大学物理基础性实验教学研究.doc

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1、大学物理基础性实验教学研究摘要：实验设计、误差分析是科学实验思想的重要内容，本文以“冷却法测量金属比热容”为例，阐述如何在基础性实验的教学中进行科学实验思想学习、训练，实现培养学生创新能力的教学目标。关键词：实验设计;误差分析;课堂教学方法;创新能力;培养大学物理实验的课程体系包括基础性实验、综合性实验、研究探索性实验三个循序渐进的教学层次。基础性实验所涉及的原理比较简单，多为验证性实验或者某个物理规律的简单应用，因此基础性实验的教学目标定位于基本物理量测量、常见仪器的使用、基本实验技能训练和规范数据处理方法的掌握。基础性实验采用的方法具有典型性和示范性，在实验设计、误

2、差分析等方面具有丰富的内容，对于初次学习科学实验的理工类大学生而言，这一点无疑弥足珍贵。因此精选优化基础性实验的内容，强调基础性实验教学中的科学实验思想学习应该受到更多的重视[1]。本文以“冷却法测量金属比热容”为例，阐述在基础性实验的教学中如何贯彻体现科学实验思想这一问题。1基础性实验中的实验设计思想4学海无涯“冷却法测量金属比热容”是大学物理实验课程中的基础性实验，其实验原理是冷却定律：高温物体的放热速率由散热环境、散热面积、物体与周围环境的温差这三个因素决定，与物体的材料组成无关。根据这个定律，如果将不同材料制成几何形状完全相同的样品，置于相同的环境中，它们的放热

3、速率必然相等。冷却定律本身并未对散热物体内部的温度分布作出规定。要测量散热物体的比热容，需要把物体放出热量用其质量、比热容和温度改变量三者表示出来，这就要求降温过程中样品的温度是指样品的整体温度。为了保证实验过程中样品内部的温度时时均匀、处处均匀，样品应该具有较小的几何尺寸和良好的导热性能。样品的尺寸小，才容易达到热平衡，保证其内部温度的均匀。严格说来，样品的放热降温过程，不可能是一个热平衡的过程，其内部必然会出现温度的不均匀。但对导热性能良好的材料，其内部热量流动迅速，达到热平衡的时间（弛豫时间）非常短，因而在宏观的测量时间内，其内部温度可以视为处处均匀。金属具有良好

4、的导热性能，可以满足这一条件。实验中的样品由铜、铁、铝三种金属制成，其中铜样品作为比热容已知标准物体。三种材料都作成相同的长为十几个毫米、直径为几个毫米的小圆柱体。这种形状设计使它的侧面积相对于底面积大得多，实验中，样品安装在底座上，降温过程中，散热的绝大部分是通过样品的侧面和上底面进行的，大大减少了降温过程中样品与底座之间的热传递引起的实验误差（详见后文），最大程度地保证它们的放热条件完全相同。物理实验中的实验设计，在这里体现为：确定测试对象的性质，即样品的几何特征；确定测试方法，样品在什么环境下降温？怎样才能保证符合实验原理和实验目标的要求？怎样才能尽量减少可能的实

5、验误差？虽然在基础性实验阶段还不可能对学生作出这方面的要求，但实验教师应该就每个具体实验的设计思想作出评估，哪怕是简单地把它指出来。要让学生真正站在理解科学实验的高度看待他所做的实验，而不是仅仅简单重复教材的操作步骤。多数物理实验教师的共识是基础性实验要少讲，实验原理的详细推导，实验内容于步骤的细致描述，应该作为学生预习的主要任务，教师要少讲甚至不讲，而对于实验的设计思想部分，则应从科学方法的角度加以概括总结，并在可能的情况下作出适当的引申发挥。在实验课堂上我们就以启发式教学方式向学生提出下述问题：本实验为什么要保证样品内部温度均匀？如果样品具有较大的几何尺寸，能保证它

6、内部温度均匀吗？如果样品不是热的良导体，能用这种方式测量吗？实验中我们固定样品的温度降来测量降温时间，如果固定降温时间来测量样品的温度降，你能给出怎样的测量方案？概括起来，物理实验中的实验设计总的特征是围绕既定目标、综合各类因素、达成有效解决方案，它体现了系统化思维的特点，是创新能力培养的一个重要因素。2基础性实验中的误差分析思想4学海无涯物理理论来源于实践，是在实践的基础上突出主要因素、忽略次要因素，经过理想化、抽象化而得到的。理论用之于实践，那些次要的因素的影响就会产生作用，物理测量不可能理想化，这就是误差的主要原因。对于初次学习科学实验的理工类大学生，误差往往还只

7、是一个空洞的概念，克服传统教育中“重理论，轻实践”的弊端，应用误差分析思想对具体的物理实验现象、结果进行分析，是培养学生实践能力的重要方面，也是基础性实验的主要任务[2]。在“冷却法测量金属比热容”中，样品在“完全相同的环境中降温”就是一个理想化的表述。实际上，样品是安装在底座上进行测量的，样品和底座之间，不可避免具有热接触。在实验设计上采用了两条措施来减小这种热接触的影响，第一，样品和底座的接触面积很小，散热主要通过相对大得多的圆柱体侧面和上底面进行；第二，底座4学海无涯材料导热性差，同时，底座与样品间温差小，根据付立叶热传导定律，温度