物理实验教学的体会

物理实验是物理教学的一个重要组成部分.它主要通过实验帮助学生正确理解物理概念和规律,培养学生的观察,分析,归纳能力和实验操作技能,以及良好的习惯.可以说离开实验就难以实现物理教学的目的.要提高实验教学的质量就必须进行实验研究.实验教学形式的改进和实验方法,仪器的改进及设计是实验研究的主要组成部分.本文试图通过一些具体的实验,探讨物理实验的改进和设计中几个体会.
一,加强实验设计的科学性鉴别
保证物理实验的科学性,也就是实验在物理原理上站得住脚,这是实验设计最起码的要求.实验设计缺乏科学性多产生于设计时没有对实验原理,实验过程进行认真的分析.这类错误在实验研究中比例较小,但是会错误引导.因此,必须加强实验设计的科学性鉴别.
某杂志上曾刊有实验设计:"用小磁针偏转验证运动电荷产生的磁场",其设计思想(实验原理)是:用高压感应圈产生高压使阴极射线管放电,产生运动电子流,电子流产生的磁场使放置在附近的小磁针发生偏转.实验器材:J1206型感应圈,阴极射线管,小磁针,导线若干.实验原理图如图一所示.
该实验设计思想简单,所采用的仪器又是中学常规配置的.如果按原理图接线时,电流方向反向,阴极射线的磁场也应反向,小磁针的偏转方向也应反向.事实上,小磁针的偏转方向未发生变化.
便于分析,我们在电路中串联接入电流表,起动正常后测得;1=0.5mA, r=5cm;(r为小磁针与射线间的距离).以无限长导线磁场近似求得阴极射线产生的磁场B电:
B电≈u.I/2πr=2×0.5×10-3×10-7/0.05
=2×10-T
查物理数据表可知:地球表面附近地磁场B地=0.5×10-4T,放置装置时使→B电与→B地垂直.此时小磁针指向应在合磁场方向上(图二),其偏转角θ:tgθ=B电/B地≈4×10-3,θ≈0°
图一,实验原理图图二,磁偏角
从上面分析可知,该电子流产生的磁场非常小,不可能使小磁针产生"看得见"的偏转.那么偏转的原因是什么呢 当我们拆去联线,只启动高压感应圈,发现小磁针偏转基本不变.进一步分析可知,使小磁针偏转的真正原因是高压感应圈内强大的感应磁场.
二,设计实验应考虑实验误差的传递性
中学物理实验强调的是实验的"教学功能",加上教育经费的因素,中学物理实验采用精度较低的仪器,仪表,如:5级,2.5级.进行数据处理时,我们发现某些实验由于实验误差的传递性,一开始"差之毫厘",其结果却"谬之千里".这样的实验不仅仅没有起到教学效果,反面影响学生对物理规律的理解.因此,在设计中学物理实验时应考虑实验误差的传递性.
有人设计了一个串联半偏法测表头内阻的实验,下面我们来对其讨论并和并联半偏法作比较.
三,实验"控制条件"的适当选择
实验,总是在某些控制条件下进行的过程;其目的是把自然现象根据某种需要突出出来,加以观察和研究.这里就有一个:既加入"控制条件",又不影响沿某物理规律真实进展的"度".这个"度"既要让学生从实验中的物理过程去理解,总结物理规律;又不能让学生感觉您在"变魔术",不真实.
"控制条件"在物理实验中的应用是多种多样的:力学中的槽,杆,导轨被用来"控制运动轨道";采用滚动替代滑动,加大主动力等来"减少摩擦力的影响";热学中的"导热和加热控制";等等.尤其是静电实验,在中学物理实验中常令教师头疼,但是当我们掌握了静电的"量小压高"(电压高易漏电,电量小一漏就光)的特点,针对性的控制漏电,导电,注意清洁,干燥,绝缘,就不会发生"该有电时没有,该没电时偏有电"的尴尬现象.下面就"控制条件"来讨论"萘的熔解"实验的改进.
"萘的熔解"实验在中学物理中有一定地位,由于种种原因,实验常常不易成功.失败的原因主要是:⑴萘是热的不良导体,加热过程中试管内不同部位的萘粉温差较大,靠近管壁的已经熔解,而内部(温度计测温泡附近)的还低于熔点;⑵液态萘的比热小,升温快,而且热传递方式除传导外加上了对流;固态萘缓慢吸热,有时还没有熔解完,温度显示已高于熔点;这样画出的熔解曲线平坦期很短,以至于学生误解晶体理论.
为了达到实验目的,教师做了大量的研讨.目前较常用的是加搅拌的水浴法.实验中必须做好两点:一是充分搅拌;二是控制温差在3-5°C.要做好是有相当困难的;压实的萘粉难以充分搅拌;而为了控制温差,需要不断移走酒精灯.这样易给学生造成错觉:萘熔解时温度不变是由于停止加热造成的.为此,教师在搅拌器上下功夫,各种形状的搅拌器应运而生;也有教师在热导率上想办法,如掺入铜粉,但掺入量难以控制,而且易改变熔点.
中学物理中,学生常对静摩擦力的方向搞不清.如果采用下面的"静摩擦力方向演示",既简单易做,又直观清楚.不失为一个好演示实验.方法:⑴取一块约5cm厚的海棉放于粗糙平面上,用手沿水平方向轻推海棉块上表面(海棉不移动),观察海棉下表面向什么方向扭曲 ⑵将一块海棉置于桌面上,另取一块海棉置于其上(便于分辩,可将其中一块海棉用墨水染色),沿水平方向轻推上一块海棉(两块未发生相对运动),观察两块海棉扭曲方向.根据扭曲方向进行分析,确定静摩擦力的方向.
2,让物理过程完整,真实.作为教学实验,重在突出物理思想,常常舍去那些物理过程不明确,精密复杂的"高级"仪器而去定性,半定量地分析,或不太精密地实验.让学生完整,真实地观察物理过程,而不是去看"魔术".
横波演示,一直是中学物理演示实验中的难点.用软绳,漏沙等常因为演示不稳定而令教师头痛;用手摇横波演示仪学生看到的只是模拟波形的质点运动,而不是真实的物理过程.现在改进的方法很多;这里介绍一种简单可自制的演示器.制作材料⑴20根长约25cm的筷子(最好涂成黑色);⑵40只直径约3cm 白色的聚乙烯泡膜小球(也可以用电热丝割出泡膜小方块);⑶长约240cm , 宽约5cm的黑色松紧带;⑷高约30cm,宽约150cm木框架.制作方法:⑴将松紧带对折,用缝衣针把20根筷子匀距缝在松紧带中间;⑵将缝好的松紧带固定在木框上;⑶把泡膜小球插在筷子的两端,并使筷子保持水平.该装置可定性说明横波的形成过程,横波的特点,横波的传播,反射,叠加等.既直观,清楚,又完整,真实地展示了物理过程.
3,保证学生足够多的实验操作.实验改进并不是为了减少操作,让学生在实验中没有事情可干;而是精简去那些虚设的,模糊的操作内容;相反的,在允许的条件下,还应适当增加观察和操作的项目.那种让教师和仪器去完成99%,留给学生1%操作的实验改进是不足取的.
高中物理实验"研究平抛物体的运动",做好该实验的关键,也是难点和操作最多的是"调整卡片的位置,使滚下的小球正好穿过卡片上的孔,而不擦碰孔的边缘.……"指导过该实验的教师常有这样的体会:漏球时,由于孔比球略大,需多次重复才能找到该位置;但由于学生常缺乏自觉性,只是大约画个位置点.这种操作多是没有意义的.改进该实验的方法很多;如小球内小孔装墨水从略微倾斜的板上滚下自动画线;闪光显迹装置等;由于偏离了操作多的思想,只宜教师演示,不宜作学生实验.青岛一中的唐军等教师的实验改进设计[3],针对"漏球"的困难,加以改进;既物理思想明确,又不减少操作.该改进装置已在许多中学配置使用.
五,既动脑又动手———改进实验教学的形式
现行的物理实验教学形式在一定的程度上存在着学生动手和动脑不能有机地结合的问题.一方面学生很少有动手的机会,甚至实验教学也成了"黑板"实验.另一方面,在一些实验课上,仪器——教师放好了,实验步骤——规定了,记录数据的表格——实验册上有了.留给学生的只有按步就班操作,记录数据和代式计算,很少有动脑探索的机会.这样的实验教学效果是不理想的,可以说是不能真真实现实验教学的目的的.因此,改进实验教学的形式,做到动脑和动手相结合也是中学物理实验研究的一个重要方面.
在学生实验中要做到既动手又动脑.在教学过程中应注重实验的目的(这一方面常常被忽略)和原理的讲解,在此甚而上鼓励学生探求实现目的的方法和途径,并进行实验操作.在操作中发现问题再进行终止.
笔者曾对,《万用表测电阻》的实验进行改进.先让学生用万用表的欧姆档来测量电阻箱各种不同取值时的阻值并和电阻箱上的系数进行比较.使学习通过一步自己探索掌握如何选取倍率.然后再对一些未知电阻进行测量.实验的效果较好.
改进实验教学的形式,实现动脑和动手相结合,尽管受到有些条件(如器材,时间等)的限制,但这种探索和改进应当成为我们的一个长远的目标,只有这样才能真真提高学生的实验能力.
当前,中学物理教学改革的重要课题是实验教学改革,这迫切需要教师进行实验研究,研究的领域很广阔.让我们在教学中不断地培养和训练这种能力,在这一广阔领域中施展才能.