談大學物理實驗中基礎性實驗的重要性

牛英煜 王榮

摘要：大學物理實驗作為理工科必修的基礎課程，其所開設的實驗內容應該以基礎性為主，即學生通過所做實驗能夠培養良好的實驗習慣，掌握物理實驗基本方法、提高動手操作能力，以及掌握與實驗相關的基礎物理理論知識。

關鍵詞：物理實驗；基礎性；實驗能力

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）27-0273-02

大學物理實驗是理工科學生在大學較早開設的一門公共必修實驗基礎課程。大學物理實驗一方面能夠為大學物理課程提供實驗基礎，為學生更好地學習物理理論提供幫助；另一方面，作為獨立設課的課程，它還可以幫助學生掌握物理實驗的基本方法，培養學生良好的實驗習慣，提高學生的動手能力、實驗操作能力及創造力。它所涉及的內容廣泛，包括了力學、熱學、電學、光學，以及近現代物理學等各領域。因此大學物理不僅可以為工科各專業后續實驗課培養學生的實驗能力，還可以提供一定的理論基礎[1]。

近年來，隨著科技飛速發展，各種與物理相關的新材料、新方法層出不窮。其中許多材料與方法都已運用到物理實驗中。如各種高靈敏度傳感器在實驗中的運用，太陽能電池特性研究、液晶電光效應、巨磁阻效應等。這些新技術的運用在一定程度上不僅提高了物理實驗的精確性，同時也可以使學生及時地了解到最新的科技成果，使物理實驗能夠緊跟上時代的步伐。

物理實驗不斷推陳出新的同時，我們也不能忽略已有的經典基礎性物理實驗。這些實驗所用的方法與研究的內容與新的實驗相比，雖然測量結果可能不夠準確，研究內容不夠新穎，但它們所涉及的一些方法、手段對培養學生的實驗能力方面有著不可替代的作用。此外，有些基礎性實驗，其研究內容雖然簡單、基礎，但它們能給相關的大學物理理論知識提供有力的實驗支持，可以幫助學生更好地理解理論知識。基礎性物理實驗的重要性主要體現在以下幾個方面。

一、基礎性實驗可以培養學生良好的實驗習慣

目前，部分實驗生產廠家為了追求美觀與方便，會把復雜的實驗簡單化。如電表改裝、電橋法測電阻。這兩個傳統的實驗，是利用導線把電表、電阻、電源等基本元器件連接起來。由于元器件較多，通常要擺滿整個實驗臺。如果在連接電路前，合理放置器件，會使電路連接起來更方便，檢查起來更容易。做完實驗，學生還要把這些器件拆線后，重新擺放整齊。這些實驗過程，可以培養學生合理放置儀器的良好習慣。而有些實驗生產廠家為了美觀、方便，將這些元器件固定在一臺儀器上，然后讓學生直接連線即可。學生使用這種儀器做實驗就缺少了擺放儀器的過程。

很多需要測量時間的實驗，測量時間都用光電計時代替了傳統的手動秒表計時。光電計時比秒表計時準確度提高很多。但對于一些對時間精度要求不是很高的實驗來說，手動秒表計時更能培養學生做實驗時養成專注、認真的習慣。如“三線擺法測量轉動慣量”實驗需要測量三線擺擺動一個周期所用的時間。測量過程中用了積累法，即連續測量100個周期，然后求出一個周期的時間。通過這一方法，提高了手動計時的準確性，其所產生的誤差遠小于其他測量所產生的誤差。所以用更準確的光電計時，對最終測量結果基本沒有影響。如果用手動計時，學生會專心數滿100個周期，這可以培養學生的專注力與對實驗認真的態度。而用光電計時，測量結果會自動生成，學生在測量過程中只能等待，部分學生會聊天、看手機，降低了實驗的嚴肅性。

二、基礎性實驗可以使學生掌握實驗的基本方法

大學物理實驗除了可以驗證相關的物理理論知識外，還有實驗本身所涉及的實驗測量方法，如比較法、放大法、轉換測量法、模擬法、補償法和對稱測量法等。這些實驗方法原理簡單，實用性強，學生容易接受。但由于一些基礎實驗儀器的改良更新，使得這些方法無法有效應用。

比如，“直流電位差計”就是利用補償法消除了測量電壓過程中電源內阻所產生的誤差，從而提高測量精度。但由于儀器體積較大，使用不方便，很多實驗室用更加方便的電子儀器來替代。電子儀器雖然使用方便，但學生失去了學習補償法的機會。“測量金屬絲的楊氏模量”實驗也是一個傳統的基礎性實驗。該實驗需要測量出金屬絲的伸長。但由于金屬絲伸長非常微弱，直接測量很困難，因此需要將金屬絲的伸長放大后再測量。傳統的方法是利用光杠桿方法放大金屬絲伸長。該方法只是利用簡單的幾何光學實現放大，因此學過中學物理的學生就能理解。但現在部分儀器生產廠家利用傳感器代替光杠桿，來測量金屬絲伸長的長度。雖然看起來儀器改進得更加方便、先進，但學生卻失去了學習光杠桿放大方法的機會。“復射式靈敏電流計”是檢測微小電流的傳統常用儀器。該儀器的基本原理與普通指針式電表相同。通過光杠桿放大，多次反射放大，減小力矩放大等簡單的機械放大方法，將微小電流放大。學生在使用該儀器的過程中，也同時學會了三個機械放大方法。但該儀器測量電流時，指針往往需要振動一段時間才能穩定，需要時間相對較長，而且如果電流超量程，儀器容易損壞。所以現在經常用電路放大的靈敏電流計來代替。采用電路放大的電流計，雖然測量精確度不變，測量時指針沒有振動，測量時間短，更且不容易損壞，但放大電流的電路較為復雜，學生很難學會。同樣測量精度的兩種靈敏電流計，采用機械放大的電流計，不僅可以測量電流，而且還能在使用儀器過程中學到放大方法，提高了實驗的教學效果。

三、基礎性實驗可以提高學生的動手能力

提高學生的動手能力是物理實驗課的一個重要作用。如電學實驗中元器件間的連線，光學實驗中光路的調節，力學實驗中長度、時量、質量的測量等。這些實驗有的由于內容簡單、過時，而被新的實驗所取代；有的通過改良，將原有需要動手操作的內容取消。有較高科技含量的新實驗，由于其目的是以研究相關材料的特性為主，實驗中動手操作部分較少。改良的實驗儀器，通常提高了儀器的自動化與智能化，動手操作部分減少。

比如“電表改裝與校準”實驗，其實驗原理初中就已學過，該實驗在大學開設理論上說并不合適。但由于應試教育，使得多數中學都是重理論，輕實驗，很多學生中學甚至沒做過物理實驗[2]。電表改裝實驗雖然原理學生都懂，但每次實驗課都有很多學生將電路接錯，有時一個班級電路接對率甚至不足40%。因此，此實驗雖然簡單，但不應該取消，應該根據學生的實際情況進行選做，提高學生連接電路的動手能力。“測量液體粘滯系數”實驗內容也很簡單。傳統的實驗方法是將一個小球放入裝有甘油的量筒內，用秒表測量小球下落時間，用米尺測量小球下落距離，用游標卡尺測量量筒內徑，用讀數顯微鏡測量小球直徑，用比重計測量甘油密度。實驗雖然簡單，但所用到的測量工具很多，學生在此實驗中可以用到比重計、讀數顯微鏡、秒表、米尺、游標卡尺五個工具。有些工具，如米尺、游標卡尺，比重計，雖然使用方法簡單，但在測量過程中，很多學生還是會讀錯。這些錯誤經過糾正后，學生在以后的測量中就可以避免犯相同的錯誤，提高了測量能力。此實驗也有改良的儀器。改良后的儀器采用光電傳感器測量小球下落的時間，小球下落的距離、量筒內徑、小球直徑都是已知固定不變的。測量時，只需將小球放入甘油，儀器自動測出時間，再將甘油密度測出，輸入到儀器中，儀器自動算出液體的粘滯系數。這種儀器的使用方法與傳統方法相比，自動化程度高，操作簡單。如果在工廠或專業的實驗室，需要測量液體粘滯系數時，用此儀器測量既方便，速度又快。但作為以培養學生實驗能力為主的基礎驗證性實驗，此儀器操作過程太少，學生不能得到較好的鍛煉。“測量金屬絲的楊氏模量”實驗，傳統的方法是利用杠桿放大方法。這個方法在測量時需要調節光路，具體涉及到調節平面鏡的仰角與位置，望遠鏡的位置與焦距，有時還需要兩個學生配合調節，這些過程都可以培養學生的動手調節能力，以及與他人的協作能力。如果用傳感器代替光杠桿，學生就失去了練習機會。

四、基礎性實驗可以幫助學生理解、掌握相關的物理理論知識

雖然現今科技發展迅速，但大學物理作為基礎學科，其講授的內容還是以傳統的物理學知識為主，與現代科技相關的物理學知識最多只是簡單介紹。作為與大學物理緊密相關的課程，大學物理實驗課一個主要的任務就是通過實驗驗證大學物理所講授的理論知識，從而實現理論與實踐相結合，使學生能夠更好地理解、掌握所學到的理論知識。例如，“弦上駐波”實驗就很好地演示了駐波的形狀，以及波腹、波節、波長、頻率間的相互關系。這些現象如果只靠語言講述，學生理解較為困難。利用“邁克爾遜干涉儀”可以完成等傾干涉、等厚干涉兩個光學現象相關的實驗。學生在做實驗過程中，通過操作過程的不同，以及觀察到的不同光學現象，能夠更好地了解兩種干涉的區別，理解“等傾”與“等厚”的意義。

綜上所述，大學物理實驗中傳統的基礎性實驗不應該因為其內容“陳舊”而被具有高新科技的新實驗所取代，也不應該因為其方法簡單而被自動化、智能化所取代。當然，具有高新科技的新實驗與時代相聯系，可以提高學生的學習興趣，擴展學生的知識范圍，也是必不可少的。因此，大學物理實驗一方面應該通過優化選取經典的基礎性實驗，培養學生良好的實驗習慣，掌握實驗的基本方法，提高學生的動手操作能力；另一方面應該積極引進具有自動化與智能化的現代新實驗，使物理實驗能夠跟上時代的步伐。只有這樣才能使基礎實驗與新實驗優勢互補，提高物理實驗課的教學質量。

參考文獻：

[1]李青.論非物理類專業大學物理實驗教學改革[J].山西財經大學學報（高等教育版），2009，12（4）：45-47.

[2]張博，李永濤.大學物理實驗與中學物理實驗銜接的研究[J].大學物理實驗，2012，25（5）：96-97.