大學物理基礎(chǔ)性實驗教學研究

1、大學物理基礎(chǔ)性實驗教學研究 摘要：實驗設(shè)計、誤差分析是科學實驗思想的重要內(nèi)容，本文以“冷卻法測量金屬比熱容”為例，闡述如何在基礎(chǔ)性實驗的教學中進行科學實驗思想學習、訓練，實現(xiàn)培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的教學目標。 關(guān)鍵詞：實驗設(shè)計;誤差分析;課堂教學方法;創(chuàng)新能力;培養(yǎng) 大學物理實驗的課程體系包括基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、研究探索性實驗三個循序漸進的教學層次。基礎(chǔ)性實驗所涉及的原理比較簡單，多為驗證性實驗或者某個物理規(guī)律的簡單應用，因此基礎(chǔ)性實驗的教學目標定位于基本物理量測量、常見儀器的使用、基本實驗技能訓練和規(guī)范數(shù)據(jù)處理方法的掌握?；A(chǔ)性實驗采用的方法具有典型性和示范性，在實驗設(shè)計、誤差分析等方面具有豐

2、富的內(nèi)容，對于初次學習科學實驗的理工類大學生而言，這一點無疑彌足珍貴。因此精選優(yōu)化基礎(chǔ)性實驗的內(nèi)容，強調(diào)基礎(chǔ)性實驗教學中的科學實驗思想學習應該受到更多的重視1。本文以“冷卻法測量金屬比熱容”為例，闡述在基礎(chǔ)性實驗的教學中如何貫徹體現(xiàn)科學實驗思想這一問題。 1基礎(chǔ)性實驗中的實驗設(shè)計思想 “冷卻法測量金屬比熱容”是大學物理實驗課程中的基礎(chǔ)性實驗，其實驗原理是冷卻定律：高溫物體的放熱速率由散熱環(huán)境、散熱面積、物體與周圍環(huán)境的溫差這三個因素決定，與物體的材料組成無關(guān)。根據(jù)這個定律，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散熱物體內(nèi)部的溫度分

3、布作出規(guī)定。要測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，這就要求降溫過程中樣品的溫度是指樣品的整體溫度。為了保證實驗過程中樣品內(nèi)部的溫度時時均勻、處處均勻，樣品應該具有較小的幾何尺寸和良好的導熱性能。樣品的尺寸小，才容易達到熱平衡，保證其內(nèi)部溫度的均勻。嚴格說來，樣品的放熱降溫過程，不可能是一個熱平衡的過程，其內(nèi)部必然會出現(xiàn)溫度的不均勻。但對導熱性能良好的材料，其內(nèi)部熱量流動迅速，達到熱平衡的時間（弛豫時間）非常短，因而在宏觀的測量時間內(nèi)，其內(nèi)部溫度可以視為處處均勻。金屬具有良好的導熱性能，可以滿足這一條件。實驗中的樣品由銅、鐵、鋁三種金屬制成，其中銅樣

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

5、出評估，哪怕是簡單地把它指出來。要讓學生真正站在理解科學實驗的高度看待他所做的實驗，而不是僅僅簡單重復教材的操作步驟。多數(shù)物理實驗教師的共識是基礎(chǔ)性實驗要少講，實驗原理的詳細推導，實驗內(nèi)容于步驟的細致描述，應該作為學生預習的主要任務，教師要少講甚至不講，而對于實驗的設(shè)計思想部分，則應從科學方法的角度加以概括總結(jié)，并在可能的情況下作出適當?shù)囊臧l(fā)揮。在實驗課堂上我們就以啟發(fā)式教學方式向?qū)W生提出下述問題：本實驗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體，能用這種方式測量嗎？實驗中我們固定樣品的溫度降來測量降溫時間，如果固定降溫時間來測量

6、樣品的溫度降，你能給出怎樣的測量方案？概括起來，物理實驗中的實驗設(shè)計總的特征是圍繞既定目標、綜合各類因素、達成有效解決方案，它體現(xiàn)了系統(tǒng)化思維的特點，是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一個重要因素。 2基礎(chǔ)性實驗中的誤差分析思想 物理理論來源于實踐，是在實踐的基礎(chǔ)上突出主要因素、忽略次要因素，經(jīng)過理想化、抽象化而得到的。理論用之于實踐，那些次要的因素的影響就會產(chǎn)生作用，物理測量不可能理想化，這就是誤差的主要原因。對于初次學習科學實驗的理工類大學生，誤差往往還只是一個空洞的概念，克服傳統(tǒng)教育中“重理論，輕實踐”的弊端，應用誤差分析思想對具體的物理實驗現(xiàn)象、結(jié)果進行分析，是培養(yǎng)學生實踐能力的重要方面，也是基礎(chǔ)性實驗

7、的主要任務2。在“冷卻法測量金屬比熱容”中，樣品在“完全相同的環(huán)境中降溫”就是一個理想化的表述。實際上，樣品是安裝在底座上進行測量的，樣品和底座之間，不可避免具有熱接觸。在實驗設(shè)計上采用了兩條措施來減小這種熱接觸的影響，第一，樣品和底座的接觸面積很小，散熱主要通過相對大得多的圓柱體側(cè)面和上底面進行；第二，底座材料導熱性差，同時，底座與樣品間溫差小，根據(jù)付立葉熱傳導定律，溫度梯度小，傳熱就小。但盡管如此，實驗中還是會出現(xiàn)某些儀器加熱時間長、散熱慢、實驗結(jié)果誤差大等問題。學生面對此類問題，往往不知如何著手。我們在指導實驗時，抓住誤差分析這一關(guān)鍵點。檢查儀器，發(fā)現(xiàn)底座上有導熱硅脂堆積（導熱硅脂本來用

8、于改善加熱和增強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，相當于對樣品和底座整體進行，所以加熱時間長，降溫時，樣品和底座整體降溫，所以散熱慢，降溫時間長。這個效應增大到一定的程度，就不滿足“樣品在完全相同的環(huán)境中通過表面向外散熱降溫”這一條件了。找出原因后，對樣品和底座進行徹底清理，再做實驗，一切正常。測量儀器（元件）的狀態(tài)是測量誤差產(chǎn)生的另一個主要原因。本實驗采用熱電偶進行溫度的測量。熱電偶是科研、工程領(lǐng)域廣泛使用的測溫元件。不同金屬相互接觸時會產(chǎn)生接觸電勢差，接觸電勢差對溫度有非常規(guī)律的依賴關(guān)系，利用它可以把溫度差轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭妱葸M行輸出，從而實現(xiàn)對溫度的測量。熱電

9、偶的狀態(tài)不正常，直接表現(xiàn)在它輸出的熱電勢上。具體表現(xiàn)為加熱或降溫過程中，熱電勢變化緩慢、不規(guī)律、變化異常，有時甚至出現(xiàn)熱電勢值反號等令人困惑的現(xiàn)象。學生面臨這些問題，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。我們在基礎(chǔ)性實驗的教學中，就是要幫助學生克服依賴性，鍛煉分析問題解決問題的能力。指導學生檢查熱電偶的工作狀態(tài)，一般能找出問題的端倪。當熱電偶的冷端或測溫端的接頭出現(xiàn)松脫，就會出現(xiàn)熱電勢值異常甚至反號等令人不解的怪象，用夾鉗將熱電偶的冷端或測溫端的接頭擰緊，使兩個接頭具有足夠的接觸面積和良好的電接觸，問題就得到解決。加熱或降溫過程中，熱電

10、勢變化緩慢，一般是由于熱電偶的冷端或測溫端的環(huán)境不正常引起。樣品安裝在底座上，熱電偶的測溫端穿過底座插入樣品內(nèi)，理論上要求測溫端的溫度即樣品的溫度，但實際上，熱電偶的測溫端不可避免和底座有所接觸，它感受到的溫度其實是樣品溫度和底座溫度的某種平均值，要使熱電偶的測溫端的溫度主要反映樣品內(nèi)部的實際溫度，就必須使熱電偶的測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似，或者是熱電偶冷端沒有很好地插入冰水混合物內(nèi)，或者是杜瓦瓶內(nèi)冰塊完全融化，基準溫度不準，從而不能正常測溫。學生在實驗中就發(fā)生過這種情況，開始實驗很順利，測量最后一個樣品時，降溫時間大大增加了，考慮到實驗已經(jīng)進行了比

11、較長的時間，我們提示學生檢查冰水混合物的情況，果然杜瓦瓶內(nèi)冰塊已經(jīng)完全融化，加入冰塊，重置冷端，實驗又能正常進行了。我們看到，當學生們經(jīng)過了自己的觀察、分析，找到并解決了問題之后，會油然生起一種成就感和自豪感，這應該是每一個從事物理實驗教學的老師都樂于見到的吧。基礎(chǔ)性實驗教學是大學物理實驗課程的基礎(chǔ)，沒有基礎(chǔ)性實驗打下的良好基礎(chǔ)，后續(xù)的綜合性實驗、研究探索性實驗就達不到預期的教學效果。創(chuàng)新是發(fā)展的源動力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力人才是大學教育的主要目標。欲達成此目標，不僅需要科學完善的、與時俱進的教學體系，也需要務實求真、一絲不茍的教學態(tài)度。實驗課堂上，要充分體現(xiàn)學生的學習主體地位，讓學生去面對實踐問題，又要發(fā)揮教師的指導作用，在適當?shù)臅r機，以適當?shù)姆绞綆椭鷮W生克服困難，做到既不大包大攬，也不放任不管?；A(chǔ)并不意味著簡單，更不等同于乏味無趣。好的實驗課堂，應該能讓學生感受到面臨問題的困惑、解決問題的艱辛以及收獲成功之后的愉