基礎物理實驗探究性教學案例

浦天舒

(東華大學理學院　上海　201620)

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基礎物理實驗探究性教學案例

浦天舒

(東華大學理學院上海201620)

介紹基礎物理實驗中的探究性實驗教學案例．探討大面積物理實驗的因材施教．

基礎物理實驗探究性教學案例

1　引言

基礎物理實驗多是一些傳統實驗．由于受學時、經費等因素的限制，不大可能年年更新，而且那些常用儀器、基本的數據處理方法也是必學的，不可能都被“淘汰”．然而，這并不意味著不能進行探究性教學．其實每個實驗項目都可以有探究性的內容．多年來，以課堂教學為基礎，結合卓越工程師培養以及學生課外科技活動，我們在基礎物理實驗的探究性教學方面做了一些嘗試，并編寫了相關教材[1]．

2　探究性實驗教學案例簡介

惠斯通電橋實驗[2]：如果僅滿足于理解電橋平衡方程，則乍一看似乎用電橋可以測量任何阻值的電阻，但實際上測量精度與電橋的靈敏度有關，而靈敏度又與橋臂電阻及電源電壓有關，所以實驗時要正確選擇橋臂電阻，而且應針對不同的待測電阻值作出不同的選擇才能保證測量精度．由此可以看出，惠斯通電橋并不是對任何阻值的電阻的測量都是合適的．這對不平衡電橋、開爾文電橋的理解也是具有啟發性的．

在紡織品介電常數測定實驗中，須用交流電橋測量平行板電容器的電容，但在此實驗中電容器的邊緣效應的影響不可避免，如何用實驗方法加以修正，可作為實驗拓展的課題．利用場的圖形描繪原理，可以得到介電常數εr的修正公式為[3]

弦駐波實驗[4]：由于弦的振動是由振源驅動的，并非自由振動，所以應該考慮阻力的影響，但空氣阻力是一個小量，如何測出弦振動時的空氣阻力系數，是一個很好的探究性實驗課題．

非線性電阻的伏安特性實驗[5]：可用作非線性電阻的元件有小燈泡、晶體二極管等．二極管的特點是有正負極，所以二極管的測量比小燈泡略麻煩些．二者結合就能取得較好的實驗效果．為此我們采用光電二極管，而小燈泡既作為所研究的非線性元件，同時也作為光電二極管的光源，這樣可通過改變光照強度，得到光電二極管在不同光照下的特性曲線，大大豐富了實驗內容．

靈敏電流計特性實驗[6]：這是一個電磁學的基礎實驗．但實際上靈敏電流計線圈在磁場中的轉動跟電磁動量有關．電磁動量的概念比較抽象，但當靈敏電流計線圈偏轉時，可以研究線圈的機械動量與電磁場的動量是如何互相轉化的，在實驗過程中可以給出詳細分析，從而使比較抽象的電磁動量的概念通過實驗體現出來．

透鏡焦距測量實驗[5]：可以把用透鏡組裝顯微鏡、望遠鏡并測其放大率作為實驗的拓展．這樣可以提高學生實驗時的興趣．

某些近代物理實驗，也可以結合具體的實驗內容給學生提出一些挑戰性的課題．例如光泵磁共振實驗[7]，實驗的同時可以對當地的地磁場進行測量．由于各地的地磁場一般沒有現成的數據供參考，因此實驗的結果正確與否，對于實驗者來說就有著一定的挑戰意味．

在數據處理方面，可以結合具體實驗，探究最小二乘法、統計推斷等數據處理方法如何具體運用．例如，在用拉伸法測量金屬絲的楊氏模量的實驗中，可以用最小二乘法進行數據擬合，由于伸長量很小，通常采用光杠桿法測量，其測量誤差顯然遠大于砝碼的誤差，所以用來擬合的回歸方程應該把伸長量作為因變量．這一點往往被初學者所忽視，但又必須做過實驗才能有所體會．又如在導熱系數測量、水的比熱容測量等實驗中，都要利用牛頓冷卻定律測定冷卻系數，由于冷卻是一個動態過程，所以時間的測量誤差顯然遠大于溫度的測量誤差，回歸方程應該以時間作為因變量[8](而且應適當選擇加熱的最高溫度使牛頓冷卻定律在其適用范圍內)．但有時選定了因變量以后，回歸方程變成了非線性的，例如在用動態法測量轉動慣量的實驗中[9]，須測定轉動的時間周期，當選時間作為因變量后，它與轉角的關系就成了非線性的了，這時就要用非線性函數的最小二乘法來處理測量數據．

又如在密立根油滴實驗中，由于測量誤差，不可避免地會出現所謂“半個電荷”的測量結果，因此必須測量足夠數量的油滴來對數據進行統計推斷．因教學實驗不可能測量過多的油滴數目，所以測量多少油滴要憑經驗，為了讓學生能夠自己得出這一經驗，可以讓學生把測得的電荷量跟基本電荷整數倍的偏離量作散點圖，從中看出需測量多少電荷才能得出正態分布圖，由此不難得出測量的油滴數目應該在15個以上的結論[10]．

又如電位差計通常被認為是一種應該淘汰的儀器，但在用電位差計檢定電壓表的實驗中，其不確定度分析[11]卻很有典型意義，因為學生往往不知道需考慮哪些不確定度分量，而在這一實驗中須考慮電源、檢流計、電阻箱等儀器引入的不確定度分量，這些分量都是不確定度的B分量，因此對學生來說是一個很好的不確定度分析的訓練．

3　經驗總結與存在的問題

以上介紹的探究性實驗內容，都是在一些常規的基礎實驗內容上拓展的，幾乎不需要增添什么實驗設備，這就給教學提供了很大的靈活性，便于教師根據實際情況取舍．

然而，這些拓展有一個前提是：前面的基礎實驗必須認真做，否則不會發現問題．由于基礎物理實驗涉及大面積的學生，面對人數眾多的學生，不可能對人人提出高要求，對于大多數學生可以只做一般要求，甚至對有些學生只要求其能夠及格即可，如果對待物理實驗不認真或心不在焉，由于不可能發現實驗中的問題，也就無法對其提出較高的要求，但要讓這些學生看到別人能夠得高分的原因，只要自己努力也是可以做到的．

最后應指出的是，對于基礎實驗來說，片面強調所謂“創新”并不一定切合實際．例如對實驗名稱，附加“基礎性”、“綜合性”、“設計性”等一些限定詞實際上并不妥當，因為幾乎所有實驗都可以有設計性的內容，也都有一定的綜合性(例如機電、光電、光機電的綜合等等)，從實驗名稱并不能看出實驗是否“高級”．其實站在學生的角度，盡可能多做實驗(無論是否“高級”)總是有益的，而能否對其提出較高的要求，應根據學生程度、學時等具體情況．對于學校或上級有關部門來說，只需在學時和投入上給予保證．

1浦天舒,郭英,李博.大學物理實驗.北京:清華大學出版社,2015

2浦天舒,郭程,陳嘉欣,等.惠斯通電橋橋臂電阻的選擇.物理實驗,2013,33(Supp):37～38,42

3浦天舒,楊旭方,郭程,等.電容器邊緣效應對介電常數測量的影響及修正.大學物理實驗,2013,26(3):46～47

4浦天舒.弦振動實驗中阻力系數的測定.物理與工程,2015,25(4):54～56

5浦天舒.基礎物理實驗中的設計性擴展實驗教學嘗試.物理實驗,2010,30(Supp):47～49,53

6浦天舒,姜若詩,楊波,等.利用靈敏電流計研究電磁動量.第九屆全國高等學校物理實驗教學研討會論文集，2016

7浦天舒.光泵磁共振實驗裝置的調試和地磁場的測量.2009年全國高等學校物理基礎課程教育學術研討會論文集. 北京:清華大學出版社,2009.327～329

8浦天舒,郭程,陳嘉欣.冷卻曲線的數據擬合及回歸方程之選擇.大學物理實驗,2013,26(4):96～98,106

9浦天舒.非線性最小二乘法處理轉動慣量動態測量數據.重慶大學學報,2002,25(Supp):305～306

10浦天舒,郭程,陳嘉欣,等.基于統計推斷的油滴實驗數據處理.大學物理實驗,2013,26(5):97～100

11浦天舒.用電位差計檢定電壓表的不確定度分析.實驗室研究與探索,2000,19(4):219～221

Some Exploring Teaching Cases in Fundamental Physics Experiments

Pu Tianshu

(College of science, Donghua University, Shanghai201620)

This article demonstrates briefly some exploring teaching cases in fundamental physical experiments and discusses the problem of teaching students according to their aptitude.

fundamental physical experiment;exploring teaching;case

2016-06-28)