工科大學物理實驗教學探討

時間：2024-10-03 14:15:33 物理畢業(yè)論文我要投稿

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　　大學物理實驗是學生進入大學學習所碰到的第一門實驗課,是作為實驗技能訓練的開端和后續(xù)實驗課和理論課的基礎(chǔ)。如何提高工科大學物理實驗教學質(zhì)量,是一個很值得探索的問題。近年來,不少院校在實驗教學改革方面做了許多改進工作,如開設(shè)設(shè)計性物理實驗;改革實驗考核方式;有些院校還開放了實驗室等等,這些改革無疑對實驗教學質(zhì)量的提高,培養(yǎng)學生實驗能力,做出了自己的貢獻。那么,物理實驗教學本身是否還有潛力可挖?現(xiàn)就個人幾年來的實驗教學體會,提出如下見解。
　　1　實驗教學應體現(xiàn)大學物理實驗技能的特色
　　大學物理實驗課的內(nèi)容十分豐富,涉及面廣:力、熱、電、磁、光學、近代物理知識都有,且各實驗技術(shù)有其自己的一套特色。比如,對某物理量可直接測量,若不能直接測量的可通過“比較”、“轉(zhuǎn)換”、“放大”、“模擬”、“補償”等技術(shù)達到測量的目的,而這些技術(shù)在其它后續(xù)的實驗或高級實驗技術(shù)中都要用到。過去實驗教學中對這些實驗技術(shù)的講授尤如蜻蜓點水,致使學生也只能得到零星知識,印象并不深刻。如果我們在實驗教學中注意系統(tǒng)歸納講授實驗技術(shù),或在實驗教學中是否能圍繞某一種技術(shù)去安排相應的實驗訓練,學生對大學物理實驗技術(shù)的特色就會有較深刻的了解和掌握。一般說來,物理測量的方法很多,如以測量來分,可分為電測量和非電測量兩大類;以測量性質(zhì)來分,可分為直接測量、間接測量和綜合測量;以測量過程中被測量是否隨時間變化來分,可分為靜態(tài)和動態(tài)測量等等。實驗中,無論涉及到哪種測量方法,都應注意體現(xiàn)該實驗技能的特色,豐富學生的測量知識,注重培養(yǎng)學生嚴格的工作態(tài)度、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L及良好的實驗習慣。
　　2　實驗教學中應提供給學生有自由選擇的余地
　　在當前實驗教學中,從大綱、教材以及實驗教學,對學生的約束力太大,傳統(tǒng)的教學模式把學生統(tǒng)得太死。這樣不利于學生發(fā)揮做實驗的主動性和積極性。如何調(diào)動學生學好實驗的主動性和積極性?我認為在實驗條件的允許下,可在實驗教學中為學生提供一些較有自由選擇的實驗余地,讓學生去發(fā)揮他們的創(chuàng)造性能力。如以某物理量或某常數(shù)的測定為題,提供幾種可行的測量方法,讓學生根據(jù)自己的愛好去選擇,當然教學中要有基本的要求,只要學生做到了基本要求就算通過了,而對那些心有余力的學生,通過課題不同的實驗比較,提出自己的見解去發(fā)揮他們的聰明才智。例如,重力加速度的測量,可提供單擺法、自由落體或凱特擺法測定;磁場的描繪,可提供沖擊電流計測繪、模擬法、霍爾元件或高斯計等方法測繪;或以某種測量技術(shù)為題,研究它的應用;或以某種儀器為題,研究它的應用等等。學生通過實驗,會使他們發(fā)現(xiàn)一個物理量的測量或者一種儀器或者一種實驗技術(shù)的應用,并不是唯一的,哪一種測量方法更為實用可靠?這就會促使他們帶著瓿去研究和探索,如果實驗教學中,我們能做到有計劃且合理地安排,相信對學生的實驗能力和創(chuàng)造性能力的培養(yǎng)是有益的。當然,根據(jù)課題,一次可能要排出若干個實驗,這將給實驗室的工作人員及實驗指導教師增加很多的工作量,同時教師的素質(zhì)要求會更高,然而,只要各方面予以重視,這個問題是不難解決的。
　　3　實驗教學中應注重數(shù)據(jù)處理方法的訓練
　　實驗技能的訓練以及實驗誤差理論與誤差計算固然是大學物理實驗教學的基本要求,然而,數(shù)據(jù)處理方法也應該是實驗教學的基本要求之一。以往在實驗教學中,注意力是否常常放在前者而忽視了后者。本人認為,如果我們在物理實驗教學中,有意識地反復注意對學生進行數(shù)據(jù)處理方法的訓練,相信對提高物理實驗教學的質(zhì)量是有益的。學生一旦掌握了數(shù)據(jù)處理方法,他們的智能,獨立工作的能力等都會得到提高。
　　數(shù)據(jù)處理的方法很多,然而,作圖法、平均法、逐差法和最小二乘法等等依然是大學物理實驗教學中最常用的幾種數(shù)據(jù)處理方法。例如,實驗測得一組數(shù)據(jù)為xi,yi(i =1,2,…,n),證公式或求解經(jīng)驗公式。
　　3·1　用作圖法處理數(shù)據(jù)
　　將該組測得的數(shù)據(jù)在直角坐標紙(或在單對數(shù)紙或雙對數(shù)紙)上標點,看其變化趨勢,比如,用直線去擬合,可行,說明x與y的關(guān)系是線性關(guān)系,滿足
　　　　　　　　　　　y = a0+ a1x
　　待定系數(shù)可以用
　　　　　　　　　
　　計算。若函數(shù)關(guān)系已知,如I= U/R,顯然R =1/a1,a0經(jīng)計算值很小,可近似為零(這很小值因測量誤差帶來的),驗證了I與U的線性關(guān)系,還可求得R值。不能用直線擬合的,可試探某種類型的曲線擬合,求解經(jīng)驗公式,解決方程的回歸問題。

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　　3·2　用逐差法處理數(shù)據(jù)
　　將數(shù)據(jù)列表,設(shè)自變量是等間隔變化(普物實驗的一般取值),將對應變量數(shù)據(jù)逐項逐差,若為恒量,如
　　　　δyi= yi-yi-1= a1x　　(i =1,2,…,n)
　　則函數(shù)為線性關(guān)系
　　　　y = a0+ a1x
　　如果一次逐差不是恒量,可再次逐項逐差,若二次逐差為恒量
　　　　　　
　　則函數(shù)具有
　　　　y = a0+ a1x+ a2x2
　　形式。如果二次逐差仍不是恒量,可繼續(xù)再次逐項逐差,看其是否是恒量,直至逐差為恒量,可確定其多項式形式。
　　此外,將測量數(shù)據(jù)分成對半兩組,用隔1項逐差,可求解物理量的常數(shù)據(jù)。
　　3·3　用最小二乘法處理數(shù)據(jù)
　　最小二乘法是從誤差的角度來討論方程的回歸問題,它從數(shù)學上和幾何意義上說都比較嚴格。假定上述測量數(shù)據(jù)中,xi的測量誤差都歸結(jié)到y(tǒng)i誤差,且x與y關(guān)系為線性關(guān)系:
　　　　　　　　　y = a0+ a1x
　　則　　　　　　yi- a0- a1xi=ζix
　　根據(jù)最小二乘法原理
　　　　　　　
　　取一級微商,并令一級微商為零,整理后,得
　　　
　　其中
　　　　　　　
　　為了判斷函數(shù)形式選取是否合理,在a1與a0解定之后,還需要計算相關(guān)系數(shù)r,對一元線性回歸,r計算式為
　　　　　　　　
　　根據(jù)概率統(tǒng)計理論證明,r值在0與1之間,若r =0,說明x與y完全無關(guān),數(shù)據(jù)點遠離求得的直線,顯然用一元線性回歸是不妥的;若r =1,說明x與y線性相關(guān)得很好,數(shù)據(jù)密集分布于求得的直線附近,直線回歸處理方法是正確的。
　　此外,還可以進一步討論求得的直線是否通過坐標原點以及待定系數(shù)a1的誤差問題,用不確定度來表述測量結(jié)果。
　　用平均法處理數(shù)據(jù)在方法上比上述方法簡單,一般在精度要求不太高的測量中,用平均法處理數(shù)據(jù)比較方便。另外,在大學物理的大多數(shù)實驗中,物理量之間函數(shù)關(guān)系多為線性關(guān)系,許多非線性關(guān)系也可以通過轉(zhuǎn)換,變非線性關(guān)系為線性關(guān)系去處理。總之,大學物理實驗數(shù)據(jù)處理方法很多,有一定的靈活性,也有一定的數(shù)學工具可循,教學中應適當安排一些時間,向?qū)W生系統(tǒng)講授數(shù)據(jù)處理方法,并在有關(guān)實驗中給予必要的訓練,學生通過對實驗后的數(shù)據(jù)作出正確處理,使之找出事物的內(nèi)在規(guī)律性,或檢驗某種理論的正確性,或準備作為以后實踐工作的一個依據(jù)。

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