工科大學(xué)物理實驗教學(xué)論文
1實驗教學(xué)應(yīng)體現(xiàn)大學(xué)物理實驗技能的特色
大學(xué)物理實驗課的內(nèi)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(bǔ)償”等技術(shù)達(dá)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(xué)中對這些實驗技術(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。如果我們在實驗教學(xué)中注意系統(tǒng)歸納講授實驗技術(shù),或在實驗教學(xué)中是否能圍繞某一種技術(shù)去安排相應(yīng)的實驗訓(xùn)練,學(xué)生對大學(xué)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(yīng)注意體現(xiàn)該實驗技能的特色,豐富學(xué)生的測量知識,注重培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)格的工作態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)及良好的實驗習(xí)慣。
2實驗教學(xué)中應(yīng)提供給學(xué)生有自由選擇的余地
在當(dāng)前實驗教學(xué)中,從大綱、教材以及實驗教學(xué),對學(xué)生的約束力太大,傳統(tǒng)的教學(xué)模式把學(xué)生統(tǒng)得太死。這樣不利于學(xué)生發(fā)揮做實驗的主動性和積極性。如何調(diào)動學(xué)生學(xué)好實驗的主動性和積極性?我認(rèn)為在實驗條件的允許下,可在實驗教學(xué)中為學(xué)生提供一些較有自由選擇的實驗余地,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(shù)的測定為題,提供幾種可行的測量方法,讓學(xué)生根據(jù)自己的愛好去選擇,當(dāng)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了,而對那些心有余力的學(xué)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(yīng)用;或以某種儀器為題,研究它的應(yīng)用等等。學(xué)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(yīng)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(xué)中,我們能做到有計劃且合理地安排,相信對學(xué)生的實驗?zāi)芰蛣?chuàng)造性能力的培養(yǎng)是有益的。當(dāng)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(dǎo)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(xué)中應(yīng)注重數(shù)據(jù)處理方法的訓(xùn)練
實驗技能的訓(xùn)練以及實驗誤差理論與誤差計算固然是大學(xué)物理實驗教學(xué)的基本要求,然而,數(shù)據(jù)處理方法也應(yīng)該是實驗教學(xué)的基本要求之一。以往在實驗教學(xué)中,注意力是否常常放在前者而忽視了后者。本人認(rèn)為,如果我們在物理實驗教學(xué)中,有意識地反復(fù)注意對學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)處理方法的訓(xùn)練,相信對提高物理實驗教學(xué)的質(zhì)量是有益的。學(xué)生一旦掌握了數(shù)據(jù)處理方法,他們的智能,獨(dú)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(xué)物理實驗教學(xué)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(biāo)紙(或在單對數(shù)紙或雙對數(shù)紙)上標(biāo)點(diǎn),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。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(yīng)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(xué)上和幾何意義上說都比較嚴(yán)格。假定上述測量數(shù)據(jù)中,xi的測量誤差都?xì)w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(diǎn)遠(yuǎn)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(jìn)一步討論求得的直線是否通過坐標(biāo)原點(diǎn)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(xué)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�？傊�,大學(xué)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(xué)工具可循,教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)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(xùn)練,學(xué)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?zāi)撤N理論的正確性,或準(zhǔn)備作為以后實踐工作的一個依據(jù)。
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