論物理實驗中的研究性教學(xué)

基金項目：廣西教育廳科技項目（NO.201012MS078）資助

作者簡介：周萍（1977——），女，江西貴溪人，廣西民族大學(xué)物理與電子工程學(xué)院副教授， 博士，研究方向:物理教學(xué)與理論物理

（廣西民族大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 廣西南寧 530006）

摘 要：通過在大學(xué)物理實驗教學(xué)中采用科研模擬研究性教學(xué)，由學(xué)生提出了一種新的測量剛體轉(zhuǎn)動慣量的方法，對原有測量方法進(jìn)行了改進(jìn)，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：研究性教學(xué) 轉(zhuǎn)動慣量 教學(xué)方法

中圖分類號: G420 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2011)10(b)-0000-00

1 引言

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，其中普通物理實驗是理工科學(xué)生進(jìn)行實驗教育的基礎(chǔ)課程，因此普通物理實驗教學(xué)引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[1]。隨著物理學(xué)科的不斷發(fā)展，物理學(xué)實驗技術(shù)的進(jìn)步，對普通物理實驗教學(xué)的要求也不斷提高。近年來，對普通物理實驗教學(xué)改革的研究引起了研究者越來越多的關(guān)注，取得了巨大的進(jìn)展，一方面對普通物理教學(xué)目標(biāo)的進(jìn)一步探討，提出了大學(xué)物理實驗教學(xué)的新體系[2]，另一方面對大學(xué)物理教學(xué)方法也進(jìn)行了深入的討論[3]

以學(xué)生為教學(xué)主體，在教學(xué)過程中開展研究性學(xué)習(xí)對提高學(xué)生的科研能力以及普通物理實驗教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要的影響。然而，在物理教學(xué)，特別是普通物理實驗教學(xué)中如何進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，提高學(xué)生科研能力的研究現(xiàn)在還不多。本文研究在普通物理實驗教學(xué)中，學(xué)生通過對原有的實驗方案分析比較研究和討論，自主設(shè)計新的實驗方案，改進(jìn)原有的實驗方案，獲得更準(zhǔn)確的實驗結(jié)果，并通過該學(xué)習(xí)實驗過程提高科學(xué)研究素質(zhì)，掌握科學(xué)研究的方法，進(jìn)一步為今后的研究奠定相應(yīng)的基礎(chǔ)[3]。

2 物理實驗中的研究性學(xué)習(xí)

普通物理實驗中“轉(zhuǎn)動慣量的測定”誤差往往較大，主要原因是首先無法消除或確定由于轉(zhuǎn)軸摩擦而引起的摩擦力矩以及采用停表和卷尺測量物體下落的高度和時間對實驗帶來較大誤差。通常采用減少誤差的方法有兩種類型，即減少轉(zhuǎn)軸摩擦引起的摩擦力矩對實驗結(jié)果的影響[4，5，6]和通過改進(jìn)時間測量準(zhǔn)確度[7]。在普通物理實驗教學(xué)中，通過研究性學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出一種新的方法，該方法通過減少摩擦力矩對實驗結(jié)果的影響和改進(jìn)試驗中時間測量精確度減少實驗誤差，取得良好的教學(xué)效果。

2.1 實驗裝置改進(jìn)

氣墊導(dǎo)軌和剛體轉(zhuǎn)動儀二者結(jié)合，減少測量誤差，對剛體轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行測量。由剛體定軸轉(zhuǎn)動定律剛體和轉(zhuǎn)動架的轉(zhuǎn)動慣量J與滑行器左側(cè)與剛體轉(zhuǎn)動慣量儀相連的繩子所受彈力T有

其中

a為重物下落時的加速度，β為剛體角加速度，R為剛體轉(zhuǎn)動儀轉(zhuǎn)軸半徑。

由牛頓第二定律，物體對滑行器右側(cè)繩的拉力

T與滑行器運(yùn)動加速度a成正比。

其中分別為重物和滑行器質(zhì)量，即剛體和轉(zhuǎn)動架的轉(zhuǎn)動慣量。

2.2 測量原理及方法

(1) 連接光電門和測速儀的信號線，插導(dǎo)氣管；調(diào)平氣墊導(dǎo)軌平衡。

測量剛體轉(zhuǎn)動儀轉(zhuǎn)軸的直徑D和滑行器的質(zhì)量M。按實驗步驟調(diào)節(jié)剛體轉(zhuǎn)動儀及繞線定滑輪的高度，連接細(xì)線。

平衡摩擦力矩并測定剛體轉(zhuǎn)動儀轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)動慣量J。將電腦計時器調(diào)至“速度”功能，“轉(zhuǎn)換”調(diào)到“cm／s ’檔。加質(zhì)量為的砝碼釋放，調(diào)節(jié)砝碼盤下落高度，由電腦計時器記錄砝碼m的加速度a，測出剛體轉(zhuǎn)動儀轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)動慣量

測量待測剛體轉(zhuǎn)動慣量J。將待測剛體放在剛體轉(zhuǎn)動儀的轉(zhuǎn)架上。加質(zhì)量為的砝碼，記錄砝碼下落加速度a，重復(fù)實驗，測出待測物體和轉(zhuǎn)架的總轉(zhuǎn)動慣量

則待測物體的轉(zhuǎn)動慣量為。

取不同的剛體轉(zhuǎn)動儀半徑，重復(fù)步驟3，4，5測量出一組對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)動半徑的轉(zhuǎn)動慣量值體轉(zhuǎn)動慣量J。

2.3 實驗討論

實驗用氣墊導(dǎo)軌與剛體轉(zhuǎn)動儀相結(jié)合，實驗測量前通過平衡摩擦，減少摩擦結(jié)果的影響，采用電腦計時器計時減少人為誤差，進(jìn)一步提高了實驗的精確度，實驗結(jié)果更接近理論計算數(shù)值，驗證了平行軸定理，實驗誤差如表1所示，其中

由于實驗儀器等系統(tǒng)不可避免存在誤差，實驗值與理論值存在一定的差別。通過進(jìn)行多次測量可以減少不必要的誤差，從而使實際值與理論值更接近，更真值可靠。盡量讓誤差達(dá)到最低限度。

3 結(jié)語

本文探討普通物理實驗教學(xué)中的研究性學(xué)習(xí)，以剛體轉(zhuǎn)動慣量實驗為例，設(shè)計了一種新的測量剛體轉(zhuǎn)動慣量的方法，改進(jìn)了原有的實驗方法，和原有的試驗方法相比，該實驗方案減少了實驗中摩擦以及人為因素對實驗結(jié)果所產(chǎn)生的影響，獲得了較好的結(jié)果。在理解掌握原有實驗原理基礎(chǔ)上，通過由學(xué)生自己設(shè)計改進(jìn)原有實驗，取得更好的實驗結(jié)果，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，相信經(jīng)過一段時間的訓(xùn)練可以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力以及科研能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊述武.普通物理實驗(力、熱部分)第三版[M]北京：高等教育出版社， 2007.

[2] 普通物理課程教學(xué)目標(biāo)研究課題組. 普通物理課程教學(xué)目標(biāo)研究[J].清華大學(xué)教育研究， 1993， 1: 31.

[3] 何琴玉，任占梅.普通物理實驗教學(xué)改革的探討[J].中山大學(xué)學(xué)報，2002， 41: 154.

[4] Bruce Eaton，Richard De Ceer，and Walter Johnson.Moment of intertia appatus[J]. Am. J.Phys..1985，53(2).

[5] 陳春天.剛體轉(zhuǎn)動慣量測定的設(shè)計與實驗.物理實驗[J].1997，6:245.

[6] 秦宏偉，王德安，段吉輝.軸承中的摩擦力矩對轉(zhuǎn)動的影響[J]. 物理實驗.1995，16:216.

[7] 文景，楊國慧.剛體轉(zhuǎn)動慣量測定實驗中計時方法的改進(jìn)[J]. 物理實驗.1998，19:35.

[8] 藍(lán)祥也.用氣墊導(dǎo)軌測量剛體轉(zhuǎn)動慣量 [D]. 南寧:廣西民族大學(xué)物理與電子工程學(xué)院.2009.