從磁懸浮導(dǎo)軌動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)簡析大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)

張 倫，于建勇，李 艷，郭三棟，渠立成

(中國礦業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

從磁懸浮導(dǎo)軌動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)簡析大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)

張 倫，于建勇，李 艷，郭三棟，渠立成

(中國礦業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

磁懸浮導(dǎo)軌動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)因涉及到先進(jìn)的磁懸浮技術(shù)而受到大學(xué)生的青睞。文中以該實(shí)驗(yàn)為例，探討大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)。磁懸浮導(dǎo)軌動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)雖然原理簡單，但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，有助于學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練。分析認(rèn)為，可以從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集、實(shí)驗(yàn)思想的培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正誤判斷、錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因排查、誤差的減小和數(shù)據(jù)的處理等方面來培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。

磁懸浮導(dǎo)軌；動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)技能

磁懸浮動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)是在以前氣墊導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研發(fā)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，因其涉及到先進(jìn)的磁懸浮技術(shù)而受到大學(xué)生的青睞。1842年，英國物理學(xué)家Earnshow提出了磁懸浮的概念，自此，在世界各地科研人員近兩個(gè)世紀(jì)的努力，磁懸浮技術(shù)已在列車、潛水電泵和離心式鼓風(fēng)機(jī)等領(lǐng)域有所應(yīng)用[1-2]。至2012年為止，世界上有常導(dǎo)電式磁懸浮、超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮以及永磁懸浮三種類型的磁懸浮，其分別以德國、日本和中國為代表[3]。而本實(shí)驗(yàn)磁懸浮導(dǎo)軌屬于永磁懸浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他動(dòng)力支持。

本文目的不是介紹和討論磁懸浮技術(shù)，而是通過磁懸浮動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)簡單探討大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)。該實(shí)驗(yàn)屬于綜合性實(shí)驗(yàn)，雖然原理簡單，但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容卻是很豐富，可以測量小車運(yùn)動(dòng)過程中所受阻力加速度(af)、研究速度(v)和位移(s)的關(guān)系、測量重力加速度(g)以及驗(yàn)證牛頓第二定律(F=ma，其中，F(xiàn),m,a分別為外力、質(zhì)量和加速度)等。從課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)記錄到課后數(shù)據(jù)分析及處理，涉及到多方面的知識(shí)和能力，因此磁懸浮動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。通過該實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集、分組實(shí)驗(yàn)思想的培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正誤判斷、錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因排查、誤差的減小和數(shù)據(jù)的處理等方面來討論大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)。

1 如何培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能

大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)和提高是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要目標(biāo)。針對(duì)這一目標(biāo)，磁懸浮導(dǎo)軌動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)不失為一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[5-6]。分析認(rèn)為，在該實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以從以下幾個(gè)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行系列的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練：

(1)培養(yǎng)學(xué)生如何采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)

如果所研究的兩個(gè)物理量之間的關(guān)系是非線性的，又該如何采集數(shù)據(jù)點(diǎn)呢？以pn結(jié)正向特性的研究實(shí)驗(yàn)為例，所研究的電壓和電流兩個(gè)量是非線性關(guān)系，那么在實(shí)驗(yàn)中就不能簡單地讓電壓等間隔的變化，而是應(yīng)該先在實(shí)驗(yàn)中找到電流突然增加的臨界點(diǎn)，然后在接近拐點(diǎn)時(shí)應(yīng)該相對(duì)密集地采集數(shù)據(jù)點(diǎn)。不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)采集方法在不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)該有所側(cè)重。

(2)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生一種實(shí)驗(yàn)思想

圖1 小車不受拉力時(shí)在傾斜的磁懸浮導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)示意圖

上面提到的這一實(shí)驗(yàn)思想不僅在簡單驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中(學(xué)生知道v2-s在理論上是線性關(guān)系)顯示其重要性，而且也滲透到探索性科研實(shí)驗(yàn)中。筆者研究過納米半導(dǎo)體催化劑Cu2O的形貌調(diào)控，雖然實(shí)驗(yàn)難度和實(shí)驗(yàn)參量數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過v2-s的研究實(shí)驗(yàn)，但同樣用到這一實(shí)驗(yàn)思想。筆者使用氮氮二甲基甲酰胺(DMF)作為溶劑合成了不同形貌的Cu2O納米晶，如圖2所示，Cu2O納米晶的形貌變化雖然很大，但合成樣品時(shí)也只是改變了其中的一個(gè)參量，即醋酸根離子的濃度，其它參量和實(shí)驗(yàn)條件都未變化。因此，這一思想的培養(yǎng)有重要意義，對(duì)學(xué)生的影響深遠(yuǎn)。

圖2 不同形貌Cu2O納米晶的SEM圖像，(a)-(c)分別對(duì)應(yīng)在30，60和90 mL DMF中合成的樣品[4] 。

(3)培養(yǎng)學(xué)生如何判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正誤

筆者在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，少數(shù)學(xué)生會(huì)積極主動(dòng)判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正誤，大多數(shù)同學(xué)則是做完實(shí)驗(yàn)請(qǐng)老師判斷正誤。因此，在課堂教學(xué)中，教師要想辦法引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)分析自己實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)錯(cuò)。比如，講課時(shí)加一個(gè)問題：“同學(xué)們，隨著位移的增加，速度將怎樣變化？”，學(xué)生都會(huì)從理論上做出推斷，速度應(yīng)該增加，做實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們就會(huì)自己判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且多數(shù)同學(xué)得到不合理結(jié)果時(shí)，會(huì)主動(dòng)請(qǐng)老師幫忙分析。

此外，授課時(shí)還要引導(dǎo)同學(xué)如何快速判斷自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)不對(duì)。比如，學(xué)生測量重力加速度時(shí)，要求學(xué)生測量5次取平均值。有兩種方法來做此實(shí)驗(yàn)，其一，在5次測量中，改變釋放小車的位置，改變兩個(gè)光電門的距離(如圖3所示)，并且每次傾角的改變量不同(或大或小)。其二，在5次測量中，釋放小車的位置相同，兩個(gè)光電門的距離保持不變，并且每次傾角的改變量相同。顯然，兩種方法都能測量計(jì)算得到g值。但第二種方法能夠更快地檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)錯(cuò)，因?yàn)殡S著傾角的增加，速度越來越大，而且近似線性增加。第一種方法因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件變化很多，不能一眼看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)錯(cuò)，只能計(jì)算出結(jié)果才能判斷出對(duì)錯(cuò)，而且有可能因傾角改變量太小導(dǎo)致速度變化不明顯。在F-a關(guān)系的研究中，也同樣存在這樣的問題，作為教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生快速檢查實(shí)驗(yàn)對(duì)錯(cuò)，好及時(shí)修正。

這種理念在探索性實(shí)驗(yàn)中也常常需要，上文提到筆者是做納米材料形貌調(diào)控研究的，通常對(duì)材料做透射電鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)表征，其實(shí)如果在材料制備過程中細(xì)心觀察，抓住關(guān)鍵特征，就可以知道樣品合成是否成功，不一定非等到TEM/SEM檢測了才知道。比如，觀察材料合成過程的顏色變化，有時(shí)就能判斷出實(shí)驗(yàn)已經(jīng)失敗，沒有進(jìn)行TEM/ SEM表征的必要了。

圖3 小車受拉力時(shí)在傾斜的磁懸浮導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)示意圖

(4)培養(yǎng)學(xué)生分析導(dǎo)致錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因

部分同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中會(huì)得到與事實(shí)截然相反的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師可以指導(dǎo)學(xué)生查找錯(cuò)誤的原因。例如，小車的阻力加速度的測量是在水平導(dǎo)軌上進(jìn)行的，如圖4所示，在這項(xiàng)內(nèi)容中，向?qū)к壨鈧?cè)拉動(dòng)手柄壓縮彈簧A，將小車彈出去，小車獲得一初速度之后即做減速運(yùn)動(dòng)。但筆者時(shí)而會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生得到加速運(yùn)動(dòng)結(jié)果，什么原因呢？觀看學(xué)生的操作就能發(fā)現(xiàn)真相，原來學(xué)生通過壓縮小車上的彈簧B將小車彈出去，此后系統(tǒng)的彈性勢能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾≤嚨膭?dòng)能，所以小車做了加速運(yùn)動(dòng)。雖然理論課上，學(xué)生也用過這個(gè)模型分析過彈性勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能的過程，但在實(shí)驗(yàn)中有時(shí)想不起來用此理論來分析，所以實(shí)驗(yàn)教師可以有意識(shí)的加以引導(dǎo)。再比如，在驗(yàn)證牛頓第二定律時(shí)，隨著砝碼的增加(即外力的增大)，小車做加速運(yùn)動(dòng)，速度越來越大。有時(shí)，學(xué)生會(huì)一臉困惑地來問砝碼增加了，小車怎么做減速運(yùn)動(dòng)呢？讓其做一遍給筆者看看，原來小車沒經(jīng)過光電門2之前，砝碼已經(jīng)落地了，砝碼落地意味著外力的撤除，此時(shí)因?yàn)檐壍赖淖枇Γ≤嚨乃俣乳_始減小。通過這些生動(dòng)的事例，可以教會(huì)學(xué)生如何理論聯(lián)系實(shí)際和提高敏銳的觀察能力，學(xué)會(huì)排查錯(cuò)誤。

圖4 小車在水平磁懸浮導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)示意圖

(5)培養(yǎng)學(xué)生如何減小實(shí)驗(yàn)誤差

盡可能地減小實(shí)驗(yàn)誤差是每次實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要目標(biāo)。因此，教師一方面可以在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中指導(dǎo)學(xué)生如何操作才能減小誤差，另方面在講解數(shù)據(jù)處理時(shí)告訴同學(xué)如何處理可以減小誤差。其一，測量小車的阻力加速度時(shí)讓兩光電門的距離稍稍大一些，記下兩光電門之間的距離，并且在重力加速度的測量和牛頓第二定律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中保持該距離不變，這樣利于系統(tǒng)誤差的消除。其二，在v2-s關(guān)系研究和測重力加速度測量這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中讓位移和傾角相對(duì)變化大一點(diǎn)，可以減小實(shí)驗(yàn)誤差。其三，驗(yàn)證牛頓第二定律時(shí)，系在小車和砝碼之間的繩子各段不能打結(jié)，因?yàn)榻Y(jié)點(diǎn)通過定滑輪時(shí)會(huì)增加阻力引起誤差。至于如何通過數(shù)據(jù)處理減小實(shí)驗(yàn)誤差將在下文進(jìn)行詳細(xì)的分析探討。

(6)培養(yǎng)學(xué)生如何處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

最后，訓(xùn)練學(xué)生用作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如，v2-s關(guān)系圖以及F-a關(guān)系圖可以讓學(xué)生用坐標(biāo)紙或origin軟件作圖。用坐標(biāo)紙作圖求直線斜率時(shí)，給學(xué)生強(qiáng)調(diào)選取直線上相距較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)且不是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。origin軟件常用于科研實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)處理，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，可以建議學(xué)生嘗試應(yīng)用，比如，讓學(xué)生使用軟件進(jìn)行線性擬合給出直線的斜率。

2 結(jié) 論

綜上所述，以磁懸浮動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，探討了如何培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。其方法可以歸納為以下幾點(diǎn)：一、培養(yǎng)學(xué)生如何采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)；二、重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生一種實(shí)驗(yàn)思想；三、培養(yǎng)學(xué)生如何判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正誤；四、培養(yǎng)學(xué)生分析造成錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因；五、培養(yǎng)學(xué)生如何減小實(shí)驗(yàn)誤差；六、培養(yǎng)學(xué)生如何處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。所以，綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚨喾矫娴嘏囵B(yǎng)大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，期待開發(fā)更多受學(xué)生歡迎的綜合性實(shí)驗(yàn)用于課堂教學(xué)。

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Simply Talking about the Cultivation of Experimental Skill for University Students through Dynamic Experiments on Magnetic Levitation Guideway

ZHANG Lun,YU Jian-yong,LI Yan,GUO San-dong,QU Li-cheng

(China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116)

Dynamic experiments on magnetic levitation guideway have attracted increasing interests of university students due to its advanced technology.In this paper,it is discussed how to train experimental skills for university students through this experiment.Although the principle of the experiment is simple,it is good to cultivate experimental skills for the students.It is studied that the experimental technique of students can be trained by collecting experiment datum,cultivating experiment thought,judging the results correct or not,investigating reasons for wrong results,reducing experiment errors and processing experiment datum.

magnetic levitation guideway；dynamic experiments；experimental skill

2016-07-14

國家自然科學(xué)基金(11404391)

1007-2934(2016)06-0117-04

G642.0

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.032