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1、西南科技大学《高教研究》2004年第3期(总第72期)大学物理实验教学探讨康丽华(西南科技大学理学院)《大学物理实验》是理工科大学生低年级阶段的重要基础实验之一,是大学生进行专业实验的基础。《大学物理》对于理工科学生来说是一门重要的基础理论课程,它为这些学生学习专业基础课程和专业课程奠定了不可缺少的理论基础。《大学物理实验》既以《大学物理》为理论指导同时又能验证《大学物理》的理论知识是否正确。因此用理论知识去理解实验原理;用理论知识去指导实验仪器的调试;用理论知识去解释实验中观察到的现象和事实;用理论知识去分析实验过程中的故障和问题;用理论知识去处理实验数据和结果,是我们在实验过程中贯穿始
2、终的指导原则。我们发现,在进行实验的过程中,往往容易出现两种倾向,一种是教师包办实验仪器的调试,学生只测一下数据,然后代入公式处理数据,就完成了实验。这种情况,学生尽管从理论上知道了是怎么一回事,但没有达到培养学生实验能力的目的;另一种是教师在学生不明确实验目的、实验原理、实验操作方法的情况下让学生进行实验。这种情况导致学生在实验过程中完全漫无目的地瞎碰,在规定的时间内无法完成实验任务。要避免这两种倾向出现,作者就自己在实验教学中的点滴体会提出来与大家商讨。一、用理论知识去理解实验原理不管是验证性实验,还是设计探索性实验都有正确的实验原理。有的实验原理可以与物理理论一一对应,直接联系起来;
3、有的实验需要应用物理理论对具体问题进行分析,才能阐述其原理。例如:超声波声速测定的实验,根据公式v=λf,要测出波速(v),必须测出频率(f)和波长(λ)。它的频率(f)测量的原理可直接运用共振理论来分析,即信号源发出的周期性电信号,使发声探头与接受探头组成的振动系统作受迫振动,它的振动幅度大小只有在信号源频率与振动系统的固有频率相等时,在示波器上观察到波形幅度最大,产生共振。学生通过在示波器上进行实验观察既加深了对共振的理解,又明白了声速测量中共振频率测量的意义。而在波长(λ)的驻波法测量中,一般理论书上讨论的是理想情况:一列入射简谐波与一固定端面处反射简谐波两者叠加,由于反射波有半波损
4、失,入射波与反射波相位差180°,并且当波源与反射点之间距离等于半波长的整数倍时得到稳定驻波,相邻两波腹(节)之间距离等于半波长。但在具体实验中,发声探头与接收探头之间超声波由于多次反射,因此不仅仅是两列波叠加,而是多列波叠加,且波在传播过程中能量不断损失,波幅随着传播距离增大在不断减小,因此叠加后得到的不是稳定驻波而是行驻波。并且当发声探头与接收探头之间的距离为半波长的整数倍时,接收探头为波节,即振动幅度为零,但此时接收探头处的声压最大,在示波器上的波形幅度最大,因此接收探头移动半波长的距离,示波器上的波形幅度再次变为最大,这样即可测出波长。而并非像有的实验讲义所述:发声探头42与接收探
5、头之间的距离为半波长的整数倍时形成稳定驻波,然后移动接收探头到波腹处示波器上观察到波形幅度最大,接收探头再移动半波长的距离,示波器上的波形幅度再次变为最大,用这方法去测出波长。从这里分析我们不难发现物理实验中原理不是简单地套用物理理论,而是要根据具体问题去分析,才能得到正确的解释。二、在实验操作过程中运用理论知识指导实验仪器调试学生实验具体操作过程中必须在遵守仪器操作规则的前提下大胆调试实验仪器设备,在不断地“尝试”→“失败”→“再尝试”→“再失败”→⋯⋯→“成功”过程中学生的动手能力得到提高和升华。但是这一过程中如果缺乏理论的指导,仅靠碰运气瞎蒙,也不能达到培养学生运用理论知识分析和解决
6、问题的能力。例如:迈克尔逊干涉仪调试过程中,学生按照实验讲义的操作步骤去调试后仍然不能得到等倾干涉条纹。应该引导学生从光的干涉理论入手去进行分析。两列波产生干涉应满足三个基本条件:①两列波的频率相同,②两列波在相遇处相位差恒定,③两列波振动方向一致。由于机械波频率的相位较稳定、频率较单一、波列很长,很容易产生干涉现象;而光波有它区别于机械波的重要特征:第一,它产生的微观机制是大量原子由高能级向低能级跃迁辐射出光子,因此包含了多种频率成份的光波列,并且位相在不断变化,普通光源很难满足干涉条件,通常采用“一分为二”的方法来获得频率相同的相干光波。第二,一个光波列持续时间很短(即相干时间大约为1
7、0-8s),对应的波列长度(即相干长度)很短,因此,就有相干长度和相干时间的限制,如果两列相干光波之间光程差L太长,超过它的相干长度(即L大于)时无法得到干涉条纹。所以在实验仪器调试过程中应引导学生分析两列相干光的光程差,一是检验反射光与折射光束程差是否相等,即检验迈克尔逊干涉仪上两个平面反射镜到分束板后表面之间的距离是否大致相等;二是检查在未放入扩束镜时,两个平面反射镜的反射点中是否两个最亮点重合,如果是一个平面镜反射
