在物理實驗教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維與創(chuàng)造發(fā)明能力——以轉(zhuǎn)動定律驗證實驗為例

在物理實驗教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維與創(chuàng)造發(fā)明能力
——以轉(zhuǎn)動定律驗證實驗為例

張銳波①

(浙江大學城市學院浙江 杭州310015)

摘 要：本文重點闡述了在驗證轉(zhuǎn)動定律實驗教學環(huán)節(jié)中，如何向?qū)W生灌輸實驗設(shè)計思想、原理論證、邏輯推理、操作訓練與實驗技巧，以及提高實驗測量精度，減小實驗誤差，進而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新思維、創(chuàng)新精神和創(chuàng)造發(fā)明能力.

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動慣量培養(yǎng)創(chuàng)新人才物理實驗思想精度能力

收稿日期：(2015-02-11)

作者簡介：①張銳波(1959-)，男，副教授，研究方向為大學物理實驗技術(shù)、創(chuàng)新設(shè)計與教學方法研究.

驗證轉(zhuǎn)動定律實驗是理工科院校大學物理實驗教學普遍開設(shè)的一個基礎(chǔ)性實驗項目，經(jīng)過教師仔細琢磨、系統(tǒng)籌劃和研究，通過縱向延伸與橫向拓寬，挖掘、剖析實驗項目的教學內(nèi)涵，就可能達到從不同層面培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的獨特效果.現(xiàn)介紹如下.

1培養(yǎng)學生物理實驗思想

轉(zhuǎn)動定律表述為：轉(zhuǎn)動系統(tǒng)受到的合外力矩等于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量與角加速度的乘積.該實驗思路在于，首先，要從平動和轉(zhuǎn)動的聯(lián)系著手，勾畫轉(zhuǎn)動系統(tǒng)受力分析圖(圖1)，分析理解實驗系統(tǒng)外力矩和阻力矩的方向與產(chǎn)生機理，外力矩是外力通過桌子邊緣滑輪B施加在轉(zhuǎn)動系統(tǒng)上的，該外力并非mg，而需根據(jù)牛頓第二定律列方程來求解；其次，假設(shè)轉(zhuǎn)動定律是正確的，根據(jù)其列方程；其三，平動與轉(zhuǎn)動是通過平動加速度與轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的角加速度聯(lián)系起來的；第四，平動是合外力作用下系統(tǒng)產(chǎn)生平動加速度，轉(zhuǎn)動是合外力矩使系統(tǒng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動角加速度.上述可獲得轉(zhuǎn)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量計算公式，分別測量系統(tǒng)(載物)和空載轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)同軸轉(zhuǎn)動慣量疊加原理計算待測物轉(zhuǎn)動慣量，并與理論值比較，若符合，即可倒推證明轉(zhuǎn)動定律是正確的.

圖1　轉(zhuǎn)動系統(tǒng)受力分析圖

教師通過對上述實驗思路講解，來培養(yǎng)學生的實驗能力，啟示學生從深層次弄清實驗原理，建立數(shù)學模型和找到操作依據(jù)，避免了盲目動手、機械地攫取數(shù)據(jù)，從而加深對基本概念的理解和掌握.這樣一種講解方法，有利于提升學生自主分析、判斷和解決實際問題的能力，因為科研人員的靈感和頓悟多數(shù)來源于類比.

2提高物理實驗測量精度

提高物理實驗的測量精度，是保證科學實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié).抓住這個環(huán)節(jié)，就可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)造發(fā)明的能力.下面我們以轉(zhuǎn)動定律的驗證實驗為例來說明上述判斷.

測量圓環(huán)、圓盤轉(zhuǎn)動慣量和驗證平行軸定理是驗證轉(zhuǎn)動定律的3個主要實驗內(nèi)容，每次實驗中總會有少數(shù)學生所測數(shù)據(jù)與理論值相符率超過10%甚至20%.基于此，作為教師應該教會學生學會查找導致誤差的原因與誤差類型.

2.1實驗裝置的系統(tǒng)誤差

2.1.1轉(zhuǎn)動軸與幾何主軸不重合

轉(zhuǎn)動慣量測量實驗儀的轉(zhuǎn)動軸與幾何主軸不重合，是造成轉(zhuǎn)動慣量實測值偏大的主要原因之一，是測量中無法避免的未定系統(tǒng)誤差，這點應該向?qū)W生講明白.

2.1.2傳動滑輪帶來的誤差

外力(砝碼與掛鉤)引線通過中間傳動滑輪B再繞于轉(zhuǎn)動系統(tǒng)輪C上，由于傳動滑輪B輪軸處的摩擦以及其本身的質(zhì)量m0和半徑r0的存在，而造成傳動滑輪B兩邊繩子張力不同，即T1與T2不嚴格相等.依據(jù)

(1)

(2)

由式(1)、(2)得

(3)

2.2實驗過程的理論方法誤差

根據(jù)推導出的轉(zhuǎn)動慣量計算公式

2.3系統(tǒng)軸傾斜與牽引線不水平帶來的誤差

由于底座沒有調(diào)平標志——玻璃水泡，故無法判斷轉(zhuǎn)動系統(tǒng)是否鉛直，輪軸與轉(zhuǎn)軸若相互擠壓，難免會帶來轉(zhuǎn)動不均勻，造成摩擦力與阻力增大而產(chǎn)生誤差.為避免該誤差產(chǎn)生，學生實驗時，可借助水平尺對底座進行調(diào)平.

轉(zhuǎn)動滑輪B與系統(tǒng)繞線輪C間的連線不水平也會帶來誤差.實驗時傳動輪B槽底與系統(tǒng)繞線輪C要保證水平，線繩也應順著槽的方向，否則，外力引線將會產(chǎn)生向上或向下的分力，從而造成外力矩減小，角加速度β減小，導致轉(zhuǎn)動慣量增大，盡管該誤差對測量結(jié)果影響不大，但也應向?qū)W生分析.

2.4粗大誤差的剔除

若學生實驗所測得的轉(zhuǎn)動慣量與理論值高度不符，多因粗大誤差造成，基于此，教師一定要引導學生認真分析、檢查，比如角減加速度β′代入公式計算時，該值應為負值，否則，會得出大相徑庭結(jié)果，從誤差類型來看應屬粗大誤差，故應剔除.

產(chǎn)生誤差的原因有很多，作為教師一定要向?qū)W生灌輸物理實驗過程中產(chǎn)生誤差的原因與消除誤差的方法，幫助學生提高實驗精度，無需一一剖析，教學的方法上，可向?qū)W生提問、留作課后思考，或關(guān)鍵環(huán)節(jié)提示性講解，以實現(xiàn)培養(yǎng)學生能力上的最佳效果.

3擴展教學內(nèi)容培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維與創(chuàng)造力 開拓學生視野

依據(jù)廠家設(shè)計思想，這套實驗儀器只能測圓盤、圓環(huán)轉(zhuǎn)動慣量和驗證平行軸定理，教學過程中應盡力拓展實驗內(nèi)容，提升學生創(chuàng)造力，教師可向?qū)W生提出測量某一任意形狀物體圍繞任意軸的轉(zhuǎn)動慣量，可留給學生課外思考，要求學生提出實驗思路和設(shè)計方案.這樣做非常有利于培養(yǎng)學生分析和解決實際問題的能力，教學效果顯而易見.

4結(jié)論

驗證轉(zhuǎn)動定律實驗教學可獲得如下效果：

(1)培養(yǎng)學生用倒推法解決實際問題的能力；

(2)讓學生學會發(fā)現(xiàn)實驗誤差產(chǎn)生的原因和減小誤差的方法；

(3)有利于開拓學生視野，啟發(fā)學生思考，促使學生創(chuàng)造思維的形成；

(4)有利于挖掘與匯聚學生創(chuàng)新思維和規(guī)劃實驗方案，啟迪學生智慧；

(5)有利于向?qū)W生灌輸物理實驗設(shè)計思想、研究問題的思路，促使學生融會貫通，幫助學生快速成才.

由此可見，若精心設(shè)計并適當引導，通過一個實驗也可點滴地培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維與發(fā)明創(chuàng)造能力.積少成多，幼苗就可能成大樹.

TrainingStudents′InnovativeThinkingandTheirCreative

andInventiveAbilitiesinPhysicsExperimentTeaching

ZhangRuibo

(CityCollege,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310015)

Abstract:This paper focuses on the moment of inertia in the experimental teaching, how to impart the thought, the design principle of logical reasoning, skills training and improve the measurement accuracy, decrease the measurement error, so as to culture the students′ of innovative thinking, innovative consciousness, innovative spirit and creative ability, this will only encourage with the reader.

Keywords:rotationalinertiaexperiment;culture;innovativetalents;thoughtofphysicalexperiment;precision;capability