DSE Physics文憑試物理 - 五個必識的物理實驗
香港學生在學習物理的課程中會在學校接觸多個實驗，從光學到電學、從力學到熱學，不同領域的實驗都能夠豐富學生的科學知識，並鍛鍊實驗及理論應用的技巧。以下，我們將一起探討五個普遍的高中物理實驗，看看裡面有沒有你做過的實驗！
高中物理實驗一 歐姆定律實驗
歐姆定律（Ohm's law）又稱電阻定律，是電學（Electricity）中一個基本但十分重要的定律，此公式描述電流、電壓和電阻之間的關係。
根據歐姆定律，當一個電路中的電阻為固定時，電流（I）與電壓（V）之間的比例關係成正比。歐姆定律的數學公式是：
V = I*R
公式中，V代表電壓（單位為伏特，V），I代表電流（單位為安培，A），R代表電阻（單位為歐姆，Ω）。這個公式可以解釋為：電壓等於電流乘以電阻。換句話說，當電阻固定時，電壓隨著電流的增加而增加，電壓和電流成正比。
歐姆定律在電路（Electricity Circuit）分析和設計中非常有用。通過應用歐姆定律，我們可以計算出在一個電路中的電流大小，或者根據所需的電流計算所需的電壓或電阻。需要注意的是，歐姆定律僅適用於線性電阻元件，也就是其電阻值在給定的電壓和電流範圍內保持不變的元件。對於非線性元件，如二極管和電晶體等，歐姆定律則不適用。
以下是香港中學物理課中常見、有關歐姆定律的實驗，以測試電流與電壓的關係，看看兩者成正比，反比還是沒有關係。
實驗所需材料
電池（3V和6V）
電壓表 (0-10 V)
電流表（0-10毫安）
電流表(0-1 A)
電阻器（~200 0）
燈泡（-6 V，3 W）
可變電阻（0-500 2）
可變電阻（0-50 2）
連線電線
電路開關
實驗過程
實驗第一部分
如圖所示連線電路。 在開始實驗之前，將可變電阻器的電阻設定為最大值
關閉電路。 記錄電壓表和電流表的讀數
降低可變電阻器的電阻並重複第2步。
實驗第二部分
如圖所示連線電路。 在開始實驗之前，將可變電阻的電阻設定為最大值。
關閉電路。 記錄電壓表和電流表的讀數。
降低可變電阻器的電阻並重複第2步。
實驗結果：電阻器的電阻在電壓範圍內保持不變。
由此實驗可得知，在歐姆定律下，通過電路的電流與橫跨它的電壓成正比（directly proportional）。
高中物理實驗二：影響電阻的因素（length and thickness）
在物理學中，電阻是電學中的重要角色。電阻的大小與電線的粗幼和長度有關。一般情況下，這個實驗會在本地學校中五學習電學的課題時進行，讓我們一齊來探討這個實驗的基本內容吧！
首先，電阻（R）量度一個物體或元件對電流（I）流動的阻礙程度。電阻的大小取決於兩個主要因素：電線的粗幼和長度。
電線的粗幼：電線的粗幼通常用截面積來表示。當電線的粗度增加時，截面積增大，這樣可以提供更多的導體材料來容納電流。這是因為較粗的電線提供了更多的通道，使電子更容易通過，因此電阻會降低。
電線的長度：電線的長度也會對電阻產生影響。當電線的長度增加時，電流在電線中的流動距離也增加。這樣，電子需要在更長的距離上遇到電阻，導致整體電阻增加。換句話說，較長的電線會增加電阻。
實驗目的
研究電線的長度和厚度如何影響電線的電阻（Resistance）。
實驗所需器材
恆定電線（長度~30cm，厚度~1mm，0.5mm和0.1mm）
1個電池（4.5伏）
電流表
電壓表
金屬線的電阻R與其長度L成正比，與其橫截面積A成反比；
其中p是金屬的電阻率。
電壓計-安培計方法通常用於測量電線的電阻。
實驗過程
如圖所示連線電路。 塑膠板上安裝了三根長度相同但厚度不同的均勻恆定線。 用千分尺測量電線的厚度。
使用電壓表中的引線作為滑動觸點，以增加或減少測量電壓的電線的接觸長度。
對於每根線的長度L，記錄一對電流表讀數I和電壓表讀數V。 此外，計算相應的電阻R。
用另外兩根電線重複步驟2和3。
實驗結果：從實驗得出，電阻與電線長度成正比，電阻與橫截面積成反比。
因此得知，電線的粗幼和長度都會影響電阻。較粗和較短的電線通常具有較低的電阻，而較幼和較長的電線則具有較高的電阻。
*這個實驗中，其中一個導致實驗結果有誤差的原因：由於兩者之間的電阻，測量的電壓比電線上的實際電壓大。
有關更多電學課題的公式解釋及日常應用，歡迎瀏覽上一篇文章，深入了解如何使用牛頓運動定律(Newton's laws of motion)、庫倫定律（Coulomb's law）、熱力學等公式！
高中物理實驗三：加速度及自由落體 (Free Fall)實驗
在物理學中，加速度（Acceleration）是描述物體速度變化的物理量。加速度表示在一段時間內物體速度的變化率。加速度可以是正的、負的或零，並以米每秒平方（m/s²）作為單位來表達。
加速度的計算公式如下：
加速度（a）= （終速度（v）- 初始速度（u））/ 時間（t）
其中，終速度是物體在某一時間點的速度，初始速度是物體在另一時間點的速度，時間則是這兩個時間點之間的時間間隔。
如果物體的速度增加，加速度的方向與速度的方向會是相同；如果物體的速度減小，則加速度的方向與速度的方向相反。
要留意，加速度只是速度的變化率，如果速度保持不變，加速度是零。
自由落體公式
在地球表面附近，所有物體都處於自由落下的狀態，加速度約為g = 9.81 m/s²
在地球表面附近，當一個物體從休息中自由墜落時，該物體的行駛距離（s）與時間流逝（t）有以上關係
空氣阻力隨著墜落物體的速度而增加，並與物體的形狀有關。
實驗所需器材
網球
帶運動感測器的資料記錄器
1個蒸载支架（用於固定運動感測器）
G形抓架
實驗過程
如圖所示設定裝置。 運動感測器應該離地面約1.6米。 確保支架由G形夾牢固地固定在工作臺上。
將球放在運動感測器下方20cm處。
啟動資料記錄程式，放下球。
生成球運動的s-t圖和v-t圖。 另外，找到它的加速度
在它的墜落期間，用另一個不同質量的球重複上述步驟（觀察者應該從運動感測器的角度進行觀測。 因此，s-t圖中的位移應該是感測器的位移，而不是地面的位移。）
實驗結果
從實驗中，我們得知不同質量的物體皆以相同的加速度下降。
在地球表面附近，重力引起的加速度是9.80ms^(-2)
高中物理實驗四：力與加速度 - 牛頓第二定律（Newton’s Second Law)
在物理學中，淨力和加速度（Acceleration）相互影響。
淨力（Force）量度一種物體之間的相互作用，可以令物體移動、變形或改變物體的狀態。力是矢量量，具有大小和方向，通常以牛頓（N）作為單位。牛頓第二定律描述了淨力和加速度之間的關係，該定律表明淨力等於物體的質量乘以加速度：F = ma。這意味著物體所受的淨力越大，它的加速度也就越大。
加速度（Acceleration）是物體速度變化的量度，表示在一段時間內速度的變化率。加速度也是一個矢量量，具有大小和方向，通常以米每秒平方（m/s²）作為單位。根據牛頓第二定律，當一個物體受到施加在它上面的淨力時，它將產生相應的加速度。
我們可以通過牛頓第二定律來計算淨力和加速度之間的關係。如果已經知道物體的質量和加速度，可以通過將質量乘以加速度來計算所受的淨力。同樣地，如果知道物體的質量和施加在此物體上面的淨力，就可以通過將淨力除以質量來計算物體的加速度。
牛頓第二定律公式
物體的加速度與作用在物體上的淨力成正比，與其質量成反比，這個公式表明，當一個物體受到施加在它上面的淨力時，它將產生相應的加速度。
*公式也可以以 F = ma來表達。
F表示物體所受的淨力，
m表示物體的質量，
a表示物體的加速度。
當一個物體從靜止到加速時，其中t是時間，它的位移和加速度（a）有以下關係：
實驗所需器材
手推車
跑道
繩子（約2米）
滑輪
一套帶掛鉤的開槽砝碼（每套20克）
秒錶
尺子
粘性膠帶
塑膠板
實驗過程
設定一條跑道。
如圖所示設定裝置。 最初，負載應由開槽重量和總質量為40克的砝碼組成。 八個20克的砝碼用膠帶固定在手推車上。
在距離地板75cm的負載底部時，推動手推車，並記錄負載到達地板的時間。
計算手推車的加速度。
將兩個20克的砝碼重量從手推車轉移到負載上。 重複步驟1至4並記錄結果。
實驗結論：物體的加速度與作用在物體上的力成正比。
當一個物體受到作用力時，它的加速度與該力成正比。這意味著如果施加在物體上的力增加，物體的加速度也會增加；如果力減小，加速度也會減小。這種關係便可以通過牛頓第二定律 F = ma 來解釋。
舉個生活中的例子，假設你正在使用彈弓射擊彈珠，當你拉開彈弓的橡皮筋，施加在彈珠上的力會增加。由於力和加速度成正比，當你釋放彈珠時，它將以更高的加速度射出。也就是說，施加更大的力使得彈珠具有更大的加速度，射擊的速度也會更快。
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高中物理實驗五：範圍和投影角度之間的關係
在物理學中，範圍（Range）和投影角度（Projection Angle）互相影響，特別是在平抛運動中。
拋物線運動（Projectile motion）是指物體以一定的初速度在水平方向上被投擲或發射，然後在重力作用下沿抛物線軌跡移動。在此情況下，範圍（Range）是指物體在水平方向上的總位移，也就是從投擲點到落地點的水平距離。投影角度（Projection Angle）則是指物體的初速度向量和水平方向之間的夾角。投影角度描述物體被投射的方向的量度，通常以弧度或角度來表達。
在拋物線運動中，範圍和投影角度之間存在一個最佳角度，來獲得最大範圍。這個最佳角度通常被稱為最大範圍角度或最佳投射角度。
拋物線運動公式
拋物線運動是自由落體垂直運動和均勻水準運動的結合。
當拋體以從平坦地面的速度（u）投射時，其範圍和投影角度（θ）有者以下關係：
實驗所需器材
固定器和G型夾
塑膠球
測壓器
碳紙（A4）
尺子空白紙（A4）
實驗過程
如圖所示設定裝置。 確保球從桌子的同一水準發射，並以相同的高度落在桌子上。 在球落地的位置周圍固定一張空白紙，上面放著一張碳紙。
從30°的投影角度開始。 射擊10次。 球應該在空白紙上標出10個點。 測量發射器和點之間的平均範圍R。
將投影角度增加5°。 重複步驟2。
重複步驟2和3，直到投影角度達到60°。
實驗結論：R範圍與角度成正比。
當角度=sin 2θ時，範圍達到最大值，其中角度（θ）是投影45°
當其他條件不變時，最大範圍角度取決於重力加速度和初速度的大小。理論上，最大範圍角度是45度。在45度下，投射速度在水平和垂直方向上的分量相等，以達到最長的物體飛行時間，從而達到最大移動範圍。
然而，需要注意的是，實際情況可能會受到其他各種因素的影響，如空氣阻力和地面摩擦等。這些因素可能令最大範圍角度略有變化。因此，在特定的條件下，可以通過計算和實驗來確定最優投射角度，以達到最大範圍。
總結
以上五個實驗是香港高中物理課堂中常見的實驗，實驗豐富的內容和實踐操作都能讓學生對物理學有更深的理解和體驗。在進行實驗的同時，也能夠體驗到科學探索的樂趣。
無論你是即將DSE的應考學生，還是對物理有興趣的科學愛好者，這些實驗都值得你一試。不僅可以增進你的物理知識，還可以提高你的實驗技巧和解析問題的能力。讓我們一起用實驗來追尋物理學的真理！
最後，如果你想進一步了解這些實驗背後的原理和公式的解釋，或者想看更多的物理相關內容，歡迎瀏覽我們的其他文章。Uni+課程涵蓋高中DSE所有重點，助學生深入理解物理基礎與應用，事半功倍地掌握物理應試技巧，一起來探索物理的世界吧！
