大學(xué)物理基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

1、大學(xué)物理基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究 摘要：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、誤差分析是科學(xué)實(shí)驗(yàn)思想的重要內(nèi)容，本文以“冷卻法測(cè)量金屬比熱容”為例，闡述如何在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)思想學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);誤差分析;課堂教學(xué)方法;創(chuàng)新能力;培養(yǎng) 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的課程體系包括基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、研究探索性實(shí)驗(yàn)三個(gè)循序漸進(jìn)的教學(xué)層次?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)所涉及的原理比較簡(jiǎn)單，多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)或者某個(gè)物理規(guī)律的簡(jiǎn)單應(yīng)用，因此基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)定位于基本物理量測(cè)量、常見(jiàn)儀器的使用、基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練和規(guī)范數(shù)據(jù)處理方法的掌握?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)采用的方法具有典型性和示范性，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、誤差分析等方面具有豐

2、富的內(nèi)容，對(duì)于初次學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的理工類(lèi)大學(xué)生而言，這一點(diǎn)無(wú)疑彌足珍貴。因此精選優(yōu)化基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)思想學(xué)習(xí)應(yīng)該受到更多的重視1。本文以“冷卻法測(cè)量金屬比熱容”為例，闡述在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中如何貫徹體現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)思想這一問(wèn)題。 1基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想 “冷卻法測(cè)量金屬比熱容”是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)原理是冷卻定律：高溫物體的放熱速率由散熱環(huán)境、散熱面積、物體與周?chē)h(huán)境的溫差這三個(gè)因素決定，與物體的材料組成無(wú)關(guān)。根據(jù)這個(gè)定律，如果將不同材料制成幾何形狀完全相同的樣品，置于相同的環(huán)境中，它們的放熱速率必然相等。冷卻定律本身并未對(duì)散熱物體內(nèi)部的溫度分

3、布作出規(guī)定。要測(cè)量散熱物體的比熱容，需要把物體放出熱量用其質(zhì)量、比熱容和溫度改變量三者表示出來(lái)，這就要求降溫過(guò)程中樣品的溫度是指樣品的整體溫度。為了保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中樣品內(nèi)部的溫度時(shí)時(shí)均勻、處處均勻，樣品應(yīng)該具有較小的幾何尺寸和良好的導(dǎo)熱性能。樣品的尺寸小，才容易達(dá)到熱平衡，保證其內(nèi)部溫度的均勻。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，樣品的放熱降溫過(guò)程，不可能是一個(gè)熱平衡的過(guò)程，其內(nèi)部必然會(huì)出現(xiàn)溫度的不均勻。但對(duì)導(dǎo)熱性能良好的材料，其內(nèi)部熱量流動(dòng)迅速，達(dá)到熱平衡的時(shí)間（弛豫時(shí)間）非常短，因而在宏觀的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，其內(nèi)部溫度可以視為處處均勻。金屬具有良好的導(dǎo)熱性能，可以滿足這一條件。實(shí)驗(yàn)中的樣品由銅、鐵、鋁三種金屬制成，其中銅樣

4、品作為比熱容已知標(biāo)準(zhǔn)物體。三種材料都作成相同的長(zhǎng)為十幾個(gè)毫米、直徑為幾個(gè)毫米的小圓柱體。這種形狀設(shè)計(jì)使它的側(cè)面積相對(duì)于底面積大得多，實(shí)驗(yàn)中，樣品安裝在底座上，降溫過(guò)程中，散熱的絕大部分是通過(guò)樣品的側(cè)面和上底面進(jìn)行的，大大減少了降溫過(guò)程中樣品與底座之間的熱傳遞引起的實(shí)驗(yàn)誤差（詳見(jiàn)后文），最大程度地保證它們的放熱條件完全相同。物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在這里體現(xiàn)為：確定測(cè)試對(duì)象的性質(zhì)，即樣品的幾何特征；確定測(cè)試方法，樣品在什么環(huán)境下降溫？怎樣才能保證符合實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的要求？怎樣才能盡量減少可能的實(shí)驗(yàn)誤差？雖然在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)階段還不可能對(duì)學(xué)生作出這方面的要求，但實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)該就每個(gè)具體實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想作

5、出評(píng)估，哪怕是簡(jiǎn)單地把它指出來(lái)。要讓學(xué)生真正站在理解科學(xué)實(shí)驗(yàn)的高度看待他所做的實(shí)驗(yàn)，而不是僅僅簡(jiǎn)單重復(fù)教材的操作步驟。多數(shù)物理實(shí)驗(yàn)教師的共識(shí)是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)要少講，實(shí)驗(yàn)原理的詳細(xì)推導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容于步驟的細(xì)致描述，應(yīng)該作為學(xué)生預(yù)習(xí)的主要任務(wù)，教師要少講甚至不講，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想部分，則應(yīng)從科學(xué)方法的角度加以概括總結(jié)，并在可能的情況下作出適當(dāng)?shù)囊臧l(fā)揮。在實(shí)驗(yàn)課堂上我們就以啟發(fā)式教學(xué)方式向?qū)W生提出下述問(wèn)題：本實(shí)驗(yàn)為什么要保證樣品內(nèi)部溫度均勻？如果樣品具有較大的幾何尺寸，能保證它內(nèi)部溫度均勻嗎？如果樣品不是熱的良導(dǎo)體，能用這種方式測(cè)量嗎？實(shí)驗(yàn)中我們固定樣品的溫度降來(lái)測(cè)量降溫時(shí)間，如果固定降溫時(shí)間來(lái)測(cè)量

6、樣品的溫度降，你能給出怎樣的測(cè)量方案？概括起來(lái)，物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總的特征是圍繞既定目標(biāo)、綜合各類(lèi)因素、達(dá)成有效解決方案，它體現(xiàn)了系統(tǒng)化思維的特點(diǎn)，是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一個(gè)重要因素。 2基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中的誤差分析思想 物理理論來(lái)源于實(shí)踐，是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上突出主要因素、忽略次要因素，經(jīng)過(guò)理想化、抽象化而得到的。理論用之于實(shí)踐，那些次要的因素的影響就會(huì)產(chǎn)生作用，物理測(cè)量不可能理想化，這就是誤差的主要原因。對(duì)于初次學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的理工類(lèi)大學(xué)生，誤差往往還只是一個(gè)空洞的概念，克服傳統(tǒng)教育中“重理論，輕實(shí)踐”的弊端，應(yīng)用誤差分析思想對(duì)具體的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)果進(jìn)行分析，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要方面，也是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

7、的主要任務(wù)2。在“冷卻法測(cè)量金屬比熱容”中，樣品在“完全相同的環(huán)境中降溫”就是一個(gè)理想化的表述。實(shí)際上，樣品是安裝在底座上進(jìn)行測(cè)量的，樣品和底座之間，不可避免具有熱接觸。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上采用了兩條措施來(lái)減小這種熱接觸的影響，第一，樣品和底座的接觸面積很小，散熱主要通過(guò)相對(duì)大得多的圓柱體側(cè)面和上底面進(jìn)行；第二，底座材料導(dǎo)熱性差，同時(shí)，底座與樣品間溫差小，根據(jù)付立葉熱傳導(dǎo)定律，溫度梯度小，傳熱就小。但盡管如此，實(shí)驗(yàn)中還是會(huì)出現(xiàn)某些儀器加熱時(shí)間長(zhǎng)、散熱慢、實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差大等問(wèn)題。學(xué)生面對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，往往不知如何著手。我們?cè)谥笇?dǎo)實(shí)驗(yàn)時(shí)，抓住誤差分析這一關(guān)鍵點(diǎn)。檢查儀器，發(fā)現(xiàn)底座上有導(dǎo)熱硅脂堆積（導(dǎo)熱硅脂本來(lái)用

8、于改善加熱和增強(qiáng)熱電偶與樣品之間的熱接觸的），這增加了樣品和底座之間的熱傳遞。加熱時(shí)，相當(dāng)于對(duì)樣品和底座整體進(jìn)行，所以加熱時(shí)間長(zhǎng)，降溫時(shí)，樣品和底座整體降溫，所以散熱慢，降溫時(shí)間長(zhǎng)。這個(gè)效應(yīng)增大到一定的程度，就不滿足“樣品在完全相同的環(huán)境中通過(guò)表面向外散熱降溫”這一條件了。找出原因后，對(duì)樣品和底座進(jìn)行徹底清理，再做實(shí)驗(yàn)，一切正常。測(cè)量?jī)x器（元件）的狀態(tài)是測(cè)量誤差產(chǎn)生的另一個(gè)主要原因。本實(shí)驗(yàn)采用熱電偶進(jìn)行溫度的測(cè)量。熱電偶是科研、工程領(lǐng)域廣泛使用的測(cè)溫元件。不同金屬相互接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，接觸電勢(shì)差對(duì)溫度有非常規(guī)律的依賴關(guān)系，利用它可以把溫度差轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭妱?shì)進(jìn)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。熱電

9、偶的狀態(tài)不正常，直接表現(xiàn)在它輸出的熱電勢(shì)上。具體表現(xiàn)為加熱或降溫過(guò)程中，熱電勢(shì)變化緩慢、不規(guī)律、變化異常，有時(shí)甚至出現(xiàn)熱電勢(shì)值反號(hào)等令人困惑的現(xiàn)象。學(xué)生面臨這些問(wèn)題，往往不知所措，或者雖然能想到這是儀器的故障，卻不知如何著手解決，所以他們一般是要求教師更換儀器。我們?cè)诨A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，就是要幫助學(xué)生克服依賴性，鍛煉分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。指導(dǎo)學(xué)生檢查熱電偶的工作狀態(tài)，一般能找出問(wèn)題的端倪。當(dāng)熱電偶的冷端或測(cè)溫端的接頭出現(xiàn)松脫，就會(huì)出現(xiàn)熱電勢(shì)值異常甚至反號(hào)等令人不解的怪象，用夾鉗將熱電偶的冷端或測(cè)溫端的接頭擰緊，使兩個(gè)接頭具有足夠的接觸面積和良好的電接觸，問(wèn)題就得到解決。加熱或降溫過(guò)程中，熱電

10、勢(shì)變化緩慢，一般是由于熱電偶的冷端或測(cè)溫端的環(huán)境不正常引起。樣品安裝在底座上，熱電偶的測(cè)溫端穿過(guò)底座插入樣品內(nèi)，理論上要求測(cè)溫端的溫度即樣品的溫度，但實(shí)際上，熱電偶的測(cè)溫端不可避免和底座有所接觸，它感受到的溫度其實(shí)是樣品溫度和底座溫度的某種平均值，要使熱電偶的測(cè)溫端的溫度主要反映樣品內(nèi)部的實(shí)際溫度，就必須使熱電偶的測(cè)溫端充分深入樣品內(nèi)部并盡量減少和底座的接觸。熱電偶冷端的情況與此類(lèi)似，或者是熱電偶冷端沒(méi)有很好地插入冰水混合物內(nèi)，或者是杜瓦瓶?jī)?nèi)冰塊完全融化，基準(zhǔn)溫度不準(zhǔn)，從而不能正常測(cè)溫。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中就發(fā)生過(guò)這種情況，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)很順利，測(cè)量最后一個(gè)樣品時(shí)，降溫時(shí)間大大增加了，考慮到實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了比

11、較長(zhǎng)的時(shí)間，我們提示學(xué)生檢查冰水混合物的情況，果然杜瓦瓶?jī)?nèi)冰塊已經(jīng)完全融化，加入冰塊，重置冷端，實(shí)驗(yàn)又能正常進(jìn)行了。我們看到，當(dāng)學(xué)生們經(jīng)過(guò)了自己的觀察、分析，找到并解決了問(wèn)題之后，會(huì)油然生起一種成就感和自豪感，這應(yīng)該是每一個(gè)從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的老師都樂(lè)于見(jiàn)到的吧。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)，沒(méi)有基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)打下的良好基礎(chǔ)，后續(xù)的綜合性實(shí)驗(yàn)、研究探索性實(shí)驗(yàn)就達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。創(chuàng)新是發(fā)展的源動(dòng)力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力人才是大學(xué)教育的主要目標(biāo)。欲達(dá)成此目標(biāo)，不僅需要科學(xué)完善的、與時(shí)俱進(jìn)的教學(xué)體系，也需要?jiǎng)?wù)實(shí)求真、一絲不茍的教學(xué)態(tài)度。實(shí)驗(yàn)課堂上，要充分體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位，讓學(xué)生去面對(duì)實(shí)踐問(wèn)題，又要發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，以適當(dāng)?shù)姆绞綆椭鷮W(xué)生克服困難，做到既不大包大攬，也不放任不管?；A(chǔ)并不意味著簡(jiǎn)單，更不等同于乏味無(wú)趣。好的實(shí)驗(yàn)課堂，應(yīng)該能讓學(xué)生感受到面臨問(wèn)題的困惑、解決問(wèn)題的艱辛以及收獲成功之后的愉