还有利于我们改进实验方法，提高实验结果的准确性。 2、了解仪器的一般用途。
了解仪器的一般用途，有利于更有效地发挥仪器的作用。
如验电器的用途：①检验物体是否带电；②判别电荷的种类；③检验物体的绝缘性；④估测导体的电势；⑤估测导体的带电量；⑥比较导体电容的大小。
三、了解仪器的调整方法和与分析其作用和原理。 如：电磁打点计时器的检验与调整。
四、分析仪器的结构原理与改进和自制仪器。（如感应起电） 1、改进方案要有理有据。
对于仪器中进行改进的部分，要能说出改进的道理，改进前有何优缺点，改进后有何优缺点等，不要只看到改进前的缺点和改进后的优点，要综合起来看改进后有何好处。
改进仪器有下述两条基本思路：
①从原仪器结构出发，在原仪器结构的基础上，“取长补短”，哪不满意改哪。 ②从实验要求和工作原理出发，另想办法，设计新的结构。 如：气体受热膨胀：
9
2、改进方案必须切实可行。
第三节 分析和了解材料的特性和用途
一、了解材料的特性和作用及合理应用。
分析、了解材料的特性，扬长避短，合理应用，在实验研究的许多方面都是很必要的。 二、扩大材料的应用范围。
使材料尽可能在多个实验、在不同的实验情境中发挥作用。
第四节 实验装置和实验器材的选择
总的来说，选择实验装置和实验器材的主要依据是物理原理和教学要求，还要注意取材容易，经济实惠。
一、实验器材的选择。
1、器材的特性，如机械强度、尺寸大小、物理和化学等性能参数。 2、加工方便、经久耐用。 二、实验仪器的选择。
1、仪器尽可能简单、明了、直观。如做惠斯登电桥的实验，选板式电桥比选箱式电桥好。 2、合理选择仪器的精度。
3、所选仪器要保证满足实验条件。
第六章、实验条件的选择和实验操作
第一节、实验条件的选择
实验条件选择是否恰当，对于实验的成败和效果的好坏影响很大。装置、器材都会影响实验条件，因此，在选择装置、器材时应该注意满足实验条件。此外，在实验过程中，实验中物理参数的个数与数值、实验次数、实验程序、实验操作和观察时间等都可能影响实验条件。
一、根据实验原理选择实验条件。
许多物理学的规律是在一定的条件下成立条件（或近似成立的）的，所以在验证这些规律时，就必须要使实验条件符合这一物理规律的适用条件，否则，就容易使实验失败，或影响学生对物理规律适用条件的认识。
如变压器的实验：（理想变压器）
U1n1? 成立的条件是变压器须空载运行。 U2n2I1n1 成立的条件是要做满载运行。 ?I2n2
二、根据仪器技术指标（参数）选择实验条件。
在定量实验中，由于仪器的非理想化，必定会对实验有影响，带来误差。这种影响的程度，经常取决于仪器的技术指标。
三、根据误差理论选择实验条件。
使误差对实验结果的影响减少到最低程度。 四、根据理论图线选择实验条件。
1、不少实验要求将实验结果用坐标图上的图线表示出来。我们在选择实验条件的时候，必须考虑如何使所取的实验条件（横坐标上的“实验点”）能使理论图线上的细节或特征，使理论图线的全貌得到很好的反映。
10
中学物理实验教学研究
