在物理實驗教學中培養學生創新思維與創造發明能力——以轉動定律驗證實驗為例

在物理實驗教學中培養學生創新思維與創造發明能力
——以轉動定律驗證實驗為例

張銳波①

(浙江大學城市學院浙江 杭州310015)

摘 要：本文重點闡述了在驗證轉動定律實驗教學環節中，如何向學生灌輸實驗設計思想、原理論證、邏輯推理、操作訓練與實驗技巧，以及提高實驗測量精度，減小實驗誤差，進而培養學生的創新意識與創新思維、創新精神和創造發明能力.

關鍵詞：轉動慣量培養創新人才物理實驗思想精度能力

收稿日期：(2015-02-11)

作者簡介：①張銳波(1959-)，男，副教授，研究方向為大學物理實驗技術、創新設計與教學方法研究.

驗證轉動定律實驗是理工科院校大學物理實驗教學普遍開設的一個基礎性實驗項目，經過教師仔細琢磨、系統籌劃和研究，通過縱向延伸與橫向拓寬，挖掘、剖析實驗項目的教學內涵，就可能達到從不同層面培養學生創新能力的獨特效果.現介紹如下.

1培養學生物理實驗思想

轉動定律表述為：轉動系統受到的合外力矩等于系統的轉動慣量與角加速度的乘積.該實驗思路在于，首先，要從平動和轉動的聯系著手，勾畫轉動系統受力分析圖(圖1)，分析理解實驗系統外力矩和阻力矩的方向與產生機理，外力矩是外力通過桌子邊緣滑輪B施加在轉動系統上的，該外力并非mg，而需根據牛頓第二定律列方程來求解；其次，假設轉動定律是正確的，根據其列方程；其三，平動與轉動是通過平動加速度與轉動系統的角加速度聯系起來的；第四，平動是合外力作用下系統產生平動加速度，轉動是合外力矩使系統產生轉動角加速度.上述可獲得轉動系統轉動慣量計算公式，分別測量系統(載物)和空載轉動慣量，根據同軸轉動慣量疊加原理計算待測物轉動慣量，并與理論值比較，若符合，即可倒推證明轉動定律是正確的.

圖1　轉動系統受力分析圖

教師通過對上述實驗思路講解，來培養學生的實驗能力，啟示學生從深層次弄清實驗原理，建立數學模型和找到操作依據，避免了盲目動手、機械地攫取數據，從而加深對基本概念的理解和掌握.這樣一種講解方法，有利于提升學生自主分析、判斷和解決實際問題的能力，因為科研人員的靈感和頓悟多數來源于類比.

2提高物理實驗測量精度

提高物理實驗的測量精度，是保證科學實驗的關鍵環節.抓住這個環節，就可以培養學生的創新思維與創造發明的能力.下面我們以轉動定律的驗證實驗為例來說明上述判斷.

測量圓環、圓盤轉動慣量和驗證平行軸定理是驗證轉動定律的3個主要實驗內容，每次實驗中總會有少數學生所測數據與理論值相符率超過10%甚至20%.基于此，作為教師應該教會學生學會查找導致誤差的原因與誤差類型.

2.1實驗裝置的系統誤差

2.1.1轉動軸與幾何主軸不重合

轉動慣量測量實驗儀的轉動軸與幾何主軸不重合，是造成轉動慣量實測值偏大的主要原因之一，是測量中無法避免的未定系統誤差，這點應該向學生講明白.

2.1.2傳動滑輪帶來的誤差

外力(砝碼與掛鉤)引線通過中間傳動滑輪B再繞于轉動系統輪C上，由于傳動滑輪B輪軸處的摩擦以及其本身的質量m0和半徑r0的存在，而造成傳動滑輪B兩邊繩子張力不同，即T1與T2不嚴格相等.依據

(1)

(2)

由式(1)、(2)得

(3)

2.2實驗過程的理論方法誤差

根據推導出的轉動慣量計算公式

2.3系統軸傾斜與牽引線不水平帶來的誤差

由于底座沒有調平標志——玻璃水泡，故無法判斷轉動系統是否鉛直，輪軸與轉軸若相互擠壓，難免會帶來轉動不均勻，造成摩擦力與阻力增大而產生誤差.為避免該誤差產生，學生實驗時，可借助水平尺對底座進行調平.

轉動滑輪B與系統繞線輪C間的連線不水平也會帶來誤差.實驗時傳動輪B槽底與系統繞線輪C要保證水平，線繩也應順著槽的方向，否則，外力引線將會產生向上或向下的分力，從而造成外力矩減小，角加速度β減小，導致轉動慣量增大，盡管該誤差對測量結果影響不大，但也應向學生分析.

2.4粗大誤差的剔除

若學生實驗所測得的轉動慣量與理論值高度不符，多因粗大誤差造成，基于此，教師一定要引導學生認真分析、檢查，比如角減加速度β′代入公式計算時，該值應為負值，否則，會得出大相徑庭結果，從誤差類型來看應屬粗大誤差，故應剔除.

產生誤差的原因有很多，作為教師一定要向學生灌輸物理實驗過程中產生誤差的原因與消除誤差的方法，幫助學生提高實驗精度，無需一一剖析，教學的方法上，可向學生提問、留作課后思考，或關鍵環節提示性講解，以實現培養學生能力上的最佳效果.

3擴展教學內容培養學生創新思維與創造力 開拓學生視野

依據廠家設計思想，這套實驗儀器只能測圓盤、圓環轉動慣量和驗證平行軸定理，教學過程中應盡力拓展實驗內容，提升學生創造力，教師可向學生提出測量某一任意形狀物體圍繞任意軸的轉動慣量，可留給學生課外思考，要求學生提出實驗思路和設計方案.這樣做非常有利于培養學生分析和解決實際問題的能力，教學效果顯而易見.

4結論

驗證轉動定律實驗教學可獲得如下效果：

(1)培養學生用倒推法解決實際問題的能力；

(2)讓學生學會發現實驗誤差產生的原因和減小誤差的方法；

(3)有利于開拓學生視野，啟發學生思考，促使學生創造思維的形成；

(4)有利于挖掘與匯聚學生創新思維和規劃實驗方案，啟迪學生智慧；

(5)有利于向學生灌輸物理實驗設計思想、研究問題的思路，促使學生融會貫通，幫助學生快速成才.

由此可見，若精心設計并適當引導，通過一個實驗也可點滴地培養學生創新思維與發明創造能力.積少成多，幼苗就可能成大樹.

TrainingStudents′InnovativeThinkingandTheirCreative

andInventiveAbilitiesinPhysicsExperimentTeaching

ZhangRuibo

(CityCollege,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310015)

Abstract:This paper focuses on the moment of inertia in the experimental teaching, how to impart the thought, the design principle of logical reasoning, skills training and improve the measurement accuracy, decrease the measurement error, so as to culture the students′ of innovative thinking, innovative consciousness, innovative spirit and creative ability, this will only encourage with the reader.

Keywords:rotationalinertiaexperiment;culture;innovativetalents;thoughtofphysicalexperiment;precision;capability