大学物理实验教学探讨

大学物理实验教学探讨

康丽华

(西南科技大学理学院)

《大学物理实验》是理工科大学生低年级阶段的重要基础实验之一,是大学生进行专业实验的基础。《大学物理》对于理工科学生来说是一门重要的基础理论课程,它为这些学生学习专业基础课程和专业课程奠定了不可缺少的理论基础。《大学物理实验》既以《大学物理》为理论指导同时又能验证《大学物理》的理论知识是否正确。因此用理论知识去理解实验原理;用理论知识去指导实验仪器的调试;用理论知识去解释实验中观察到的现象和事实;用理论知识去分析实验过程中的故障和问题;用理论知识去处理实验数据和结果,是我们在实验过程中贯穿始终的指导原则。我们发现,在进行实验的过程中,往往容易出现两种倾向,一种是教师包办实验仪器的调试,学生只测一下数据,然后代入公式处理数据,就完成了实验。这种情况,学生尽管从理论上知道了是怎么一回事,但没有达到培养学生实验能力的目的;另一种是教师在学生不明确实验目的、实验原理、实验操作方法的情况下让学生进行实验。这种情况导致学生在实验过程中完全漫无目的地瞎碰,在规定的时间内无法完成实验任务。要避免这两种倾向出现,作者就自己在实验教学中的点滴体会提出来与大家商讨。　　一、用理论知识去理解实验原理

不管是验证性实验,还是设计探索性实验都有正确的实验原理。有的实验原理可以与物理理论一一对应,直接联系起来;有的实验需要应用物理理论对具体问题进行分析,才能阐述其原理。例如:超声波声速测定的实验,根据公式v=λf,要测出波速(v),必须测出频率(f)和波长(λ)。它的频率(f)测量的原理可直接运用共振理论来分析,即信号源发出的周期性电信号,使发声探头与接受探头组成的振动系统作受迫振动,它的振动幅度大小只有在信号源频率与振动系统的固有频率相等时,在示波器上观察到波形幅度最大,产生共振。学生通过在示波器上进行实验观察既加深了对共振的理解,又明白了声速测量振频率测量的意义。而在波长(λ)的驻波法测量中,一般理论书上讨论的是理想情况:一列入射简谐波与一固定端面处反射简谐波两者叠加,由于反射波有半波损失,入射波与反射波相位差180°,并且当波源与反射点之间距离等于半波长的整数倍时得到稳定驻波,相邻两波腹(节)之间距离等于半波长。但在具体实验中,发声探头与接收探头之间超声波由于多次反射,因此不仅仅是两列波叠加,而是多列波叠加,且波在传播过程中能量不断损失,波幅随着传播距离增大在不断减小,因此叠加后得到的不是稳定驻波而是行驻波。并且当发声探头与接收探头之间的距离为半波长的整数倍时,接收探头为波节,即振动幅度为零,但此时接收探头处的声压最大,在示波器上的波形幅度最大,因此接收探头移动半波长的距离,示波器上的波形幅度再次变为最大,这样即可测出波长。而并非像有的实验讲义所述:发声探头42

与接收探头之间的距离为半波长的整数倍时形成稳定驻波,然后移动接收探头到波腹处示波器上观察到波形幅度最大,接收探头再移动半波长的距离,示波器上的波形幅度再次变为最大,用这方法去测出波长。从这里分析我们不难发现物理实验中原理不是简单地套用物理理论,而是要根据具体问题去分析,才能得到正确的解释。　　二、在实验操作过程中运用理论知识指导实验仪器调试

学生实验具体操作过程中必须在遵守仪器操作规则的前提下大胆调试实验仪器设备,在不断地“尝试”→“失败”→“再尝试”→“再失败”→……→“成功”过程中学生的动手能力得到提高和升华。但是这一过程中如果缺乏理论的指导,仅靠碰运气瞎蒙,也不能达到培养学生运用理论知识分析和解决问题的能力。例如:迈克尔逊干涉仪调试过程中,学生按照实验讲义的操作步骤去调试后仍然不能得到等倾干涉条纹。应该引导学生从光的干涉理论入手去进行分析。两列波产生干涉应满足三个基本条件:①两列波的频率相同,②两列波在相遇处相位差恒定,③两列波振动方向一致。由于机械波频率的相位较稳定、频率较单一、波列很长,很容易产生干涉现象;而光波有它区别于机械波的重要特征:第一,它产生的微观机制是大量原子由高能级向低能级跃迁辐射出光子,因此包含了多种频率成份的光波列,并且位相在不断变化,普通光源很难满足干涉条件,通常采用“一分为二”的方法来获得频率相同的相干光波。第二,一个光波列持续时间很短(即相干时间大约为10-8s),对应的波列长度(即相干长度)很短,因此,就有相干长度和相干时间的,如果两列相干光波之间光程差L太长,超过它的相干长度(即L大于)时无法得到干涉条纹。所以在实验仪器调试过程中应引导学生分析两列相干光的光程差,一是检验反射光与折射光束程差是否相等,即检验迈克尔逊干涉仪上两个平面反射镜到分束板后表面之间的距离是否大致相等;二是检查在未放入扩束镜时,两个平面反射镜的反射点中是否两个最亮点重合,如果是一个平面镜反射最亮点与较暗点重合,则会因为光程差太大,而不能形成干涉条纹。学生通过以上分析后能够迅速调试出等倾干涉条纹,使他们真正知道物理理论对实验的指导作用,逐步培养他们自觉地把理论知识与实践结合起来,使他们分析问题和解决问题的能力得到提高。　　三、用理论知识去分析实验误差

物理实验报告要求学生对实验误差进行分析讨论,但是许多学生无从下手分析,也不知道分析什么,更不能根据具体的实验原理和实验过程写出有意义和有价值的实验误差分析,经常用外界因素的干扰和影响导致实验误差、仪器本身的误差导致测量误差、每个人的读数误差总是存在的等套话来敷衍塞责。下面我们用一个具体的实验误差讨论来引导学生如何应用理论知识去分析实验误差:在电位差计测热电偶温差系数的实验中,要应用一个非常重要的电学仪器-电位差计,从它的工作原理来分析实验误差产生的原因:电位差计是运用补偿原理制成,电路原理如图1所示。当G=0时,有Ex=ES。而Ex往往是不同的,这就要求Es的值要稳定连续可调。电位差计的实际电路等效如图2,即恒流源在滑动变阻器上分压,从而实现Es稳定且连续可调。因此,电位差计的误差应从以下几方面来进行分析:一是恒流源Io利用工作电源与可变电阻组成的回路来获得,如果工作电源是直流稳压电源来提供,因此输入交流电的波动和稳压电源的波动性也会带来测量误差;二是恒流源Io它是利用标准电池来进行校准,因此标准电池的准确性和稳定性会导致电位差计的误差;三是检流计在电位差计的使用中通过检流计来检验已知电源与未知电源(或电压)是否完全补偿。

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在找平面玻璃片的反射十字像时,既要满足平面玻璃片与望远镜垂直,又要望远镜的俯仰角度合适。因此在调整过程中必须同时转动载物台和改变望远镜的俯仰角度,这就要求学生左、右手以及眼睛必须很好地协调与配合才能迅速找到反射十字像,这对于学生的基本实验技能是一个很好的训练;在调整望远镜光轴与载物台平行时,本实验是通过光学的方法来检验望远镜的光轴与载物台是否平行的。实验过程中利用载物台上的平面玻璃片的两面分别反射成像来实现。如果两次成像在望远镜视场中是同样高低,说明载物台与望远镜光轴平行。如果两次成像在望远镜视场中是一高一低,说明载物台与望远镜光轴不平行,就需要调整载物台下面的升降螺钉,使两次反射像达到同样高低。这些调节都要求学生首先理解其原理,对观察到的实验现象进行分析、判断,找到正确的途径迅速完成,对学生的分析问题和解决问题的能力是很好的培养。　　三、培养学生严谨求实的科学作风

在分光计读数过程中为了消除一种偏心差所造成的周期性误差,分光计的读数采用左右两边窗口同时读数的方法来消除偏心差。分光计在没有偏心差的情况下,两边窗口角度读数相差1800。一台分光计是否有偏心差,只有在读取两边窗口的角度数以后才能确定。因此,在实验中教育学生应该尊重事实,实事求是,认真读取两边窗口的角度数。绝不允许只读一边窗口的角度,然后经过加或减1800去推断出另一窗口的角度数。使学生养成严谨求实的科学作风。我们发现在大学物理实验教学过程中,只要注重培养学生的实际动手能力和运用知识去分析问题和解决问题的能力,就可以增长学生的知识与智力,使学生清楚地认识到怎样做实验,更重要的是认识到为什么这样做实验。只要我们在该实验过程中按上述要求进行,就能达到培养学生实验动手能力的目的,纠正学生认为大学物理实验简单而且枯燥的偏见。

(上接第43页)

因此检流计的灵敏度越高测量越准确,测量误差越小。这样从理论上去分析实验误差产生的原因使学生将理论知识与实际问题联系起来,既巩固和加深了理论知识,又增强了学生分析问题和解决问题的能力,也为学生的创造和创新打下一个坚实的基础。

通过以上讨论,我们认识到理论知识在物理实验过程中的地位是非常重要的,因此在实验教学过程中,教师应该有意识、有目的地引导学生应用理论知识去理解实验原理、指导实验操作、分析实验误差,使他们在整个实验过程中知道干什么、怎么干。避免学生实验时机械地按部就班地操作、或瞎碰乱作一气,使其真正达到大学物理实验的教学目的。

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