宋家瑋+鄒京琪

【摘要】YPT實(shí)驗(yàn)是基于 IYPT的一類(lèi)實(shí)驗(yàn)，YPT實(shí)驗(yàn)以其奇妙的現(xiàn)象展示了物理之美。掌握YPT的實(shí)驗(yàn)方法有助于對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深層次的定量分析。本文是對(duì)YPT所涉及實(shí)驗(yàn)方法的歸納總結(jié)，結(jié)合具體題目總結(jié)了幾種在YPT賽題中常用的物理方法：控制變量法、轉(zhuǎn)換法、等效替代法和放大法，可供準(zhǔn)備YPT競(jìng)賽的同學(xué)參考，對(duì)指導(dǎo)開(kāi)展競(jìng)賽也有一定的啟示和借鑒。

【關(guān)鍵詞】YPT實(shí)驗(yàn) 控制變量法 轉(zhuǎn)換法 等效替代法 放大法

【中圖分類(lèi)號(hào)】O4-33 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）14-0232-02

引言

IYPT（International Young Physicists' Tournament）是國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽的簡(jiǎn)稱(chēng)，是當(dāng)前世界上最重要的中學(xué)物理競(jìng)賽項(xiàng)目之一。而YPT實(shí)驗(yàn)是基于 IYPT的一類(lèi)實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)競(jìng)賽不同，YPT賽題需要同學(xué)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)方案的不同直接影響實(shí)驗(yàn)的觀察效果，合理地運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法可以達(dá)到事半功倍的效果。下面主要就控制變量法，轉(zhuǎn)換法、等效替代法、極端實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行具體闡述。

1.控制變量法

控制變量法是實(shí)驗(yàn)中最常見(jiàn)的方法，在多變量問(wèn)題中尤為重要。

2015年IYPT的第14道賽題環(huán)繞的光（Circle of Light）：當(dāng)一束激光照射在一根金屬絲上時(shí)，可以在垂直于金屬絲的屏幕上觀察到一個(gè)光圈，解釋這個(gè)現(xiàn)象并研究相關(guān)因素。此賽題實(shí)驗(yàn)變量眾多，包括光的波長(zhǎng)、頻率、金屬絲的直徑和材質(zhì)、入射角以及距離等。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程中，應(yīng)采用控制變量法，只改變一個(gè)實(shí)驗(yàn)變量，才能得出實(shí)驗(yàn)變量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

2.轉(zhuǎn)換法

轉(zhuǎn)化法即對(duì)于一些看不見(jiàn)、摸不著的現(xiàn)象或不易直接測(cè)量的物理量，通常用一些非常直觀的現(xiàn)象去認(rèn)識(shí)，或用易測(cè)量的物理量間接測(cè)量。

2016年IYPT的第六題電制蜂巢（Electric Honeycomb）：將一個(gè)垂直的金屬針?lè)旁谝粋€(gè)水平的金屬盤(pán)子上方，在盤(pán)子上放一些油，假如你對(duì)金屬針和盤(pán)子施加恒定的高電壓，可以產(chǎn)生格狀結(jié)構(gòu)。請(qǐng)解釋并研究這一現(xiàn)象。

研究油面的格狀結(jié)構(gòu)需要探尋油表面產(chǎn)生微擾的臨界電壓，用人眼去判斷油面的起伏缺乏說(shuō)服力，我們可采用觀察激光光束反射形成的光斑來(lái)判斷。將觀察油面的微擾轉(zhuǎn)化為觀察油面反射形成的光斑，放大油面擾動(dòng)的效應(yīng)，將一個(gè)不易測(cè)量的量轉(zhuǎn)化為一個(gè)易于測(cè)量的量。

同樣，2016年IYPT的第九題水波（Water waves）：用一個(gè)豎直振動(dòng)的水平圓柱來(lái)產(chǎn)生水波，當(dāng)改變激勵(lì)頻率和振幅的時(shí)候，水波會(huì)看起來(lái)流向或背離圓柱。請(qǐng)研究這個(gè)現(xiàn)象。用肉眼去判斷水波的走向容易帶來(lái)視覺(jué)的偏差，且與觀察角度，觀察者的主觀意識(shí)有著較大關(guān)系，但我們可以借助其他物體的走向來(lái)判讀，例如，在水中撒上金粉，由于撒入的物質(zhì)體積較小，故不會(huì)影響原有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

在YPT實(shí)驗(yàn)中，很多題目都會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)化，將一個(gè)不易觀察的物理量轉(zhuǎn)化成一個(gè)易于表征的量，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的說(shuō)服力，但是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意不能改變實(shí)驗(yàn)的原有屬性。

3.等效替代法

等效替代法是在保證某種效果（特性和關(guān)系）相同的前提下，將實(shí)際的、復(fù)雜的物理問(wèn)題和物理過(guò)程轉(zhuǎn)化為等效的、簡(jiǎn)單的、易于研究的物理問(wèn)題和物理過(guò)程來(lái)研究和處理的方法。但在運(yùn)用等效替代法時(shí)，一定要注意實(shí)驗(yàn)量之間的等價(jià)性。

4.放大法

放大法是指把微弱的力量通過(guò)另一種方法表現(xiàn)出來(lái)。

2016年IYPT第17題瘋狂的旅行箱（Crazy suitcase）：當(dāng)一個(gè)人拉著一個(gè)兩輪的旅行箱的時(shí)候，在某些時(shí)候旅行箱會(huì)很劇烈地左右擺最終傾覆。研究這個(gè)現(xiàn)象。一個(gè)人可否通過(guò)不同的裝箱方法來(lái)抵制或激化這種現(xiàn)象嗎？由初步的預(yù)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，是人給箱子施加的不平衡的力矩導(dǎo)致了箱子的傾覆。為了突出人對(duì)箱子的影響效果，可以將行李箱同比例縮小。人施加的力矩保持不變，箱子的質(zhì)量減小，放大箱子的搖晃現(xiàn)象。

用極端實(shí)驗(yàn)放大實(shí)驗(yàn)效果可以初步得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，適用于定量系數(shù)不高的實(shí)驗(yàn)。

總結(jié)

YPT實(shí)驗(yàn)具有極大的探究性和開(kāi)放性，學(xué)生在準(zhǔn)備YPT類(lèi)競(jìng)賽的過(guò)程中，要合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，可綜合運(yùn)用控制變量法、轉(zhuǎn)換法、等效替代法、放大法等實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)測(cè)量量或者放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等方法，做出更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為定量測(cè)量做好準(zhǔn)備。同樣，教師在指導(dǎo)備賽過(guò)程中，應(yīng)有針對(duì)性的輔導(dǎo)。這些實(shí)驗(yàn)方法同時(shí)也可以作為平時(shí)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)：

[1]張一馳，陳晨，陸建隆.依托“YPT實(shí)驗(yàn)”提高學(xué)生探究能力的實(shí)踐探索[J].物理教師，2016（10）：27-31

[2]陳晨.科學(xué)探究視角下IYPT的過(guò)程分析及對(duì)高中物理探究式教學(xué)的啟示[J].物理教學(xué)探討，2015（3）：14-17