工科大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)論文
1實(shí)驗教學(xué)應體現大學(xué)物理實(shí)驗技能的特色
大學(xué)物理實(shí)驗課的內容十分豐富,涉及面廣:力、熱、電、磁、光學(xué)、近代物理知識都有,且各實(shí)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(guò)“比較”、“轉換”、“放大”、“模擬”、“補償”等技術(shù)達到測量的目的,而這些技術(shù)在其它后續的實(shí)驗或高級實(shí)驗技術(shù)中都要用到。過(guò)去實(shí)驗教學(xué)中對這些實(shí)驗技術(shù)的講授尤如蜻蜓點(diǎn)水,致使學(xué)生也只能得到零星知識,印象并不深刻。如果我們在實(shí)驗教學(xué)中注意系統歸納講授實(shí)驗技術(shù),或在實(shí)驗教學(xué)中是否能?chē)@某一種技術(shù)去安排相應的實(shí)驗訓練,學(xué)生對大學(xué)物理實(shí)驗技術(shù)的特色就會(huì )有較深刻的了解和掌握。一般說(shuō)來(lái),物理測量的方法很多,如以測量來(lái)分,可分為電測量和非電測量?jì)纱箢?lèi);以測量性質(zhì)來(lái)分,可分為直接測量、間接測量和綜合測量;以測量過(guò)程中被測量是否隨時(shí)間變化來(lái)分,可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量等等。實(shí)驗中,無(wú)論涉及到哪種測量方法,都應注意體現該實(shí)驗技能的特色,豐富學(xué)生的測量知識,注重培養學(xué)生嚴格的工作態(tài)度、嚴謹的工作作風(fēng)及良好的實(shí)驗習慣。
2實(shí)驗教學(xué)中應提供給學(xué)生有自由選擇的余地
在當前實(shí)驗教學(xué)中,從大綱、教材以及實(shí)驗教學(xué),對學(xué)生的約束力太大,傳統的教學(xué)模式把學(xué)生統得太死。這樣不利于學(xué)生發(fā)揮做實(shí)驗的主動(dòng)性和積極性。如何調動(dòng)學(xué)生學(xué)好實(shí)驗的主動(dòng)性和積極性?我認為在實(shí)驗條件的允許下,可在實(shí)驗教學(xué)中為學(xué)生提供一些較有自由選擇的實(shí)驗余地,讓學(xué)生去發(fā)揮他們的創(chuàng )造性能力。如以某物理量或某常數的測定為題,提供幾種可行的測量方法,讓學(xué)生根據自己的愛(ài)好去選擇,當然教學(xué)中要有基本的要求,只要學(xué)生做到了基本要求就算通過(guò)了,而對那些心有余力的學(xué)生,通過(guò)課題不同的實(shí)驗比較,提出自己的見(jiàn)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(chǎng)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(xué)生通過(guò)實(shí)驗,會(huì )使他們發(fā)現一個(gè)物理量的測量或者一種儀器或者一種實(shí)驗技術(shù)的應用,并不是唯一的,哪一種測量方法更為實(shí)用可靠?這就會(huì )促使他們帶著(zhù)瓿去研究和探索,如果實(shí)驗教學(xué)中,我們能做到有計劃且合理地安排,相信對學(xué)生的實(shí)驗能力和創(chuàng )造性能力的培養是有益的。當然,根據課題,一次可能要排出若干個(gè)實(shí)驗,這將給實(shí)驗室的工作人員及實(shí)驗指導教師增加很多的工作量,同時(shí)教師的素質(zhì)要求會(huì )更高,然而,只要各方面予以重視,這個(gè)問(wèn)題是不難解決的。
3實(shí)驗教學(xué)中應注重數據處理方法的訓練
實(shí)驗技能的訓練以及實(shí)驗誤差理論與誤差計算固然是大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)的基本要求,然而,數據處理方法也應該是實(shí)驗教學(xué)的基本要求之一。以往在實(shí)驗教學(xué)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(shí)驗教學(xué)中,有意識地反復注意對學(xué)生進(jìn)行數據處理方法的訓練,相信對提高物理實(shí)驗教學(xué)的質(zhì)量是有益的。學(xué)生一旦掌握了數據處理方法,他們的智能,獨立工作的能力等都會(huì )得到提高。
數據處理的方法很多,然而,作圖法、平均法、逐差法和最小二乘法等等依然是大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)中最常用的幾種數據處理方法。例如,實(shí)驗測得一組數據為xi,yi(i=1,2,…,n),證公式或求解經(jīng)驗公式。
3·1用作圖法處理數據
將該組測得的數據在直角坐標紙(或在單對數紙或雙對數紙)上標點(diǎn),看其變化趨勢,比如,用直線(xiàn)去擬合,可行,說(shuō)明x與y的'關(guān)系是線(xiàn)性關(guān)系,滿(mǎn)足
y=a0+a1x
待定系數可以用
計算。若函數關(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(lái)的),驗證了I與U的線(xiàn)性關(guān)系,還可求得R值。不能用直線(xiàn)擬合的,可試探某種類(lèi)型的曲線(xiàn)擬合,求解經(jīng)驗公式,解決方程的回歸問(wèn)題。3·2用逐差法處理數據
將數據列表,設自變量是等間隔變化(普物實(shí)驗的一般取值),將對應變量數據逐項逐差,若為恒量,如
δyi=yi-yi-1=a1x(i=1,2,…,n)
則函數為線(xiàn)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
則函數具有
y=a0+a1x+a2x2
形式。如果二次逐差仍不是恒量,可繼續再次逐項逐差,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,將測量數據分成對半兩組,用隔1項逐差,可求解物理量的常數據。
3·3用最小二乘法處理數據
最小二乘法是從誤差的角度來(lái)討論方程的回歸問(wèn)題,它從數學(xué)上和幾何意義上說(shuō)都比較嚴格。假定上述測量數據中,xi的測量誤差都歸結到yi誤差,且x與y關(guān)系為線(xiàn)性關(guān)系:
y=a0+a1x
則yi-a0-a1xi=ζix
根據最小二乘法原理
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r,對一元線(xiàn)性回歸,r計算式為
根據概率統計理論證明,r值在0與1之間,若r=0,說(shuō)明x與y完全無(wú)關(guān),數據點(diǎn)遠離求得的直線(xiàn),顯然用一元線(xiàn)性回歸是不妥的;若r=1,說(shuō)明x與y線(xiàn)性相關(guān)得很好,數據密集分布于求得的直線(xiàn)附近,直線(xiàn)回歸處理方法是正確的。
此外,還可以進(jìn)一步討論求得的直線(xiàn)是否通過(guò)坐標原點(diǎn)以及待定系數a1的誤差問(wèn)題,用不確定度來(lái)表述測量結果。
用平均法處理數據在方法上比上述方法簡(jiǎn)單,一般在精度要求不太高的測量中,用平均法處理數據比較方便。另外,在大學(xué)物理的大多數實(shí)驗中,物理量之間函數關(guān)系多為線(xiàn)性關(guān)系,許多非線(xiàn)性關(guān)系也可以通過(guò)轉換,變非線(xiàn)性關(guān)系為線(xiàn)性關(guān)系去處理�？傊�,大學(xué)物理實(shí)驗數據處理方法很多,有一定的靈活性,也有一定的數學(xué)工具可循,教學(xué)中應適當安排一些時(shí)間,向學(xué)生系統講授數據處理方法,并在有關(guān)實(shí)驗中給予必要的訓練,學(xué)生通過(guò)對實(shí)驗后的數據作出正確處理,使之找出事物的內在規律性,或檢驗某種理論的正確性,或準備作為以后實(shí)踐工作的一個(gè)依據。
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