1實驗教學應體現大學物理實驗技能的特色
大學物理實驗課的內容十分豐富,涉及面廣:力、熱、電、磁、光學、近代物理知識都有,且各實驗技術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”、“轉換”、“放大”、“模擬”、“補償”等技術達到測量的目的,而這些技術在其它後續的實驗或高級實驗技術中都要用到。過去實驗教學中對這些實驗技術的講授尤如蜻蜓點水,致使學生也只能得到零星知識,印象並不深刻。如果我們在實驗教學中注意系統歸納講授實驗技術,或在實驗教學中是否能圍繞某一種技術去安排相應的實驗訓練,學生對大學物理實驗技術的特色就會有較深刻的瞭解和掌握。一般説來,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,可分為靜態和動態測量等等。實驗中,無論涉及到哪種測量方法,都應注意體現該實驗技能的特色,豐富學生的測量知識,注重培養學生嚴格的工作態度、嚴謹的工作作風及良好的實驗習慣。
2實驗教學中應提供給學生有自由選擇的餘地
在當前實驗教學中,從大綱、教材以及實驗教學,對學生的約束力太大,傳統的教學模式把學生統得太死。這樣不利於學生髮揮做實驗的主動性和積極性。如何調動學生學好實驗的主動性和積極性?我認為在實驗條件的允許下,可在實驗教學中為學生提供一些較有自由選擇的實驗餘地,讓學生去發揮他們的創造性能力。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,讓學生根據自己的愛好去選擇,當然教學中要有基本的要求,只要學生做到了基本要求就算通過了,而對那些心有餘力的學生,通過課題不同的實驗比較,提出自己的見解去發揮他們的聰明才智。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,可提供衝擊電流計測繪、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。學生通過實驗,會使他們發現一個物理量的測量或者一種儀器或者一種實驗技術的應用,並不是唯一的,哪一種測量方法更為實用可靠?這就會促使他們帶着瓿去研究和探索,如果實驗教學中,我們能做到有計劃且合理地安排,相信對學生的實驗能力和創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實驗,這將給實驗室的工作人員及實驗指導教師增加很多的工作量,同時教師的素質要求會更高,然而,只要各方面予以重視,這個問題是不難解決的。
3實驗教學中應注重數據處理方法的訓練
實驗技能的訓練以及實驗誤差理論與誤差計算固然是大學物理實驗教學的基本要求,然而,數據處理方法也應該是實驗教學的基本要求之一。以往在實驗教學中,注意力是否常常放在前者而忽視了後者。本人認為,如果我們在物理實驗教學中,有意識地反覆注意對學生進行數據處理方法的.訓練,相信對提高物理實驗教學的質量是有益的。學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物理實驗教學中最常用的幾種數據處理方法。例如,實驗測得一組數據為xi,yi(i=1,2,…,n),證公式或求解經驗公式。
3·1用作圖法處理數據
將該組測得的數據在直角座標紙(或在單對數紙或雙對數紙)上標點,看其變化趨勢,比如,用直線去擬合,可行,説明x與y的關係是線性關係,滿足
y=a0+a1x
待定係數可以用
計算。若函數關係已知,如I=U/R,顯然R=1/a1,a0經計算值很小,可近似為零(這很小值因測量誤差帶來的),驗證了I與U的線性關係,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,求解經驗公式,解決方程的迴歸問題。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(普物實驗的一般取值),將對應變量數據逐項逐差,若為恆量,如
δyi=yi-yi-1=a1x(i=1,2,…,n)
則函數為線性關係
y=a0+a1x
如果一次逐差不是恆量,可再次逐項逐差,若二次逐差為恆量
則函數具有
y=a0+a1x+a2x2
形式。如果二次逐差仍不是恆量,可繼續再次逐項逐差,看其是否是恆量,直至逐差為恆量,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討論方程的迴歸問題,它從數學上和幾何意義上説都比較嚴格。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關係為線性關係:
y=a0+a1x
則yi-a0-a1xi=ζix
根據最小二乘法原理
取一級微商,並令一級微商為零,整理後,得
其中
為了判斷函數形式選取是否合理,在a1與a0解定之後,還需要計算相關係數r,對一元線性迴歸,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,説明x與y完全無關,數據點遠離求得的直線,顯然用一元線性迴歸是不妥的;若r=1,説明x與y線性相關得很好,數據密集分佈於求得的直線附近,直線迴歸處理方法是正確的。
此外,還可以進一步討論求得的直線是否通過座標原點以及待定係數a1的誤差問題,用不確定度來表述測量結果。
用平均法處理數據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,用平均法處理數據比較方便。另外,在大學物理的大多數實驗中,物理量之間函數關係多為線性關係,許多非線性關係也可以通過轉換,變非線性關係為線性關係去處理。總之,大學物理實驗數據處理方法很多,有一定的靈活性,也有一定的數學工具可循,教學中應適當安排一些時間,向學生系統講授數據處理方法,並在有關實驗中給予必要的訓練,學生通過對實驗後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,或準備作為以後實踐工作的一個依據。
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