书城科普读物动手做实验丛书--物理实验操作方法运用
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第2章 物理实验中的操作方法(2)

以上两种实验方式多用于演示实验。引入性实验一般是先做实验,后讲理论。推导性实验一般是边做实验,边讲理论。这两种实验的效果,取决于实验的选择是否典型、恰当;教师的实验技能是否熟练;实验的结果是否可靠;实验过程中能否抓住实验的关键,并认真组织学生观察,积极启发学生的思维活动,正确引入或导出结论和规律。

验证性实验

在物理教学中,有些物理知识不可能也不需要都从直观开始,有时需要先运用所学的理论进行分析而得出结论,然后再用实验进行验证。例如《电场中的导体》一节,教材根据电子论和电场的知识进行分析推理,得出“处于静电平衡状态的带电导体,净电荷只能分布在导体的表面上”的结论,而后用法拉第圆筒实验验证所得的结论。又如教材把向心加速度大小的公式代入牛顿第二定律的表达式,得出计算向心力大小的公式,然后用一个实验进行粗略地验证。

另外,还有一些物理知识比较抽象,不易理解;或者有些重点知识需要熟练掌握,也可以通过实验加以验证,以加深学生对这些知识的理解和巩固。现行统编高中课本中规定的二十六个学生实验,有九个实验属于这种性质的。《验证牛顿第二定律》实验,是通过实验进一步验证质量一定时加速度与作用力成正比;作用力一定时加速度与质量成反比。《验证机械能守恒定律》实验,是验证在重力作用下物体的重力势能和动能可以互相转化,但总的机械能守恒。我讲完牛顿第三定律后,给学生做了这样一个验证性实验:在天平的一端放一个盛水的烧杯,另一端放砝码,使天平平衡。然后用弹簧秤挂一重物,并把重物浸没在烧杯里的水中,可以看出弹簧减少的示数和天平上砝码增加的数值相等。让学生分析这个实验事实,以加深对牛顿第三定律的理解。

做这种实验时,必须注意两个问题。首先要注意验证性实验与推导性实验的区别。验证性实验是用实验结果来证明物理定律、原理、公式等的正确性,使学生深刻地理解和掌握这些重点知识,并不是要用实验结果推导出物理定律、原理、公式等。因此,实验时要注意实验结果和所需验证的定律、原理、公式等内容的比较。例如,《互成角度的两个力的合成》实验,是要求学生用实验来验证平行四边形法则,而不是用平行四边形法则去推算实验的结果。学生在实验时容易把这个问题的因果关系弄颠倒,以致造成不尊重实验结果、随意修改实验数据等指导思想上的错误。为了使学生真正弄清楚这个问题,防止他们犯类似的错误,在做这种实验时可以布置一些思考题,引导学生进行实验。其次要注意实验误差的研究。因为把实验结果与定律、原理、公式等内容进行比较时,必然存在一定的误差,所以要注意实验误差的计算和分析,查明产生误差的主要原因,找出减小误差的方法,通过实验误差的分析,可以培养学生科学分析的态度和实事求是的精神。

测定性实验

这种实验的主要目的是测定某些物理量的数值,同时通过实验使学生了解某些仪表的构造和原理,熟悉一些基本工具和基本仪器的使用方法。统编课本中共有八个实验属于这种性质的。例如测量电池的电动势和内电阻,主要是通过实验让学生掌握电流表和电压表的使用方法,以及全电路欧姆定律的应用;用惠斯登电桥测电阻的实验,主要是通过电阻的测定,让学生熟练掌握电桥的平衡原理及应用;用双缝干涉测定光波的波长实验,主要是让学生进一步理解双缝干涉的原理和光波波长的测定方法,等等。

测定性实验同验证性实验一样,多用于学生实验。在指导学生做这种实验时,除了须注意验证性实验的两点外,还必须注意以下几点:

①实验前必须做好预习,明确实验的目的和要求、实验的原理、步骤和方法,防止实验时只按书本规定步骤盲目操作的现象。

②必须认真记录数据,使学生逐步学会绘制实验表格,处理实验数据,分析误差原因,以及减少误差的方法。

③在实验过程中,要使学生逐渐学会分析实验发生故障的原因,以及初步掌握排除故障的方法。

综合性实验

这是一种多用途的实验,它通常是若干个单项实验的综合。例如《研究三极管放大电路》实验,它包括安装和调整三极管放大电路,用示波器观察输入和输出的波形,观察偏流电阻对输出的影响。所以,这种实验需用的仪器比较复杂,运用的物理基础知识比较多,操作技术的要求比较高。在做这种实验时,最好采用循序渐进的办法,由简到繁,由单项实验逐步过渡到综合性实验。

在中学物理实验教学中,综合性实验是不宜太多的。但对于基础较好的学生,特别是对于参加物理课外小组的学生,可以适当地增加这类实验。

在上述五种实验方式中,前两种多用于演示实验,后三种多用于学生实验。从实验教学中感到,演示实验是物理教学不可缺少的一部分,它对于加强基础知识教学和培养学生的能力都起着重要的作用。但是,由于演示实验多数是教师在讲台上表演,学生没有动手的机会,所以不利于提高学生的实验技能。有些实验所演示的现象不够明显,物理过程变化很快,学生不容易观察清楚。因此,应该根据需要和可能,尽可能多安排一些学生能亲自动手的小实验,或者把教师表演的某些实验,改为学生动手操作的课堂分组实验。此外,有一些抽象的、复杂的、推理性较强的习题,也可以恰当地配合一定的实验,这样做可使深难习题简明化,抽象习题形象化,推理习题具体化。

物理学是以实验为基础的科学,加强实验教学是提高中学物理教学质量的重要手段之一。当然,它必须与基础知识教学、学生能力的培养有机地结合起来,才能收到良好的效果。

中学物理实验常规要求的教学

物理实验是科学实验的一种形式,做好物理实验对帮助学生掌握物理概念,加深对物理规律的理解,提高分析问题的能力关系极大。为此,必须重视常规要求的教学与实验素养的教育。尤其是对八年级学生来说,物理是起始学科,他们都处于少年与青年过渡时期,好奇心强,爱动手,爱探索,尤其需要加以正确的引导,才能达到预定的实验目的。为加强实验的常规的教学与实验素养的教育。在进入实验室前要进行实验预习,了解实验目的、原理,实验装置、实验步骤以及注意事项等。

(1)设计好实验数据的记录表格等。学生进入实验室时要做到六不:

①没有进行实验预习,不得进行分析组实验。②不要随意接通各种电源,或使电源短路。③不要喧哗,不要随意走动,保持安静。④爱护仪器、挂图,不要用手摸光学镜面(透镜、棱镜、幻灯机、显微镜镜头等)。⑤不要乱丢纸屑和随地吐痰。⑥没有得到老师同意,不要随意搬动或调换仪器。

(2)离开实验室时要做到三要:①要检查一下仪器有否损坏、掉失,有损坏和掉失的,要及时向老师报告,要填好仪器报损单。②要整理好仪器,排列整齐,放回原处。③要断开电源总开关,并要关好实验室窗户。这些都是一般常规要求,对高、初中学生都适用。但必须反复强调,使学生印象较深。另外,还有必要对力学、热学、光学、电学等实验分别提出共性的实验常规要求。例如:对电学实验则要求师生做到:

①实验前,要明确本实验测的是什么物理量,考虑好实验步骤,确定使用什么仪器。要对电路进行必要的估算,正确选择仪表的量程及电路基本元件。要检查一遍实验配套仪器有否缺损,了解仪器仪表的主要参量、性能和使用方法,并对仪器进行调节校准,或调好零,或记好零误差。

②仪器、器材的布局要注意合理性,要读数的仪器板面应对着自己;要经常调节的开关、电阻箱,滑动变阻器等应放在手边;要比较和读数的电表应并排放置;易损的仪器应放在实验桌中央,以防跌落、损坏;在仪器附近不放置强磁铁,避免影响仪表读数的精确度。

③注意正确联结电路,尽可能使接成的电路简单、清楚、明显。接线要有个先后次序,一般先串后并,即连通主干电路后,再把并联分路“跨接”上去;接线时应将导线芯的多股铜线拧在一起,弯成鱼钩形状,以顺时针方向套入接线柱,然后把接线柱拧紧,接线中要保证每一接线点接触良好;能做到且尽可能使导线不交叉。在复杂电路里,最好用有色导线,以便把个别电路标示出来。

④严防短路,接线时开关应置于常开位置,电源只能在开关断开时接入电路。使用直流电表时,要防止正负极接错,防止过载现象。接入电阻箱及滑线变阻器时,一般其阻值应置于最大(或中间阻值位置),要防止滑线变阻器在短路情况下使用。

⑤接好线路,互相检查,待检查无误,并经教师同意后再通电实验。先短时间闭合开关,如通电不正常要立即断开电路进行复查。如需更换元件一定要打开开关。

⑥用交流电作电源时,必须分清火线和地线;稳压电源输出电压要由小变大,电阻箱阻值不允许为零,改变电阻时,要注意保持电压稳定。蓄电池接线柱要保持清洁,不要让硫酸溶液溢出,放电电流强度不能超过最大安全电流;使用电阻箱时,要保持插头和插口的干净!在接通电源时,电阻箱阻值不允许为零,改变电阻时要注意“先拨后插”。改变滑线电阻器阻值时,要手扶变阻器滑键,另一手扶好一端,缓慢移动滑键,防止过速移动。

⑦使用电流表电压表读数时,指针偏转最好达到满程二分之一以上,要待指针稳定后进行读数。查明仪器最小分度,算出每一小格代表的数位,必要时会估读最小分格的几分之一;高中学生对每一个测量的量都要注意用有效数字表示其准确数;视线要正对表盘上的指针;通常要进行多次测量,取得平均值,减少偶然误差的影响。万用电表是常用电学仪器,要特别明确规定,掌握使用“三部曲”,即一选挡;二调零;三读数,读数单位要清楚。同时要强调四个注意:A在测试未知电流和电压时,应先将选择开关旋至最大量程的档,以后再选择适当的测量档,以免损坏仪表。B当测量电路电阻时,应该先切断电源。C手不要碰到表笔的金属触针,以保证安全和测量的准确。D使用完毕,要把表笔从测试笔插孔拔出,要将选择开关拨到交流电压的最大量程档。

⑧在进行静电学实验以前,要把所有的绝缘体(各种棒、支架的座)洗净、晾干。在应用感应起电机或感应圈作实验时,要保持手干燥,不要用手接触它们的导体部分;不要让大功率灯泡或紫外线、χ射线直接照射到眼睛,以免损害眼睛。要掌握安全实验常识。若发生触电事故,要先断开关,进行人工呼吸急救。

⑨实验完毕,拆线时要先断开关,再拆电源线,以免短路。然后仪器整理,复原。爱护仪器器材,清点有无缺损。

⑩树立实事求是的科学态度和一丝不苟、严肃认真的学风,如实记录实验数据,如果发现有什么疑难现象和问题,力求在老师指导下给以解决。要认真处理实验数据。作图时不能随手画出,曲线要尽量光滑,图象要画得清晰,不要使曲线过于陡直。要注意提高灵敏度,如图1要变为图2就要进行变换坐标原点或改变坐标单位。独立书写实验报告,得出正确结论;并解答有关实验思考题或计算题。并记录实验时间、空间和测试条件,如室温、气压。对实验结果加以讨论并进行具体误差分析,决不要敷衍塞责,流于形式。

以上常规要求看来似乎简单,对教师来说是“老生常谈”,但对学生来说,完全做到是不容易的,需要从低年级到高年级一贯地严格要求,在教学上高度重视,并采用一定措施。如,印发有关资料,让学生参考,加强实验预习指导,布置实验预习思考题,强调实验注意事项。加强对预习的检查,教师加强临场实验指导,教师要仔细审阅实验报告,认真批改,及时讲评,避免错误重现。把常规要求作为考核、评分内容,作为评估学生物理成绩的一项依据。当然不必限制太死,应该让学生从实验实践中,摸索必要的合理步骤,合理操作程序,并在弄清实验原理基础上,可以自己提出实验改进意见和新的实验方案,努力培养学生手脑并用的实验习惯,对逐步提高学生的实验素养有一定效果,从而有助于发展学生智力和创造能力。

物理实验的途径优化

有的教师认为:中学课本中的物理实验(包括演示实验和学生实验)是经过很多着名的教育专家审定的,只要按课本教好实验就可以了,根本没有优化创新的必要。其实不然,这是因为:一是课本中的物理实验并非个个十全十美,其中有的实验在原理、步骤、可见度等方面或多或少地存在一些缺陷,需要教者作些改进;二是随着社会的发展,一些新技术、新材料的出现,使有的实验跟不上时代的步伐,有必要用新的实验或新材料来代替。所以对物理实验进行优化创新是完全必要的。那么应从哪些方面入手呢?湖北通武中学吴忠甫老师研究总结了如下几种途径。

提高实验的可信度

中学生由于辩证思维还不发达,思维的独立性和批判性不成熟,考虑问题存在片面性和表面性,容易被一些非本质的表面现象所迷惑,常常把物质外部的非本质属性当做依据,而有的物理实验又恰恰是本质现象与非本质的现象同时存在,并且那些非本质的物理现象更能引起学生的注意,使学生抓不住本质,发生错误,实验的可信度低。因此可以从提高实验的可信度入手对原实验进行改进。

例如,高中物理第一册有一个固体形变实验。用手按压装满水的圆形塑料瓶,细管中的水面上升,松开手时,细玻璃管中的水面又降回原处,这说明瓶子受压时发生了形变。对这个实验,有的学生会错误地认为液柱的上升不是由于瓶子形变产生的,而是由于手的温度较高,瓶中的液体吸收热量温度升高产生热膨胀的缘故。为了消除学生的误解,应将圆形塑料瓶换成椭圆形的塑料瓶做实验。首先沿塑料瓶短轴进行挤压,塑料管中液柱上升,然后沿塑料瓶长轴进行挤压,塑料管中液柱不但不上升,反而会下降,从而使学生确信液柱的升降是因塑料瓶的形变造成的,消除了学生的错误认识,提高了实验的可信度。

增大实验的可见度

中学物理实验中,有些物理现象不明显,可见度小,学生观察不清楚,因此实验时应借助机构、光电的方法进行放大,或采用染色、照明、衬托背景等措施突出观察的对象,增大实验的可见度。