浦天舒

(東華大學(xué)理學(xué)院　上海　201620)

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基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)探究性教學(xué)案例

浦天舒

(東華大學(xué)理學(xué)院上海201620)

介紹基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例．探討大面積物理實(shí)驗(yàn)的因材施教．

基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)探究性教學(xué)案例

1　引言

基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)多是一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)．由于受學(xué)時(shí)、經(jīng)費(fèi)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(shù)據(jù)處理方法也是必學(xué)的，不可能都被“淘汰”．然而，這并不意味著不能進(jìn)行探究性教學(xué)．其實(shí)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都可以有探究性的內(nèi)容．多年來，以課堂教學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合卓越工程師培養(yǎng)以及學(xué)生課外科技活動，我們在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的探究性教學(xué)方面做了一些嘗試，并編寫了相關(guān)教材[1]．

2　探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例簡介

惠斯通電橋?qū)嶒?yàn)[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(shí)際上測量精度與電橋的靈敏度有關(guān)，而靈敏度又與橋臂電阻及電源電壓有關(guān)，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)要正確選擇橋臂電阻，而且應(yīng)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(fā)性的．

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

弦駐波實(shí)驗(yàn)[4]：由于弦的振動是由振源驅(qū)動的，并非自由振動，所以應(yīng)該考慮阻力的影響，但空氣阻力是一個(gè)小量，如何測出弦振動時(shí)的空氣阻力系數(shù)，是一個(gè)很好的探究性實(shí)驗(yàn)課題．

非線性電阻的伏安特性實(shí)驗(yàn)[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(diǎn)是有正負(fù)極，所以二極管的測量比小燈泡略麻煩些．二者結(jié)合就能取得較好的實(shí)驗(yàn)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(shí)也作為光電二極管的光源，這樣可通過改變光照強(qiáng)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容．

靈敏電流計(jì)特性實(shí)驗(yàn)[6]：這是一個(gè)電磁學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)．但實(shí)際上靈敏電流計(jì)線圈在磁場中的轉(zhuǎn)動跟電磁動量有關(guān)．電磁動量的概念比較抽象，但當(dāng)靈敏電流計(jì)線圈偏轉(zhuǎn)時(shí)，可以研究線圈的機(jī)械動量與電磁場的動量是如何互相轉(zhuǎn)化的，在實(shí)驗(yàn)過程中可以給出詳細(xì)分析，從而使比較抽象的電磁動量的概念通過實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)出來．

透鏡焦距測量實(shí)驗(yàn)[5]：可以把用透鏡組裝顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡并測其放大率作為實(shí)驗(yàn)的拓展．這樣可以提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)的興趣．

某些近代物理實(shí)驗(yàn)，也可以結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容給學(xué)生提出一些挑戰(zhàn)性的課題．例如光泵磁共振實(shí)驗(yàn)[7]，實(shí)驗(yàn)的同時(shí)可以對當(dāng)?shù)氐牡卮艌鲞M(jìn)行測量．由于各地的地磁場一般沒有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)供參考，因此實(shí)驗(yàn)的結(jié)果正確與否，對于實(shí)驗(yàn)者來說就有著一定的挑戰(zhàn)意味．

在數(shù)據(jù)處理方面，可以結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)，探究最小二乘法、統(tǒng)計(jì)推斷等數(shù)據(jù)處理方法如何具體運(yùn)用．例如，在用拉伸法測量金屬絲的楊氏模量的實(shí)驗(yàn)中，可以用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)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(yuǎn)大于砝碼的誤差，所以用來擬合的回歸方程應(yīng)該把伸長量作為因變量．這一點(diǎn)往往被初學(xué)者所忽視，但又必須做過實(shí)驗(yàn)才能有所體會．又如在導(dǎo)熱系數(shù)測量、水的比熱容測量等實(shí)驗(yàn)中，都要利用牛頓冷卻定律測定冷卻系數(shù)，由于冷卻是一個(gè)動態(tài)過程，所以時(shí)間的測量誤差顯然遠(yuǎn)大于溫度的測量誤差，回歸方程應(yīng)該以時(shí)間作為因變量[8](而且應(yīng)適當(dāng)選擇加熱的最高溫度使牛頓冷卻定律在其適用范圍內(nèi))．但有時(shí)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(tài)法測量轉(zhuǎn)動慣量的實(shí)驗(yàn)中[9]，須測定轉(zhuǎn)動的時(shí)間周期，當(dāng)選時(shí)間作為因變量后，它與轉(zhuǎn)角的關(guān)系就成了非線性的了，這時(shí)就要用非線性函數(shù)的最小二乘法來處理測量數(shù)據(jù)．

又如在密立根油滴實(shí)驗(yàn)中，由于測量誤差，不可避免地會出現(xiàn)所謂“半個(gè)電荷”的測量結(jié)果，因此必須測量足夠數(shù)量的油滴來對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷．因教學(xué)實(shí)驗(yàn)不可能測量過多的油滴數(shù)目，所以測量多少油滴要憑經(jīng)驗(yàn)，為了讓學(xué)生能夠自己得出這一經(jīng)驗(yàn)，可以讓學(xué)生把測得的電荷量跟基本電荷整數(shù)倍的偏離量作散點(diǎn)圖，從中看出需測量多少電荷才能得出正態(tài)分布圖，由此不難得出測量的油滴數(shù)目應(yīng)該在15個(gè)以上的結(jié)論[10]．

又如電位差計(jì)通常被認(rèn)為是一種應(yīng)該淘汰的儀器，但在用電位差計(jì)檢定電壓表的實(shí)驗(yàn)中，其不確定度分析[11]卻很有典型意義，因?yàn)閷W(xué)生往往不知道需考慮哪些不確定度分量，而在這一實(shí)驗(yàn)中須考慮電源、檢流計(jì)、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(xué)生來說是一個(gè)很好的不確定度分析的訓(xùn)練．

3　經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與存在的問題

以上介紹的探究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，都是在一些常規(guī)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上拓展的，幾乎不需要增添什么實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這就給教學(xué)提供了很大的靈活性，便于教師根據(jù)實(shí)際情況取舍．

然而，這些拓展有一個(gè)前提是：前面的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)必須認(rèn)真做，否則不會發(fā)現(xiàn)問題．由于基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)涉及大面積的學(xué)生，面對人數(shù)眾多的學(xué)生，不可能對人人提出高要求，對于大多數(shù)學(xué)生可以只做一般要求，甚至對有些學(xué)生只要求其能夠及格即可，如果對待物理實(shí)驗(yàn)不認(rèn)真或心不在焉，由于不可能發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的問題，也就無法對其提出較高的要求，但要讓這些學(xué)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(yīng)指出的是，對于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)來說，片面強(qiáng)調(diào)所謂“創(chuàng)新”并不一定切合實(shí)際．例如對實(shí)驗(yàn)名稱，附加“基礎(chǔ)性”、“綜合性”、“設(shè)計(jì)性”等一些限定詞實(shí)際上并不妥當(dāng)，因?yàn)閹缀跛袑?shí)驗(yàn)都可以有設(shè)計(jì)性的內(nèi)容，也都有一定的綜合性(例如機(jī)電、光電、光機(jī)電的綜合等等)，從實(shí)驗(yàn)名稱并不能看出實(shí)驗(yàn)是否“高級”．其實(shí)站在學(xué)生的角度，盡可能多做實(shí)驗(yàn)(無論是否“高級”)總是有益的，而能否對其提出較高的要求，應(yīng)根據(jù)學(xué)生程度、學(xué)時(shí)等具體情況．對于學(xué)?；蛏霞売嘘P(guān)部門來說，只需在學(xué)時(shí)和投入上給予保證．

1浦天舒,郭英,李博.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).北京:清華大學(xué)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(shí)驗(yàn),2013,33(Supp):37～38,42

3浦天舒,楊旭方,郭程,等.電容器邊緣效應(yīng)對介電常數(shù)測量的影響及修正.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2013,26(3):46～47

4浦天舒.弦振動實(shí)驗(yàn)中阻力系數(shù)的測定.物理與工程,2015,25(4):54～56

5浦天舒.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中的設(shè)計(jì)性擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)嘗試.物理實(shí)驗(yàn),2010,30(Supp):47～49,53

6浦天舒,姜若詩,楊波,等.利用靈敏電流計(jì)研究電磁動量.第九屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會論文集，2016

7浦天舒.光泵磁共振實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)試和地磁場的測量.2009年全國高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教育學(xué)術(shù)研討會論文集. 北京:清華大學(xué)出版社,2009.327～329

8浦天舒,郭程,陳嘉欣.冷卻曲線的數(shù)據(jù)擬合及回歸方程之選擇.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2013,26(4):96～98,106

9浦天舒.非線性最小二乘法處理轉(zhuǎn)動慣量動態(tài)測量數(shù)據(jù).重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2002,25(Supp):305～306

10浦天舒,郭程,陳嘉欣,等.基于統(tǒng)計(jì)推斷的油滴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2013,26(5):97～100

11浦天舒.用電位差計(jì)檢定電壓表的不確定度分析.實(shí)驗(yàn)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.

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2016-06-28)