YPT所涉及实验方法的探究

宋家玮+邹京琪

【摘要】YPT实验是基于 IYPT的一类实验，YPT实验以其奇妙的现象展示了物理之美。掌握YPT的实验方法有助于对实验进行深层次的定量分析。本文是对YPT所涉及实验方法的归纳总结，结合具体题目总结了几种在YPT赛题中常用的物理方法：控制变量法、转换法、等效替代法和放大法，可供准备YPT竞赛的同学参考，对指导开展竞赛也有一定的启示和借鉴。

【关键词】YPT实验 控制变量法 转换法 等效替代法 放大法

【中图分类号】O4-33 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）14-0232-02

引言

IYPT（International Young Physicists' Tournament）是国际青年物理学家锦标赛的简称，是当前世界上最重要的中学物理竞赛项目之一。而YPT实验是基于 IYPT的一类实验，与传统竞赛不同，YPT赛题需要同学自主设计实验方案，实验方案的不同直接影响实验的观察效果，合理地运用实验方法可以达到事半功倍的效果。下面主要就控制变量法，转换法、等效替代法、极端实验法进行具体阐述。

1.控制变量法

控制变量法是实验中最常见的方法，在多变量问题中尤为重要。

2015年IYPT的第14道賽题环绕的光（Circle of Light）：当一束激光照射在一根金属丝上时，可以在垂直于金属丝的屏幕上观察到一个光圈，解释这个现象并研究相关因素。此赛题实验变量众多，包括光的波长、频率、金属丝的直径和材质、入射角以及距离等。在进行实验探究的过程中，应采用控制变量法，只改变一个实验变量，才能得出实验变量与实验结果之间一一对应的关系。

2.转换法

转化法即对于一些看不见、摸不着的现象或不易直接测量的物理量，通常用一些非常直观的现象去认识，或用易测量的物理量间接测量。

2016年IYPT的第六题电制蜂巢（Electric Honeycomb）：将一个垂直的金属针放在一个水平的金属盘子上方，在盘子上放一些油，假如你对金属针和盘子施加恒定的高电压，可以产生格状结构。请解释并研究这一现象。

研究油面的格状结构需要探寻油表面产生微扰的临界电压，用人眼去判断油面的起伏缺乏说服力，我们可采用观察激光光束反射形成的光斑来判断。将观察油面的微扰转化为观察油面反射形成的光斑，放大油面扰动的效应，将一个不易测量的量转化为一个易于测量的量。

同样，2016年IYPT的第九题水波（Water waves）：用一个竖直振动的水平圆柱来产生水波，当改变激励频率和振幅的时候，水波会看起来流向或背离圆柱。请研究这个现象。用肉眼去判断水波的走向容易带来视觉的偏差，且与观察角度，观察者的主观意识有着较大关系，但我们可以借助其他物体的走向来判读，例如，在水中撒上金粉，由于撒入的物质体积较小，故不会影响原有的实验现象。

在YPT实验中，很多题目都会通过转化，将一个不易观察的物理量转化成一个易于表征的量，提高实验结果的说服力，但是设计实验时要注意不能改变实验的原有属性。

3.等效替代法

等效替代法是在保证某种效果（特性和关系）相同的前提下，将实际的、复杂的物理问题和物理过程转化为等效的、简单的、易于研究的物理问题和物理过程来研究和处理的方法。但在运用等效替代法时，一定要注意实验量之间的等价性。

4.放大法

放大法是指把微弱的力量通过另一种方法表现出来。

2016年IYPT第17题疯狂的旅行箱（Crazy suitcase）：当一个人拉着一个两轮的旅行箱的时候，在某些时候旅行箱会很剧烈地左右摆最终倾覆。研究这个现象。一个人可否通过不同的装箱方法来抵制或激化这种现象吗？由初步的预实验得出结论，是人给箱子施加的不平衡的力矩导致了箱子的倾覆。为了突出人对箱子的影响效果，可以将行李箱同比例缩小。人施加的力矩保持不变，箱子的质量减小，放大箱子的摇晃现象。

用极端实验放大实验效果可以初步得出实验结论，适用于定量系数不高的实验。

总结

YPT实验具有极大的探究性和开放性，学生在准备YPT类竞赛的过程中，要合理设计实验方案，可综合运用控制变量法、转换法、等效替代法、放大法等实验方法，通过转化实验测量量或者放大实验现象等方法，做出更准确的实验现象，为定量测量做好准备。同样，教师在指导备赛过程中，应有针对性的辅导。这些实验方法同时也可以作为平时课堂实验教学的补充。

参考文献：

[1]张一驰，陈晨，陆建隆.依托“YPT实验”提高学生探究能力的实践探索[J].物理教师，2016（10）：27-31

[2]陈晨.科学探究视角下IYPT的过程分析及对高中物理探究式教学的启示[J].物理教学探讨，2015（3）：14-17