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1、普通物理实验作为基础课的任务普通物理实验作为基础课的任务东北师范大学物理学院东北师范大学物理学院赵立竹赵立竹 杨述武杨述武课程目标：课程目标： 在扎实基本实验知识、基本实验技能和在扎实基本实验知识、基本实验技能和基本实验方法的基础上，更注重突出实验基本实验方法的基础上，更注重突出实验过程，深化物理思想，加强信息技术在普过程，深化物理思想，加强信息技术在普通物理实验中的应用。强化理论与实际的通物理实验中的应用。强化理论与实际的结合，培养学生实践能力和创新意识，达结合，培养学生实践能力和创新意识，达到利用物理实验的思想设计、构造物理过到利用物理实验的思想设计、构造物理过程的能力。程的能力。 基本任
2、务：基本任务： 通过实验课的学习与实践调动起学生学习物通过实验课的学习与实践调动起学生学习物理的兴趣与积极性，对后续课程的学习有一种理的兴趣与积极性，对后续课程的学习有一种渴望，在理解实验基本知识的基础上，体会实渴望，在理解实验基本知识的基础上，体会实验中的物理思想，掌握基本的实验方法，具有验中的物理思想，掌握基本的实验方法，具有用简化的方法进行数据处理的能力，了解信息用简化的方法进行数据处理的能力，了解信息技术在物理实验中的基本应用。技术在物理实验中的基本应用。 具体实施具体实施(为达到目标完成任务)1.1.提高学生对实验的兴趣提高学生对实验的兴趣绪论课：绪论课：明确课程目标，指出普物实验对
3、物理思维的形明确课程目标，指出普物实验对物理思维的形成、对将来从事的工作、研究可能的积极影响，课程成、对将来从事的工作、研究可能的积极影响，课程中有许多用脑想、动手做的内容等，举有趣的中有许多用脑想、动手做的内容等，举有趣的实验例实验例子子，调动学生渴望做实验的欲望。，调动学生渴望做实验的欲望。课程内容：课程内容：增加有趣味性的实验，以及在原实验中增加增加有趣味性的实验，以及在原实验中增加趣味性内容。趣味性内容。综合设计性实验：综合设计性实验：让学生自己去查资料、选题、方案设让学生自己去查资料、选题、方案设计，实际操作，完成整个实验过程，个学足够发挥的计，实际操作，完成整个实验过程，个学足够发
4、挥的空间。空间。2. 组成测量系统进行观测组成测量系统进行观测 组成实验的测量系统是实验的基本要求，是否达到实验组成实验的测量系统是实验的基本要求，是否达到实验要求，这与实验方法、仪器调整的要求明确程度、操作技巧要求，这与实验方法、仪器调整的要求明确程度、操作技巧和观察判断的能力密切相关，和观察判断的能力密切相关，此部分的训练对实验能力的提此部分的训练对实验能力的提高十分重要，应严格要求。高十分重要，应严格要求。学生方面常出现问题：学生方面常出现问题： （1 1）对原理、要求未充分理解；）对原理、要求未充分理解；（2 2）仪器布置有错，特别是电路的连线；）仪器布置有错，特别是电路的连线；（3
5、3）仪器未调整到正常使用状态（有的是不明确什么是正常使）仪器未调整到正常使用状态（有的是不明确什么是正常使用状态）；用状态）；（4 4）实验操作中的失误；）实验操作中的失误；（5 5）实验条件控制失当，等等。）实验条件控制失当，等等。教师方面如何解决问题教师方面如何解决问题：（1）要求学生课前充分预习；（2）强化学生实验过程中随时自检，及时发现问题。（3）鼓励学生找出问题所在，通过讨论解决问题。（4）老师以提问、启发等方式指导学生解决问题，而尽可能不代替学生处理问题。（5）有些不影响实验进程的需要一些时间解决的疑惑，可让学生思考，课后在讨论。3.误差分析和数据处理误差分析和数据处理 误差分析和
6、数据处理是普通物理实验的基本训练内容之误差分析和数据处理是普通物理实验的基本训练内容之一，通过普物实验课，让学生形成基本的一，通过普物实验课，让学生形成基本的实验素养实验素养 误差分析应贯彻在实验的全过程中。实验过程将取得误差分析应贯彻在实验的全过程中。实验过程将取得若干数据，数据处理首先要考虑有否要修正的数据，其次若干数据，数据处理首先要考虑有否要修正的数据，其次是剔除其中的坏数据，用这些初步整理的数值，按实验的是剔除其中的坏数据，用这些初步整理的数值，按实验的要求进行：求出被测量的最佳估计值；要求的实验曲线；要求进行：求出被测量的最佳估计值；要求的实验曲线；算出测量不确定度，得出标准不确定
7、度算出测量不确定度，得出标准不确定度A A分量分量( (u uA A) )，标准不，标准不确定度确定度B B分量分量( (u uB B) )，合成标准不确定度，合成标准不确定度( (u uc c) )，扩展不确定度，扩展不确定度（U U9595，置信概率，置信概率p p95%95%）。）。 基础实验不能全面要求算出不确定度，但要有少数实基础实验不能全面要求算出不确定度，但要有少数实验对此有一定的训练。验对此有一定的训练。 4.实验的物理思想实验的物理思想 每个物理实验都是由一定的实验装置和计量器具每个物理实验都是由一定的实验装置和计量器具组成的物理系统，每一系统都是在一定物理思想指组成的物理系
8、统，每一系统都是在一定物理思想指导下组成的，并且进一步给出一个数学模型，我们导下组成的，并且进一步给出一个数学模型，我们根据此数学模型组织测量，得出一定的实验结果，根据此数学模型组织测量，得出一定的实验结果，了解实验的物理思想，一是对实验有深入的了解，了解实验的物理思想，一是对实验有深入的了解，再是有助于来日的再是有助于来日的设计设计。 物理思想的核心，一是如何构成一物理系统，使物理思想的核心，一是如何构成一物理系统，使被测量可以被测出，再就是如何提高测量的准确度。被测量可以被测出，再就是如何提高测量的准确度。5. 计算机与物理实验计算机与物理实验在物理实验中应用计算机要解决的问题，可有以下几
9、个方面：在物理实验中应用计算机要解决的问题，可有以下几个方面：数据处理：如复杂函数的求值，直线拟合，不确定度计算；数据处理：如复杂函数的求值，直线拟合，不确定度计算；有关数据处理有很多现成的软件，练习使用有关软件也是有关数据处理有很多现成的软件，练习使用有关软件也是基本的训练。基本的训练。实验的模拟操作训练和实验物理过程的模拟；实验数据的实验的模拟操作训练和实验物理过程的模拟；实验数据的实时采集和实验进程的自动控制，在此重要的是计算机的实时采集和实验进程的自动控制，在此重要的是计算机的接口，一般实验的物理量为连续可变的模拟量，而计算机接口，一般实验的物理量为连续可变的模拟量，而计算机可接受的是
10、二进制数字量，这要有一变换电路，即可接受的是二进制数字量，这要有一变换电路，即A/DA/D变变换。计算机要控制外部设备又要将计算机发出的二进制数换。计算机要控制外部设备又要将计算机发出的二进制数码变换成模拟量，这一变换电路为码变换成模拟量，这一变换电路为D/AD/A变换。变换。此外还有传感器及放大电路等问题。此外还有传感器及放大电路等问题。6结束语结束语 以上从作为基础课的普通物理实验，谈了几以上从作为基础课的普通物理实验，谈了几个问题，但是对于学生可能面临各种问题，共同个问题，但是对于学生可能面临各种问题，共同的基础问题是思维能力的培养，解决新问题，发的基础问题是思维能力的培养，解决新问题，
11、发现新问题的能力是重要的。现新问题的能力是重要的。例：例：我们已知自由落下的加速度为我们已知自由落下的加速度为g，但在如下的实验中，但在如下的实验中，下落的加速度下落的加速度a大于大于g。实验装置如下。实验装置如下实验开始时，用手指支持棍的实验开始时，用手指支持棍的B端，突然撤去手指，棍向下端，突然撤去手指，棍向下摆动落在软垫上，将发现球在桶中。摆动落在软垫上，将发现球在桶中。问：（问：（1）球进入桶中，是否说明了棍的）球进入桶中，是否说明了棍的B端的下落加速度端的下落加速度a大于球的大于球的g？ （2）如认为）如认为ag。估算一下。估算一下a比比g大多少大多少 （3）从理论上说明此问题（要在
12、学习刚体运动之后）从理论上说明此问题（要在学习刚体运动之后）例：双棱镜测光波长实验，实验装置（1 1）摆上各部件后要检验通过狭缝的光是否射到棱的两侧；）摆上各部件后要检验通过狭缝的光是否射到棱的两侧；（2 2）通过棱镜后，光的叠加区是否进入目镜；）通过棱镜后，光的叠加区是否进入目镜；（3 3）调节狭缝，使光能够暗些；）调节狭缝，使光能够暗些；（4 4）慢转动调狭缝与棱脊平行（向左、向右）出现干涉条纹）慢转动调狭缝与棱脊平行（向左、向右）出现干涉条纹为止。为止。例：在气轨上用二滑块的碰撞验证动量守恒定律的实验。例：在气轨上用二滑块的碰撞验证动量守恒定律的实验。 按动守恒定律，应成立，按动守恒定律
13、，应成立，实验未能验证守恒定律。分析在此实验未能验证守恒定律。分析在此实验误差来源有实验误差来源有：导轨不平直，气垫：导轨不平直，气垫有阻力，使滑块运动有加速度；碰撞点未在二滑块质心连线上（非对心有阻力，使滑块运动有加速度；碰撞点未在二滑块质心连线上（非对心碰撞），碰撞时引起滑块震动；计量仪器误差；由于导轨上气孔喷气不碰撞），碰撞时引起滑块震动；计量仪器误差；由于导轨上气孔喷气不稳定，稳定， 。某次实验结果某次实验结果令令按理论应是按理论应是c c=1=1。显然在误差范围内显然在误差范围内按上述分析改进实验装置，实验时测量附加加速度，用以修正速度按上述分析改进实验装置，实验时测量附加加速度，用以修正速度v11,v12,v22，改进后再测的一例，得改进后再测的一例，得上计实例，显示在误差范围内可以认为。上计实例，显示在误差范围内可以认为。例：单摆测g是一简单的实验，只有一单摆，一米尺和一秒表，但它将落下的较大的加速度，变换为较小的摆动加速度，而振动可以累计，用一般的计时器就可测出较准确的周期，另外摆的转动慢些，空气阻力、浮力等一些影响又较小，这是一个设计简单、而测量效果较好的设计，又明确了振动法的优点。
