談大學(xué)物理實驗中基礎(chǔ)性實驗的重要性

牛英煜 王榮

摘要：大學(xué)物理實驗作為理工科必修的基礎(chǔ)課程，其所開設(shè)的實驗內(nèi)容應(yīng)該以基礎(chǔ)性為主，即學(xué)生通過所做實驗?zāi)軌蚺囵B(yǎng)良好的實驗習(xí)慣，掌握物理實驗基本方法、提高動手操作能力，以及掌握與實驗相關(guān)的基礎(chǔ)物理理論知識。

關(guān)鍵詞：物理實驗；基礎(chǔ)性；實驗?zāi)芰?/p>

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）27-0273-02

大學(xué)物理實驗是理工科學(xué)生在大學(xué)較早開設(shè)的一門公共必修實驗基礎(chǔ)課程。大學(xué)物理實驗一方面能夠為大學(xué)物理課程提供實驗基礎(chǔ)，為學(xué)生更好地學(xué)習(xí)物理理論提供幫助；另一方面，作為獨立設(shè)課的課程，它還可以幫助學(xué)生掌握物理實驗的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗習(xí)慣，提高學(xué)生的動手能力、實驗操作能力及創(chuàng)造力。它所涉及的內(nèi)容廣泛，包括了力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)，以及近現(xiàn)代物理學(xué)等各領(lǐng)域。因此大學(xué)物理不僅可以為工科各專業(yè)后續(xù)實驗課培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰?，還可以提供一定的理論基礎(chǔ)[1]。

近年來，隨著科技飛速發(fā)展，各種與物理相關(guān)的新材料、新方法層出不窮。其中許多材料與方法都已運用到物理實驗中。如各種高靈敏度傳感器在實驗中的運用，太陽能電池特性研究、液晶電光效應(yīng)、巨磁阻效應(yīng)等。這些新技術(shù)的運用在一定程度上不僅提高了物理實驗的精確性，同時也可以使學(xué)生及時地了解到最新的科技成果，使物理實驗?zāi)軌蚓o跟上時代的步伐。

物理實驗不斷推陳出新的同時，我們也不能忽略已有的經(jīng)典基礎(chǔ)性物理實驗。這些實驗所用的方法與研究的內(nèi)容與新的實驗相比，雖然測量結(jié)果可能不夠準確，研究內(nèi)容不夠新穎，但它們所涉及的一些方法、手段對培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰Ψ矫嬗兄豢商娲淖饔?。此外，有些基礎(chǔ)性實驗，其研究內(nèi)容雖然簡單、基礎(chǔ)，但它們能給相關(guān)的大學(xué)物理理論知識提供有力的實驗支持，可以幫助學(xué)生更好地理解理論知識?；A(chǔ)性物理實驗的重要性主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

一、基礎(chǔ)性實驗可以培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗習(xí)慣

目前，部分實驗生產(chǎn)廠家為了追求美觀與方便，會把復(fù)雜的實驗簡單化。如電表改裝、電橋法測電阻。這兩個傳統(tǒng)的實驗，是利用導(dǎo)線把電表、電阻、電源等基本元器件連接起來。由于元器件較多，通常要擺滿整個實驗臺。如果在連接電路前，合理放置器件，會使電路連接起來更方便，檢查起來更容易。做完實驗，學(xué)生還要把這些器件拆線后，重新擺放整齊。這些實驗過程，可以培養(yǎng)學(xué)生合理放置儀器的良好習(xí)慣。而有些實驗生產(chǎn)廠家為了美觀、方便，將這些元器件固定在一臺儀器上，然后讓學(xué)生直接連線即可。學(xué)生使用這種儀器做實驗就缺少了擺放儀器的過程。

很多需要測量時間的實驗，測量時間都用光電計時代替了傳統(tǒng)的手動秒表計時。光電計時比秒表計時準確度提高很多。但對于一些對時間精度要求不是很高的實驗來說，手動秒表計時更能培養(yǎng)學(xué)生做實驗時養(yǎng)成專注、認真的習(xí)慣。如“三線擺法測量轉(zhuǎn)動慣量”實驗需要測量三線擺擺動一個周期所用的時間。測量過程中用了積累法，即連續(xù)測量100個周期，然后求出一個周期的時間。通過這一方法，提高了手動計時的準確性，其所產(chǎn)生的誤差遠小于其他測量所產(chǎn)生的誤差。所以用更準確的光電計時，對最終測量結(jié)果基本沒有影響。如果用手動計時，學(xué)生會專心數(shù)滿100個周期，這可以培養(yǎng)學(xué)生的專注力與對實驗認真的態(tài)度。而用光電計時，測量結(jié)果會自動生成，學(xué)生在測量過程中只能等待，部分學(xué)生會聊天、看手機，降低了實驗的嚴肅性。

二、基礎(chǔ)性實驗可以使學(xué)生掌握實驗的基本方法

大學(xué)物理實驗除了可以驗證相關(guān)的物理理論知識外，還有實驗本身所涉及的實驗測量方法，如比較法、放大法、轉(zhuǎn)換測量法、模擬法、補償法和對稱測量法等。這些實驗方法原理簡單，實用性強，學(xué)生容易接受。但由于一些基礎(chǔ)實驗儀器的改良更新，使得這些方法無法有效應(yīng)用。

比如，“直流電位差計”就是利用補償法消除了測量電壓過程中電源內(nèi)阻所產(chǎn)生的誤差，從而提高測量精度。但由于儀器體積較大，使用不方便，很多實驗室用更加方便的電子儀器來替代。電子儀器雖然使用方便，但學(xué)生失去了學(xué)習(xí)補償法的機會?！皽y量金屬絲的楊氏模量”實驗也是一個傳統(tǒng)的基礎(chǔ)性實驗。該實驗需要測量出金屬絲的伸長。但由于金屬絲伸長非常微弱，直接測量很困難，因此需要將金屬絲的伸長放大后再測量。傳統(tǒng)的方法是利用光杠桿方法放大金屬絲伸長。該方法只是利用簡單的幾何光學(xué)實現(xiàn)放大，因此學(xué)過中學(xué)物理的學(xué)生就能理解。但現(xiàn)在部分儀器生產(chǎn)廠家利用傳感器代替光杠桿，來測量金屬絲伸長的長度。雖然看起來儀器改進得更加方便、先進，但學(xué)生卻失去了學(xué)習(xí)光杠桿放大方法的機會?！皬?fù)射式靈敏電流計”是檢測微小電流的傳統(tǒng)常用儀器。該儀器的基本原理與普通指針式電表相同。通過光杠桿放大，多次反射放大，減小力矩放大等簡單的機械放大方法，將微小電流放大。學(xué)生在使用該儀器的過程中，也同時學(xué)會了三個機械放大方法。但該儀器測量電流時，指針往往需要振動一段時間才能穩(wěn)定，需要時間相對較長，而且如果電流超量程，儀器容易損壞。所以現(xiàn)在經(jīng)常用電路放大的靈敏電流計來代替。采用電路放大的電流計，雖然測量精確度不變，測量時指針沒有振動，測量時間短，更且不容易損壞，但放大電流的電路較為復(fù)雜，學(xué)生很難學(xué)會。同樣測量精度的兩種靈敏電流計，采用機械放大的電流計，不僅可以測量電流，而且還能在使用儀器過程中學(xué)到放大方法，提高了實驗的教學(xué)效果。

三、基礎(chǔ)性實驗可以提高學(xué)生的動手能力

提高學(xué)生的動手能力是物理實驗課的一個重要作用。如電學(xué)實驗中元器件間的連線，光學(xué)實驗中光路的調(diào)節(jié)，力學(xué)實驗中長度、時量、質(zhì)量的測量等。這些實驗有的由于內(nèi)容簡單、過時，而被新的實驗所取代；有的通過改良，將原有需要動手操作的內(nèi)容取消。有較高科技含量的新實驗，由于其目的是以研究相關(guān)材料的特性為主，實驗中動手操作部分較少。改良的實驗儀器，通常提高了儀器的自動化與智能化，動手操作部分減少。

比如“電表改裝與校準”實驗，其實驗原理初中就已學(xué)過，該實驗在大學(xué)開設(shè)理論上說并不合適。但由于應(yīng)試教育，使得多數(shù)中學(xué)都是重理論，輕實驗，很多學(xué)生中學(xué)甚至沒做過物理實驗[2]。電表改裝實驗雖然原理學(xué)生都懂，但每次實驗課都有很多學(xué)生將電路接錯，有時一個班級電路接對率甚至不足40%。因此，此實驗雖然簡單，但不應(yīng)該取消，應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的實際情況進行選做，提高學(xué)生連接電路的動手能力?！皽y量液體粘滯系數(shù)”實驗內(nèi)容也很簡單。傳統(tǒng)的實驗方法是將一個小球放入裝有甘油的量筒內(nèi)，用秒表測量小球下落時間，用米尺測量小球下落距離，用游標卡尺測量量筒內(nèi)徑，用讀數(shù)顯微鏡測量小球直徑，用比重計測量甘油密度。實驗雖然簡單，但所用到的測量工具很多，學(xué)生在此實驗中可以用到比重計、讀數(shù)顯微鏡、秒表、米尺、游標卡尺五個工具。有些工具，如米尺、游標卡尺，比重計，雖然使用方法簡單，但在測量過程中，很多學(xué)生還是會讀錯。這些錯誤經(jīng)過糾正后，學(xué)生在以后的測量中就可以避免犯相同的錯誤，提高了測量能力。此實驗也有改良的儀器。改良后的儀器采用光電傳感器測量小球下落的時間，小球下落的距離、量筒內(nèi)徑、小球直徑都是已知固定不變的。測量時，只需將小球放入甘油，儀器自動測出時間，再將甘油密度測出，輸入到儀器中，儀器自動算出液體的粘滯系數(shù)。這種儀器的使用方法與傳統(tǒng)方法相比，自動化程度高，操作簡單。如果在工廠或?qū)I(yè)的實驗室，需要測量液體粘滯系數(shù)時，用此儀器測量既方便，速度又快。但作為以培養(yǎng)學(xué)生實驗?zāi)芰橹鞯幕A(chǔ)驗證性實驗，此儀器操作過程太少，學(xué)生不能得到較好的鍛煉?！皽y量金屬絲的楊氏模量”實驗，傳統(tǒng)的方法是利用杠桿放大方法。這個方法在測量時需要調(diào)節(jié)光路，具體涉及到調(diào)節(jié)平面鏡的仰角與位置，望遠鏡的位置與焦距，有時還需要兩個學(xué)生配合調(diào)節(jié)，這些過程都可以培養(yǎng)學(xué)生的動手調(diào)節(jié)能力，以及與他人的協(xié)作能力。如果用傳感器代替光杠桿，學(xué)生就失去了練習(xí)機會。

四、基礎(chǔ)性實驗可以幫助學(xué)生理解、掌握相關(guān)的物理理論知識

雖然現(xiàn)今科技發(fā)展迅速，但大學(xué)物理作為基礎(chǔ)學(xué)科，其講授的內(nèi)容還是以傳統(tǒng)的物理學(xué)知識為主，與現(xiàn)代科技相關(guān)的物理學(xué)知識最多只是簡單介紹。作為與大學(xué)物理緊密相關(guān)的課程，大學(xué)物理實驗課一個主要的任務(wù)就是通過實驗驗證大學(xué)物理所講授的理論知識，從而實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合，使學(xué)生能夠更好地理解、掌握所學(xué)到的理論知識。例如，“弦上駐波”實驗就很好地演示了駐波的形狀，以及波腹、波節(jié)、波長、頻率間的相互關(guān)系。這些現(xiàn)象如果只靠語言講述，學(xué)生理解較為困難。利用“邁克爾遜干涉儀”可以完成等傾干涉、等厚干涉兩個光學(xué)現(xiàn)象相關(guān)的實驗。學(xué)生在做實驗過程中，通過操作過程的不同，以及觀察到的不同光學(xué)現(xiàn)象，能夠更好地了解兩種干涉的區(qū)別，理解“等傾”與“等厚”的意義。

綜上所述，大學(xué)物理實驗中傳統(tǒng)的基礎(chǔ)性實驗不應(yīng)該因為其內(nèi)容“陳舊”而被具有高新科技的新實驗所取代，也不應(yīng)該因為其方法簡單而被自動化、智能化所取代。當(dāng)然，具有高新科技的新實驗與時代相聯(lián)系，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，擴展學(xué)生的知識范圍，也是必不可少的。因此，大學(xué)物理實驗一方面應(yīng)該通過優(yōu)化選取經(jīng)典的基礎(chǔ)性實驗，培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗習(xí)慣，掌握實驗的基本方法，提高學(xué)生的動手操作能力；另一方面應(yīng)該積極引進具有自動化與智能化的現(xiàn)代新實驗，使物理實驗?zāi)軌蚋蠒r代的步伐。只有這樣才能使基礎(chǔ)實驗與新實驗優(yōu)勢互補，提高物理實驗課的教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻：

[1]李青.論非物理類專業(yè)大學(xué)物理實驗教學(xué)改革[J].山西財經(jīng)大學(xué)學(xué)報（高等教育版），2009，12（4）：45-47.

[2]張博，李永濤.大學(xué)物理實驗與中學(xué)物理實驗銜接的研究[J].大學(xué)物理實驗，2012，25（5）：96-97.