静电场的描绘范文

导语：如何才能写好一篇静电场的描绘，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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[关键词]静电场描绘仪改进

静电场描：绘实验是高等院校普遍开设的一个基本的电磁学实验，因为直接测量静电场会因测量仪器的介入导致原静电场发生畸变而对其测量带来很大的困难，而稳恒电流场在导体中的分布规律和真空中静电场电势的分布规律完全相似。因此，通常是用稳恒电流场来模拟静电场，称这种方法为模拟法描绘静电场。

传统的静：电场描绘实验装置中，电极之问的导电介质通常用导电纸。目前，也有不少装置采用水来代替导电纸，但这两种方法均存在一系列的缺陷，导致描绘误差太大，严重影响了实验的效果。

针对以上两种介质存在的问题，我们对静电场描绘仪作了改进：以镀有ITO膜的导电玻璃作为电极之间的导电介质，采用双层探针直接记录各等势点坐标，通过描点的方法来描绘电场。我们对改进后的静电场描绘仪进行反复试验，效果很理想。

一、理论依据

导电介质中稳恒电流场和真空中静电场的电势都满足拉普拉斯方程。给定边值的拉普拉斯方程有唯一解，如果这两种处于相同的边值条件下，则它们的解是相同的。因而，可以用均匀导电介质中的电流场来模拟真空中具有相应分布的静电场。

两个通以稳恒电流的同心圆环电极可以用来模拟两个带等量异号电荷的无限长同轴圆柱面问的电场分布。很容易证明在这种情况下有式中a，b分别为内外圆环电极的半径，Ua为两极间的电势差，u为稳恒电流场中距圆心r处的电势。

二、传统的描绘仪及其存在的缺陷

传统的静电场描绘仪如图所示，一般有两种做法一种是采用涂有石墨的导电纸作为电介质，通过探针和定位针，实现定量记录和数据分析，另一种是用水来代替导电纸作电介质，方法是在一个透明的有机玻璃水槽中固定电极，然后在水槽中装上适量的水，放到实验架的下层进行实验。1．前一种描绘仪存在的缺陷

(1)导电纸上导电薄层涂得不均匀，导电纸电阻在各个方向均匀性较差，这样电流场分布与被模拟静电场分布不完全一样，使得实验准确度，重复性较差。

(2)电极与导电纸的接触不均匀以及探针与导电纸的接触因人次数而异，使得接触电阻不稳定，影响描绘结果。

(3)测量时，探针在导电纸点接触移动且重复接触，使得导电纸破损，这样一方面直接影响导电纸的导电性能，影响实验效果，另一方面影响导电纸的使用寿命，频繁更换导电纸，加大实验成本。

由于存在这些缺陷，所以用此描绘仪测得的结果误差比较大，模拟静电场的效果不是很理想。是用一张全新的导电纸作为电介质模拟的结果。若为反复使用过的导电纸，误差更大。

2．后一种描绘仪存在的缺陷

以水作为电介质可以减少导电纸电介质的不足，但由于水自身的特点，不可避免存在以下的缺陷：

(1)水是弱电解质，在外加直流电源的作用下，电解产生氢气和氧气，这些气体以气泡的形式附在电极表面。这样，一方面使得内、外电极表面区域偏离模拟条件，另一方面氧气会使阳极表面氧化，覆盖在电极上的氧化层与水的电阻率不同，影响模拟效果。再者，未电解的离子也会产生与外电压方向相反的电压来破坏模拟条件。

(2)水是有极分子，在外电场作用下产生位移极化和取向极化。两种极化都使得内外电极表面出现束缚电荷，束缚电荷要在水介质内产生与外电场方向相反的附加电场，因此破坏了模拟条件。

(3)每次实验都要更换水槽中的水，且水槽中水的多少还影响模拟的效果，这样给学生实验带来极大的不方便。

因此，用水作为电介质来做这个实验也不是很理想。

三、改进的描绘仪及其优点

针对上述传统描绘仪的缺陷，我们对传统静电场描绘仪作了一些改进。我们的做法是选用合适的镀有ITO膜的导电玻璃来代替传统的导电纸或水，将其作为两电极问的电介质。我们选用的这种电介质和传统的两种电介质相比，至少具有以下优点：

1．ITO膜导电层是采用真空镀膜技术形成的，表面均匀性和电阻均匀度均较好，模拟条件良好，提高了实验的准确性。

2．ITO膜导电层耐磨性好，不会因为和探针的反复接触而被破坏，这样既提高了实验的可重复性，又避免了频繁更换实验耗材，延长了仪器的使用寿命，节约了实验成本。

3．用ITO膜的导电玻璃代替水作为电介质，可以完全克服水的缺点，达到最佳的模拟条件。

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关键词：电势 无穷远点 电势零点

一、静电场电势零点选择的任意性

电势是一个相对量，孤立地谈某点电势的高低和正负是没有意义的。只有相对于确定的参考点（零点），它才有确定的物理意义。参考点不同，电势发生相应的变化，根据电势的定义：

参考点从P0变为P'，各点的电势虽然改变了一个常数 ，但不影响电场分布。从几何描述上看，静电场的等势面描绘了电势的空间分布。选取不同的电势零点，只是使电势的等势面所标注的数值有所改变而已。电势的等势面的形状、间隔、等势面法线方向的空间变化率并不改变，他们描述的是同一个静电场。因此，静电场电势零点的选择，从原则上讲是任意的。

点电荷的电势，若选无穷远处为零点，则电势可表示为：

二、电势零点选取的一般方法

第一，在点电荷的电场中，不能选点电荷所在位置为电势零点。若选r=0处为电势的零点，则：，将导致在r≠0的任意区域电势都为无穷大。电场中各点的电势都为无穷大，描述电场的性质也就失去了意义。

第二，对电荷分布在有限区域的带电体，可以看成有限区域内许多电荷元的集合，每个电荷元可以等效为一个点电荷。由点电荷的电势可以知道：在距点电荷较近的地方，电场比较强，电势变化剧烈，在距点电荷较远的地方，电场比较弱，电势变化缓慢，当场点距离点电荷足够远时，电场趋近零，电势恒定。对电荷分布在有限区域的带电体而言，电场有类似的性质。因此，一般情况下，将无限远点设为零电势点，既普遍适用又可以使电势的表达式简洁。

第三，对电荷分布在无限区域的带电体，一般情况下不能选无限远为零电势点，否则会导致空间各点电势不确定。一般说来，只有当电场强度E随场点到坐标原点的距离r增大而不断减弱，E∝r-n，并且减弱得比较迅速（满足n>1的条件）时，才能选无限远处为零电势点。

因此，对电荷分布在无限区域的带电体，零电势点通常选在有限远。

第四，导体接地时，以大地为电势零点。

三、不同的电势零点的电势如何叠加

例如，均匀外场E0中放入一个点电荷q，如图1所示。均匀电场的电势为U1，选原点为均匀电场的零电势点，则θ；点电荷的电势为U2，若选无穷远为点电荷的零电势点，则；合电场的电势，通常表示为

对于任何静电场，无论电势零点如何，电势表达式中，与变量有关的函数项的形式总是一定的。零点不同，电势不同，但它们只相差一个常数。零点的变化，只会影响电势表达式中的常数项。点电荷电场电势随空间变化的规律取决于，均匀电场的电势取决于θ，合电场的电势变化规律取决于θ+q/（4πε0r），电势零点的变化，只改变U0的取值。在（1）式中U1 U2 的相加才是合理的。

电势曲线如图2所示，点电荷电场的电势曲线①，均匀电场的电势曲线②（此时取θ=0）。电势零点的变化，只会使电势曲线沿纵轴上下平移，并不改变电势曲线的形状，也不会改变曲线①②的相对位置。叠加以后，曲线①和曲线②合成的曲线③，曲线③表示了合电势的变化规律。电势零点的变化对曲线③而言也只能使其沿纵轴上下平移，而不会改变其形状。

叠加以后，对合成的电场，零电势点既不能选r=0 处，也不能选r=∞处，否则电场中任意点的电位都为无穷大。这一点可从（1）式或图中曲线③都可直接看出。除了上述限制以外，电场中任意点都可选为零点。而零点一经选定，常数U0的取值也就随之确定，如，若选r=r0，θ=0的A点为零电势点，则。

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一、用类比法理解物理概念和规律

在中学物理中，有不少物理概念和规律存在着很大的相似性．在教学中，可引导学生用类比方法把类似的知识进行比较、对照，从而较快地接受新知识．例如在电场强度、磁感应强度、电容这三个概念定义的教学中，只要在电场强度一节的教学中能让学生建立起牢固、正确、全面的概念定义，就能使其对后两个概念定义的学习起到举一反三的作用. 电场强度的定义式为E=，必须让学生理解电场强度是描述电场性质的物理量，放入电场中的试探电荷受到的力F与试探电荷量q成正比，电场强度E由本身电场性质决定，与试探电荷无关. 在此基础上，学生学习磁感应强度B=（IB）和电容器的电容C=时，就能运用类比的方法，找到它们的共性，触类旁通．

又如在“电势能”一节的教学中，可将重力场和静电场进行类比来讲解：物体在重力场中具有重力势能，体现了物体在重力场中受到万有引力作用，所以重力势能与重力做功密切相关；重力对物体做正功，重力势能减少；重力对物体做负功，重力势能增加，重力势能的变化量总是等于重力对物体做功的大小．与此类似，电荷在电场中也具有势能，叫做电势能，体现了电荷在静电场中受到电场力的作用，所以电势能与电场力做功密切相关；电场力对电荷做正功，电势能减少；电场力对电荷做负功，电势能增加，电势能的变化量总是等于电场力对电荷所做功的大小．由此引入了电势能的概念，并研究电场的部分性质．此外，还有电场与磁场的描绘、电压与水压的比较、容抗和感抗的类比，物理微粒的波粒二象性的对比等等．通过运用类比方法，大大地增加了教与学的双边活动，更有利于学生形成概念、掌握规律．

二、用类比法记忆物理量

有些物理量的含义不易理解和记忆，为了帮助学生理解，可以采用类比方法．例如，将公式R=ρ和f=μN中的两个物理量ρ与μ类比；将公式Q=Cmt和F=Kx中的C（比热）与K（劲度系数）的物理意义进行类比，有助于学生理解新知识，巩固旧知识．

对于一些抽象难懂的知识，可通过类比方法，发挥学生的形象思维，把某些物理现象或过程具体化、形象化，使抽象的理念知识更贴近生活，让学生易于理解、掌握．例如在电路的教学中，可用暖气装置来类比电路，即用供热房、水流、水压、水管、暖气片、控制阀来类比电源、电流、电压、电路、用电器、电键等．又如，图形1所示的电路中，A、B两灯泡串后，再用一根导线将其中一个灯泡B短路，问为什么被短路的灯泡B不亮？这时，教师可启发学生用类比方法来解释：当两根水管分流时，一根水管对水阻碍很大，另一根对水的阻碍很小，问水流向哪根管子．学生会立即回答：大部分水流从后一根管子流过．然后再类比图1，学生便会很快认识到大部分电流从短路导线中流过，致使灯泡B不亮．

三、用类比法解题

学生在解题的过程中，碰到新模型时，往往束手无策，若应用类比方法，把其还原为旧模型，便可迎刃而解．例如下面一道题：如图2所示，静止在光滑水平面上已充电的平行板电容器的极板间距离为d，右板上有一小孔、电容器固定在一绝缘底座上，总质量为M.有一质量为m的带电铅丸对准小孔水平向左运动（重力不计），铅丸进入电容器后，距左板的最小距离为，求此时电容器已移过的距离．

此题表面上是电学题，其实基本原型仍是力学中的木块在长木板上滑动，但其演绎到电学后，增强了思维力度，涉及的知识点更有助于考查学生的应变能力．

四、用类比法进行内容复习

类比式教学对章节复习、板块复习也有较大的作用，在复习教学中引导学生对相似的概念、规律进行类比，可以进一步掌握知识之间的联系和区别，使知识整体化、系统化，对物理概念、规律有更深刻的认识和理解．例如在复习能量和动量时，可引导学生做如下类比：

（1）能量部分

功：W=FS，是过程量，是力对空间的累积．

v要相于对同一个惯性系；功、能都是标量，用代数运算法则运算．

（2）动量部分

冲量：I=Ft ，是过程量，是力对时间的累积．

动量：p=mv，是状态量．

动量定理：Ft=mv1-mv0（冲量等于物体动量的增量）．

动量守恒定律：m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′（对两个相互作用物体系统）．

守恒条件：F合外=0．

应取同一个惯性系；冲量、动量都是矢量，用矢量运算法则运算．

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美普遍存在于物质和精神世界中。物理学是研究物质世界的结构、运动及其变化规律的科学，是自然科学的重要组成部分，研究范围大到宇宙天体，小到微观粒子。一句话，是反映我们身边这个世界的科学。物理之美表现在物理现象、科学原理和研究精神等几方面。

1　物理现象之美

昼夜交替、日月同辉、海市蜃楼、彩虹缤纷、回声绕梁、水光倒影，这些现象给人们展现了大自然的浪漫之美。台风、海啸、地震、火山喷发给人类造成巨大灾难，从人文道德角度看，它们是丑陋的恶魔，除了令人恐惧和憎恶，没有给人任何美感。然而，从物理的角度上看，它们却是一种让人敬畏的美丽，是巨大的能和力的爆发，是一种大自然的震撼之美。人类生产与生活的每一次革命性的飞跃，都与物理规律的重大发现和物理技术的应用密切相关。人类进入工业社会以来，先后出现了三次意义深远的伟大变革，从而推动了社会生产力的迅速发展，影响和改变了人们的生活方式。这三次工业革命分别以18世纪蒸汽机的发明、19世纪初发电机的发明和20世纪中叶电子计算机的发明为重要标志，物理原理在科技、生产和生活中的应用，体现了人类智慧所创造的物理现象现实之美。

2　物理科学之美

自然界纷繁复杂的物质之间相互作用，相互依存，遵循各自的运动规律，形成有序、协调、对称、统一的整体，显现出自然规律的和谐美。描述这些自然规律的物理理论，则相对应的体现了物理科学之和谐美。天体运动理论、热力学定律、分子扩散理论、光的波粒二象性描绘了物质运动的有序性；质量、能量、电量守恒体描绘了协调统一性；圆周运动、简谐运动、抛体运动描绘了运动时间对称性；电荷、磁极描绘了性质的对称性。

爱因斯坦曾经描述说，物理学是至善至美的科学，他还特别把物理的美归纳为“简单、和谐、完善、统一”。历史上的科学家更多是把自己所发现的科学规律描绘得美不胜收。物理科学美体现在其简单性、和谐性、完善性和统一性中。牛顿也曾经说：“把简单的事情考虑得很复杂，可以发现新领域；把复杂的现象看得很简单，可以发现新定律”。物理中各种各样物理模型的建立和方法的运用，变复杂为简单，简洁合理地概括出物质及其运动的某一特征，体现出物理科学的简洁之美。

3　科学精神之美

求美是物理学家研究物理学的动机，许多科学家研究物理学的动力就是来自于对美的追求。如爱因斯坦说：“照亮我的道路，并且不断给我新的勇气去愉快正视生活的理想，是善、美和真。”科学研究的道路是艰辛而漫长的，正是一种求真、求善、求美的精神，支持着科学家耗费毕生精力，为追求真理而勇敢探索，无私奉献。如布鲁诺为宣传日心说而被教会烧死；伽利略为维护哥白尼学说而被终身监禁；居里夫人为科学而终生视苦为乐等，体现了科学精神之美。

二、在物理教学中体现美

展示物理美的目的，不仅仅是为了让学生想像和认识物理科学之美，更重要的是，要通过美的教育，培养学生的审美能力和审美情趣，将对美的认识，转化为追求美、发现美和创造美的自觉行动。对科学美的审美能力产生的基础，是学生对物理知识学习所抱的态度，激起学生对物理学习的兴趣是培养学生审美能力的前提。物理科学的美往往不能仅靠视觉辨析，更要靠心智去体验。因此，在教学中要创造机会，让学生亲自动手实践，去发现和探索物理科学之美。

比如在学习高中教学《万有引力》时，可以参考各种卫星、行星、恒星的数据，描绘人类从天圆地心说走向太阳中心说，然后再认识到太阳系的各个行星在银河中沿一条美丽的曲线运动的历史，进一步以万有引力所引发的椭圆轨道和圆轨道的美，激发学生探索这些美的科学规律和源泉，使学生对这些知识有更深的理解，感受到人类探索“真”与“美”的科学精神之美。

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关键词：数理方程实验；教学改革；数学建模

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）48-0035-03

一、引言

数学物理方程是人们对一些物理规律、物理过程和物理状态进行研究后归结出来的一些偏微分方程，是微积分学产生以后，在实践中产生并且不断向前发展的教学分支之一[1]。数理方程教学的直接目标是帮助学生掌握必要的数学知识和工具，为后续专业基础课和专业课作准备；其长远目标是训练学生的数学思维及运用数学工具解决实际问题的能力[2]。但该课程被公认为“老师难教、学生难学、作业难做”[3]，而且随着近几年新技术的发展与变化，各高校为了适应宽口径科技人才培养的需要，将这门课的课时进行了进一步压缩。因此，要保持教学内容和提高教学质量，任课教师迫切需要对教学手段进行改革。通过对数理方程以往教学情况的实际调研来看，学生们对这门课普遍感觉畏惧、难以产生兴趣。产生这种情绪的原因主要有两点：（1）数学推导很长、很多，例题比较抽象，过于陈旧，容易让人乏味。（2）不知道数理方程课对其专业学习到底有何作用，因此不愿多花精力，想混及格就行[3]。我们教研组经过研究和讨论认为，没有学不好或学不会的知识，只是学生的主观能动性还没有得到充分挖掘。因此，我们让学生自由组合成三人小组，指导他们结合专业方向设计能够用数理方程中三类典型偏微分方程进行数学建模的实际物理或者专业实验，然后进行相关物理量的测量、分析，同时进行数学模型的理论计算和计算机软件仿真等工作，并将其实验报告作为平时分重要参考。经过近两届学生的实践发现，该课程的通过率得到了极大提高，学生的反映也很积极，甚至让人惊喜，有些学生据此进一步参加了数学建模比赛、物理实验创新竞赛、大学生创新训练计划等，取得了良好的教学效益。

二、数理方程实验教学的目的、特点和作用

开授数理方程实验课的目的就是引导学生以研究、分析、解决实际问题为导向，全面掌握数理方程这门课所包含的数学建模、数学分析、求解方法等，并培养学生实际动手实验能力和应用计算机解决相关专业问题的能力。相对于传统数理方程教学而言，数理方程实验教学有三个新特点：（1）传统数理方程的教学形式是以教师为中心，以课堂教学为中心；而数理方程实验则更多地强调以学生为中心，以课外实践为中心。（2）传统的数理方程教学追求理论的完整性、步骤的连贯性，繁杂冗长的数学推理不可避免；而数理方程实验针对具体问题进行数学建模和求解，研究目标明确，因而可以通过简明实践来理解理论。（3）每个数理方程实验的内容具有相对的独立性，可以将数学、物理、专业知识、计算机应用等众多不同的领域结合起来，并借此介绍一些目前科学技术前沿广泛运用的知识，如非线性方程、小波变换、积分方程等。数理方程实验要求将实际物理实验（或者专业实验）、数学建模，以及计算机仿真三者融为一体，最后形成实验报告。因此数理方程实验教学具有以下三个方面的作用。

1.激发了学生的主观能动性。在数理方程实验中，学生们需要寻找满足波动方程、输运方程或者恒定场方程的实例，并进行设计性实验，因此学习过程中分工合作、共同探讨的气氛得以形成。通过实验测量、计算、仿真过程中逐步取得的成功，学生们对数理方程的学习兴趣极大地提高；通过将复杂难懂的物理、工程问题直观地显示于物理现象或精美图表，学生们更喜欢主动地去研究、计算机编程计算专业课中的各种问题。

2.促进了学生的自学、编程和书面表达等多方面能力的提高，真正提高了学生的动手、动脑能力。因为要编程求解数理方程，首先要理解、掌握相关数学知识，这就迫使他们查阅、学习相关资料，并下意识地对教师所讲解的数学知识产生强烈关注，毕竟“社会需要是科技发展的最大动力”。而撰写实验报告对于培养学生的书面表达能力、逻辑思维能力很有助益。通过将实验测量数据与理论计算结果、计算机仿真结果进行比较，学生们更加感性地接受了理论指导实践，实践拓展理论的研究思路。

3.培养了学生的专业素养和创新意识。通信、电子类专业一般都会开设《高频电路基础》、《微波技术与天线》、《电磁场传输理论》等课程，因此在引入三类典型二阶线性偏微分方程、讲解“分离变量法”、“格林函数法”及特殊函数时，都尽量以这些课程中的问题为模型，然后让学生利用专业实验室的仪器设计实验，再结合数学建模的思想去完成数理方程实验。这样不仅可以让学生学习专业课时轻松自如，还会刺激他们思考实验过程中碰到的各种问题。

三、数理方程实验示例

通过近几年的积累，我们得到了很多以三类典型偏微分方程：波动方程、输运方程和恒定场方程为数学模型的物理实验和专业实验的案例，下面分别介绍一二。

1.波动方程实验示例。《微波技术与天线》是通信、电子类专业的必修课，该课程中对于微波电路的分析主要有两种方法：（1）场分析的方法；（2）“路”分析的方法[4]。这两种方法都可以作为数理方程实验的案例，例如均匀传输线方程即可以作为波动方程应用的典型案例。均匀传输线（如图1）可等效为具有分布参数的电路，因此可用“路”的分析方法建立传输线方程，并导出传输线方程的解。通过应用Kirchhoff电压定律和Kirchhoff电流定律，可推导出均匀传输线中电压和电流所满足的方程。

■=Ri（z，t）+L■■=Gi（z，t）+C■ （1）

这是均匀传输线方程，也称电报方程。对于时谐电压和电流，可用复振幅表示为u（z，t）=Re[U（z，t）ejωt]，i（z，t）=Re[I（z，t）ejωt]，将它们带入式（1）并消元，即可得时谐传输线波动方程：

■-γ2U（z）=0■-γ2I（z）=0 （1）

其中γ=■称为传播常数，若R≈G≈0，式（2）即为理想传输线中电压、电流的一维波动方程。

在这个实验当中，若此理想输线无限长，并已知其初始电压和初始电流分布，则可根据式（1）求出电压和电流的“初始位移φ（z）”、“初始速度ψ（z）”，代入D’Alembert公式：

u（z，t）=■[φ（z+at）+φ（z-at）]+■■ψ（ξ）dξ （3）

可求得传输线上电压和电流的传播情况。

若理想传输线是有限长度，实验中就可引入边界条件。如终端短路，则V|z=l，为电压场量的Dirichlet齐次边界条件，再由式（1）第二式可得Iz|z=l=0，为电流场量的Neumann齐次边界条件；如终端开路，则I|z=l=0，为电流场量的Dirichlet齐次边界条件，再由式（1）的第一式可得Vz|z=l=0，为电压场量的Neumann齐次边界条件。应用高等数学中二阶常微分方程的解法即可得式（2）的通解：

U（z）=A1e-γz+A2eγz=0I（z）=■（A1e-γz-A2eγz） （4）

其中，Z■=■称为特性阻抗，然后再根据边界条件求得电压和电流的分布。

有条件的高校可用网络分析仪、50Ω微带线、50Ω BNC连接线、开路负载、短路负载、高阻微波同轴检测探头等进行相关实验测量，我们还可以借助电子电路仿真软件Multisim或者安捷伦公司的Advanced design system进行上述微波电路的仿真，具体实验和仿真可参考文献[5-7]。最后要求将数学模型求解的结果、实验测量结果、仿真软件计算结果放在同一表格或者同一张图中进行比较，这样可以得到一份很好的数理方程与专业知识相结合的实验报告。

另外，两端固定均匀弦的微小横振动问题是所有数理方程教材的经典例题，我们可以用两端固定的橡皮筋进行振动模拟，然后数码摄像机进行拍摄纪录，通过计算机处理得到其橡皮筋任意一点在任意时刻的位移，并与Matlab编程计算结果进行比较。还有，通过在水槽中用试管滴水得到二维水波振荡，用数码相机连拍功能获取不同时刻水波振动状态，可与理论计算结果进行比较。学生通过这些实验不仅理解了方程的含义、求解方法，还学会了如何用这些实验来测量弦的密度、波的传播速度等重要物理参量。

2.输运方程实验示例。半导体物理学、化学和生物学中许多问题都可归集为反应扩散方程（或称输运方程）问题，在诸多重要物理参数测量方面有很多应用，如气体、液体扩散系数的测量等。目前很多学校都能开展“测定气体导热系数”物理实验，所需仪器主要有FB-202型气体导热系数测定仪、温度计、气压计等。其物理模型为：在圆柱形容器内的沿轴线方向上有一根温度恒为T1的钨丝（如图2），容器内壁的温度近似为室温T2（T1>T2），钨丝的半径为r1，钨丝长为L，容器的半径为r2，由于T1>T2，容器中的待测气体必然形成一个沿径向分布的温度梯度，由于热传导，钨丝温度下降，本实验用热线恒温自动控制系统来维持钨丝温度恒为T1。如对其进行数学建模，得其输运方程方程模型：

■-■Δu（■，t）=f（■，t） （5）

其中u为温度分布，c为气体比热容，ρ为气体密度，k即为所求热传导系数。由于每秒钟气体热传导所耗散的热量就等于维持钨丝的温度恒为T1时所消耗的电功率，所以圆柱形容器中气体的温度分布保持为一个稳定的径向分布的温度场，

■+■■+■■=0 r1

然后用分离变量法求解此数学定解问题，得u（r）=（T1-T2）Inr/In（r1/r2）。学生以三人为一小组做实验，记录实验数据，再用Matlab或Origin进行数据处理，然后与理论模型计算值进行比较，最后进行误差分析，完成实验报告。通过此实验学生不仅掌握了如何测量气体的热传导系数，加深了对输运方程的理解，还学会了如何使用数据处理软件，对学生今后的学习很有裨益。

3.恒定场方程实验示例。一般高校的普通物理实验室都开设静电场描绘实验，使用实验仪器有：AC-12静电场描绘电源、静电场描绘仪等（如图3（a）所示）。以同心水槽中电位分布为研究对象，可得二维极坐标系下Laplace方程定解问题：

Δu=0， a≤r≤bu|■=V1，u|■=V2 （7）

学生可用分离变量法求得其理论解，还可以用Comsol、Matlab等仿真软件比较容易的得到其电位分布图，再通过与实验中打点得到的电位分布图进行比较（图3（b）），从而直观、深刻地理解物理原型、数学模型，并至少掌握了一种计算机仿真软件的应用。此实验中根据不同电极形状的水槽，还可让学生在不同坐标系下（如双曲坐标系、直角坐标系）进行分离变量法，从而对Sturm-Liuville本征值问题有更深刻的认识。

总的来说，数理方程实验的完成首先需要教师指导学生学习、掌握相关数学知识和求解方法，然后引导学生进行相关物理、或者专业实验的设计、测量，并根据物理规律分析这些实验的物理原型，建立起数学模型，再由学生自己进行计算机编程计算或利用现有商业软件进行仿真，最后通过观察、比较数学模型理论结果、实验测量数据和计算机软件仿真结果，进行总结，完成数理方程实验报告。

在科学技术快速发展的今天，教师在传授一门课的基本知识的同时，应比以往任何时候更注重传授学习和研究这门课程的方法，完成由引导式学习到自主学习的根本性转变[8]。通过一年来数理方程实验教学的探索和实践，我们发现数理方程实验课能够利用学校现有教学仪器和设备，将物理知识、专业知识、数学知识，以及计算机应用结合在一起，实现“教学、实践、科研”三位一体[9]的教学模式。学生们通过课题式的研究觉得的数理方程是很有用的一门课，能够学以致用，缩短了书本理论到专业应用的距离，该课程的通过率相应地也得到了极大提高。有很多同学通过设计数理方程实验得到启发，进一步参加了数模竞赛、物理实验创新竞赛、大学生创新训练计划等各类比赛，取得了良好的教学效益。另外，我们认为数理方程实验反过来对物理实验、专业课程实验设计也有借鉴意义。

参考文献：

[1]梁昆淼.数学物理方法[M].第3版.北京：高等教育出版社，1998.

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篇6

设计性实验介于基础性实验与实际科学实验之间，是在学生完成一定数量的基础性、验证性及综合性实验之后，对实验的全过程进行科学训练的实验课题。实验课题一般由实验中心综合考虑教师的意见后提出，由实验室为学生提供实验条件。学生根据实验课题研究的内容，自行搜集并阅读相关的参考资料，综合比较各种实验方法实施的可能性、适用条件、实验的准确程度，根据实验室提供的实验条件，推证理论，选择相对完善的实验方案。实验方案确定之后，应根据实验方案的原理和实验精度要求，选择测量误差较小的测量方法。应综合考虑分辨率、准确度、量程和价格四因素，根据误差的等作用原理选择合理、配套的测量仪器。在测量中，要确定最有利的条件，选择合理的数据处理方法，分析各种误差产生的原因，从数据中判断系统误差是否存在，寻求减小或消除实验系统误差的方法，以提高实验质量，如进行“简谐振动的研究”、“设计和组装热敏电阻温度计”、“测定平行电流间的磁场力”、“球坑法测定薄层厚度”、“导热系数的智能测量”等设计要求较高的实验。这样，按照实验内容分成不同的阶段，构建从易到难、从基础性实验到综合设计性实验、从实验知识和技能的学习到科学思维训练和创新能力培养的大学物理实验教学课程新体系，以满足不同专业、不同知识基础学生的需要，使优秀人才得到更大的发展空间。

在当今新技术迅速发展的时代，物理实验课程应该是被新技术、新手段不断改造、不断填充的开放系统，是不断改革、不断发展的动态教学体系。要使物理实验教学与科学技术的发展相适应，做到与时俱进，教师在实验教学中应把握课程前沿，有意识地增加一些应用性或涉及现代高新技术的实验项目，如太阳能电池技术、传感器技术、计算机智能检测、光纤技术、共振技术、光学信息处理技术、微弱信号检测技术、光谱技术、混沌、纳米材料和薄膜制备技术等与现代科学技术相融合的知识和内容，增加与“诺贝尔物理奖”相关的实验项目，使现代科学技术研究成果渗透到传统的物理实验课程内容中，及时反映学科最新进展，激发学生对实验课程的兴趣和科研热情，培养他们的科学思维能力和创新能力。

物理实验与其他自然科学相互渗透，有了越来越多的交叉点。物理实验课程不仅是理工科学生进行后续科学实验训练的重要基础，也是许多非物理类专业学生的必修课程之一，而这部分学生群体应该引起我们的关注。为了体现因材施教的原则，对于跨专业的学生应开设一些与其所学专业相关的实验项目，这些体现物理理论在其他专业应用的实验项目，能使学生在物理实验中充分感受到物理科学在实际工作和生活中的应用，培养学生学以致用的思想，调动其学习热情，激发其求知欲望。

例如，偏光显微镜部分的实验教学是地质专业的特有实验教学内容，但地质专业课上侧重的是与镜头材料性能相关的光的偏振知识，很少涉及显微镜的工作原理及组装等教学内容。所以，在对地质专业学生进行偏光显微镜组装的教学实践中，可以把专业课和实验课强调的重点加以整合，在传统显微镜组装实验的基础上，结合光线的偏振原理，对内容进行加深和扩展，增加组装偏光显微镜的实验教学内容。对于环境科学专业而言，应根据其专业特点，增加环境噪声的测量实验，使学生在进行基本实验操作技能训练的同时，加深对环境专业相关理论的理解，为后续的环境专业课程学习奠定扎实的基础。再如，渗流场与电场具有相似性，在油田开发专业的学生做振荡电路实验时，可以启发学生利用该电路模拟油田的产液变化。

二、实施多样化教学，提高学生的科研素养

（一）设立废旧仪器实验室

废旧仪器实验室能够实现废物再利用，是一种变废为宝的措施。应充分利用实验室提供的物质和空间资源，集中已老化报废但部分部件仍能正常使用的已淘汰废旧设备，配以仪器的使用说明或者搜集到的相关图片、文字资料，收集各类废旧家电、工具、仪器设备、配件等，再配备计算机，设立废旧仪器实验室。废旧仪器实验室是物理实验爱好者的乐园，学生通过仔细研读仪器使用说明书、图片或者利用网络资源查阅文字资料，面对实物了解仪器的构造、基本原理和使用方法，这不仅有利于学生对教材内容的真正理解，而且有助于培养学生的自学能力、动手能力。教师可以向学生展示以往破坏性操作的后果或进行实地演示，让学生明白规范化操作的必要性，为学生在以后的实验操作中养成良好的操作习惯打下基础。学生还可以自行设计小制作，动手拆卸出废旧家电、仪器设备中的有用部分，对各部分进行组装。虽然小制作的功能还不够完善，制作也很粗糙，但学生在亲自动手、动脑的活动中体验到学习的兴趣、成功的快乐，这样的体验能使学生终身受益。在学习过程中，学生还可以对仪器进行维修，成为实验室工作的小助手，激发学生的学习兴趣，使其感觉学有所用。在废旧仪器实验室，学生通过对仪器改进的方案进行验证，以检验改进方案实施的可行性，培养创新思维。废旧仪器实验室还可以为实验课程中未能顺利完成操作的学生提供再一次学习的机会，使他们学会排除实验中的故障，对实验有更深刻的认识。

（二）开设公选课

高校应以素质教育为目的，以物理废旧实验室和物理演示实验室为基地，对全体在校学生包括文科学生开设《大学物理演示实验》、《物理实验发展史》、《物理现象探索》等公选课程，供学生选修。可以重点关注物理实验发展史中对物理学的发展、人类的进步起到关键作用的重要实验，如赫兹的电磁波实验、杨氏双缝干涉实验、卢瑟福的粒子散射实验、密里根的油滴实验等，讨论这些实验在物理学发展进程中的历史重要性、严谨的实验思想以及别具匠心的设计理念。教师在讲课过程中可以引入名人案例，利用榜样的力量感染学生，用科学的世界观武装学生，使学生明确物理实验的意义，并在回溯物理发展历史过程中的著名实验时得到人生的启示。应开放物理废旧实验室和物理演示实验教学基地，让学生亲自动手操作仪器，仔细观察物理现象并进行思考，使其加深对物理世界的感性认识，强化对物理概念、物理规律的理解，体会到实验思想的严谨、实验设计的巧妙，培养其理性思维方式，提高其创新能力和科学观察能力。

（三）开展多媒体课件制作竞赛

大学生的电脑操作能力普遍较强，想象力丰富，思维活跃，具有很大的智力潜能和实验学习的主动性，这有助于教师转换思想，接受新的理念、方法，从而提高教学质量。可以尝试由学院牵头、物理实验室负责、学生会组织，选聘相关专家和学生代表为评委，在实验课的中期或后期，开展物理实验多媒体课件制作竞赛。物理实验室应在学期前期安排好竞赛时间、与物理实验项目相关的实验选题、评选规则等实施方案，方便学生早做准备，学生则以自愿报名的形式参与。为了鼓励学生积极参赛，除适当的物质奖励外，还可以在期末实验考核和综合测评中对获奖学生给予不同程度的加分奖励。参赛学生必须在实验课前、课中和课后做大量充分、细致的工作：课前要认真预习，明确实验目的、实验思想和重要仪器的使用方法，必要时查阅资料，做到思路清晰；课中要认真操作，熟练掌握基本操作规则，准确记录原始数据，及时发现实验中可能遇到的故障，并分析原因、找出排除故障的方法；课后要认真进行测量数据处理，并就如何减小实验误差进行讨论，对实验疑点、相关知识进行拓展学习。开展多媒体课件制作竞赛，能够充分发挥学生的想象力及创新能力，为学生搭建一个展示自我、勇于创新的平台。

（四）引导学生参与实验研究和科研活动

俗语说“：授人以鱼，不如授人以渔。”进行物理实验教学，不仅要让学生了解实验应该如何做，还要知道为什么这样做，更要思考可以做什么。教师在实验课教学过程中，要积极引导学生结合物理实验课程项目，应用先进的实验方法、实验技术和手段，主动参与物理实验研究和实验室科研项目，在学习物理实验基本理论、获得科学操作技能的同时，有效培养其创造性思维和科学实践能力。实验研究包括物理实验方案的改进与设计方法讨论、异常实验现象的产生因素及改进措施分析、实验仪器的改进和维修方法的探讨、实验故障的产生原因及排除故障的方法研究、实验数据处理方法及实验误差分析、实验失败的原因及解决办法研究等。

例如，在“静电场模拟”实验中，传统的静电场描绘仪是以导电纸或水作为两电极间的电介质，大多使用双层结构的描绘仪，采用等臂记录法来描绘，用数字电压表观测等电位点，这种设计存在缺陷，不能很好地描绘静电场，学生反映实验误差太大。教师可以引导学生查阅资料，综合利用物理、化学知识多方位地进行设计、改进，提出可行的改进意见，并用实验进行验证。在“分光仪的调整和使用及三棱镜折射率的测定”、“用光栅测光波波长”、“用分光计进行光谱定性分析”等实验中，分光计作为这些实验的重要仪器，经过不断演变和改进，设计更加科学，结构也更加精密、复杂，其使用和调整都有严格的规范要求，这对于初次接触分光计的学生来说是严格的考验。部分学生在调整分光计时，对载物台调平的操作虽花费了大量时间，仍不能达到很好的调平效果。

教师可以适时组织“分光仪载物台快速调平法”的讨论，引导和鼓励学生积极思考和解决这个问题。这样的讨论能够激发学生探究问题的兴趣，并鼓励优秀学生脱颖而出。另外，教师可以积极组织并有意识地引导学生结合所学专业和个人兴趣，积极参与教师和实验室的科研项目，以增加师生间的交流，激发学生的学习热情，为其自我能力的提升提供平台。例如，机械和电子专业是集机械、电子技术、信息处理、计算机等技术为一体，以计算机应用为特色的综合性学科，这种机电一体化应用的专业特色可以应用到实验仪器的设计和制作中，实现实验仪器的更新改造。计算机科学与技术专业的学生具有扎实的理论基础、较强的程序设计和软件开发能力，可以参与实验软件、实验教学软件的开发和应用等研究，以培养学生的综合实践能力和创新能力，满足学生学以致用的成就感。

三、利用现代教学手段，提高实验教学质量

应改变传统的黑板加粉笔的教学模式，以适当的黑板板书为辅助，利用现代教学手段，制作穿插图片、动画、音视频、虚拟现实等材料的高质量多媒体课件，建立网络教学资源库，引进网络仿真实验，实现物理实验教学的信息化和网络化，丰富教学内容，增加实验教学的趣味性，培养学生主动参与、主动探索、主动思考的能力。尤其是对于利用常规方法进行图形和数据处理比较困难的部分实验项目，利用计算机进行处理就比较容易完成。利用CAI教学课件作为辅助教学工具，可以将复杂的图表、实物图、电路图等通过图像、声音、动画、影像等形式形象地展示出来。仿真实验可以利用计算机技术把实验原理的理解、实验仪器的结构、实验的教学内容、实验报告的书写、教师的指导和学生的操作活动有机地结合起来，将一些因实验室客观条件限制还未开出的实验项目，通过模拟物理实验在计算机上完成，其效果甚至好于实际实验的效果，能方便学生自己安排时间进行预习、操作及复习。现代化的实验教学还能促使学生在校园网上反复查阅教师课件等教学资料，以提高实验效果，并对一些疑难问题及实验方法、技术和仪器改进方面的想法在网上随时与教师进行交流和讨论，教师要鼓励学生提出改进性建议，设计出科学合理的方案，培养学生的科研能力。教师还可以利用校园网络及时公布学生每次实验的评定情况，使学生及时了解自己的实验成绩和存在的问题，如果需要，可以随时预约重做实验。

四、实行开放式教学，强化因材施教

实行全方位、多层次的开放式实验教学，不只局限于时间和空间的开放，更重要的是教学内容、方法和手段的开放，是观念意识的开放。开放性实验室可以实现对外联网，给教师和学生带来极大的方便。

（一）有助于体现以人为本的原则

学生登录校园网的网上选课系统，根据教务处对实验的课程安排，结合自身的实验基础、兴趣爱好和所修专业的特点，可以自主选择实验时间和实验题目。这体现了以人为本、因材施教、因人而异的原则，满足了不同需求、不同层次、不同专业学生的要求，有效推进了数字化校园建设。在物理实验室开放教学的模式下，学生可以有目的地选择与专业相适应的物理实验，通过物理实验充分感受到物理科学在实际工作和生活中的应用，培养学以致用的思想意识。开放的物理实验室使学生在时间和空间上有了更大的灵活性，为学生安排学习时间、制定学习计划和发展方向带来极大的便利，符合当今社会所倡导的自主化、人性化管理理念，对实验教学管理工作的信息化、网络化建设具有促进作用。

（二）有助于学生完成课前预习和数据处理

开放的实验可以将实验教学内容的预习和数据处理的环节安排到实验室课上完成。与理论课相比，实验课的一个重要特点是要求学生能够多思考、多分析，独立完成实验操作，所以，明确实验任务、了解仪器的结构功能及操作要领、掌握误差来源及减小误差的方法等实验前的预习工作尤为重要。但是，传统的实验前预习只限于对实验教材的阅读及撰写预习实验报告，学生从教材上生涩的专业术语、模糊不清的仪器结构图中感觉实验内容枯燥乏味或看不懂，只能盲目地抄袭实验讲义，以应对教师的课前检查，这样不仅浪费了学生的时间和精力，不会对实验教学有所裨益，而且会影响学生对实验的兴趣。让学生进入实验室面对实验仪器有针对性地进行实验前预习，可以使难以理解的内容变得生动、易懂，学生的兴趣大增，预习质量明显提高，避免了以往实验前预习的诸多弊病。学生可以在课堂上进行数据处理，教师可以当堂进行批改点评，对实验报告中出现的问题及时加以纠正，不断总结教学经验，调整和完善课堂教学内容，探索适当的教学方式。

（三）有助于培养学生的创造性思维

开放的实验室可以弥补课堂教学时间的不足，为实验课内不能顺利完成实验或实验失败的学生提供完成实验或者重新实验的机会。在开放实验室的时间内，学生还可以做一些难度较大或者感兴趣的实验项目，充分发挥自身潜能，培养独立思考、积极探索、不断创新的精神和永不满足、追求卓越的态度。例如，在“拉脱法测定液体的表面张力系数”的实验中，有些学生在完成实验测定后，希望探索温度对液体表面张力系数的影响、液体表面张力系数与液体中所含杂质浓度的关系。学生通过查阅大量文献，设计实验方案，在课余时间进行实验，充分发挥实验设备的潜力，以最少的投资发挥最大的效益，使课内实验与课外开放实验有机结合起来，满足学生求知和创新的欲望。开放式教学模式可以为学生主动学习和个性发展创造良好的外部环境，满足其求知、探索和创新的欲望，侧重于创新精神与能力的培养，体现以人为本的教学理念，可以有效解决当前实验教学中存在的问题。

五、完善实验考核制度，保证教学效果

实验考核是检验实验教学效果的重要手段，是实验教学改革的基本组成部分，也是实验教学工作的重要环节。完善的考核制度能够客观反映学生的理论知识水平、操作技能，科学评定学生的综合实践能力，培养学生严谨的治学态度、实事求是的工作作风和开拓创新、不断探索的精神。针对学生不注重平时的实验操作过程，抄袭、修改或编造数据的不良作风，对学生的实验课程成绩可采用“课程总评成绩100％＝平时成绩60％＋期末实验操作测试成绩40％”的折算方式来进行评价。在总评成绩中，平时成绩比例要加大，目的是鼓励学生重视平时的实验，以提高实验操作水平。平时成绩涉及的评定因素较多，包括出勤、实验预习情况、实验操作完成情况、实验结果和实验报告质量等，教师要善于观察，做好平时的实验记录，做到客观公正、实事求是。另外，教师还要考察学生是否能独立地排除实验故障，课堂提问、课堂讨论、提交作业及工作态度等情况都可以用来综合考察学生，评定学生的学习情况。其中，实验操作及动手能力是学生实验过程的关键，教师要进行巡视考察。对于学生的实验报告，要考察实验数据的真实性、数据处理方法、误差的计算、实验结果的误差及分析、异常现象的解释等。

为了对学生的实验教学进行更全面的考核，突出对学生实验操作技能的考核力度，教师不能只看实验报告，要杜绝抄袭报告的现象。具体的做法是，在学期期末，教师选取一些以实验基本操作技能为考核重点的题目，学生随机抽取题目后，经过30分钟的准备工作，在规定的时间内独立完成实验操作，回答实验涉及的问题，并当场完成实验报告的撰写。教师要在学生的操作过程中进行巡视，观察学生实验操作的规范性和熟练程度以及数据记录、实验结果处理、解决问题方法、台面整洁与否等实验习惯。对于综合性、设计性、应用性实验项目，尤其是涉及物理知识与学生所学专业相关的项目，要通过考察设计实验方案、撰写实验论文等方式进行综合考核。对于在多媒体课件制作竞赛中获奖以及在实验研究和科研活动中表现突出的学生，可以在期末实验操作测试和期末综合测评中给予不同程度的加分奖励。总之，应不断完善实验考核制度，促使学生在研究中勤于观察思考，善于发现问题、分析问题和解决问题，激发学生进行实验研究的积极性、主动性和自觉性，进一步提高学生的综合素质，实现创造性思维和创新能力的培养。

六、结束语

篇7

关键词：比喻；物理教学；课题研究；课堂效率

在物理教学过程中，教师经常会感到有些知识点很难讲清、很难让学生真正领悟，都会很自然地运用到比喻的教学手法。恰当而生动地运用比喻，能使抽象的变成形象的，这样更能帮助学生加深理解；能够将物理学深奥的知识介绍得深入浅出，激发学生的学习兴趣，提高课堂效率。笔者通过《比喻在物理教学中的运用》课题研究，认识到了比喻教学法在高中物理课堂教学中的作用，比喻教学法在高中物理教学中的常见形式，物理教学中比喻艺术的基本要求。现将研究结果总结如下，以供大家参考。

一、比喻教学法在高中物理教学中的作用

比喻在物理教学中，具有化抽象为具体、化未知为已知、化深奥为浅显、树立鲜明生动的直观形象的作用；具有启发思维、拓宽思路、引导学生进行推理的作用。因此，在物理教学中恰当地运用比喻不仅丰富教学语言、提高学习兴趣，还能调动学生的注意力。

1.树立直观形象

人们获得知识大都是从生动的直观开始，生动鲜明的直观形象能给人们提供具体的感性认识。没有生动的直观，就很难进行科学的抽象，直观是抽象的基础，没有必要的感性认识就难以达到理性认识。实物直观和模像直观都是提供直观形象的有力手段，但是并不是所有的物理规律都能通过实物或模像建立直观形象，即使在可以使用实验或图片的场合，也必须辅助以言语直观，因为实验或图片并不能把所有关键的细节和过程都表达清楚。在不能应用实物直观和模像直观的地方，比喻有着独到的直观性作用。

例如，为了说明功与能既有联系又有区别的关系，可以把某物体具有能量比作某人具有一定数额的存款（包括银行里的存款和手里的现金），把做功的过程比作花钱买东西的过程，把买东西所花钱的数量比作功的多少。如果你想判断一个人是否有存款，一个简单的办法，就是看这个人是否不断地花钱买进新的东西。这个人有存款就能够买东西，存款数量的变化，可以用花掉了多少钱来计算，买了多少钱的东西，他手中的存款就减少了多少。但是有存款的人未必一定要花钱买东西。同样道理，一个物体能对外做功，它就一定具有能量，能量的变化可以由做功来量度，这个物体对外做了多少功，它的能量就相应地减少了多少，功是能量变化的一种量度。物体是否具有能量的标志之一是看它能否做功，能做功和做功与否是两码事。就像有了钱可以买东西，但有钱并非一定要买东西一样，具有能量的物体可以做功，但是不做功的物体不一定不具有能量，因此可以说某物体具有能，但不能说某物体具有功。

2.增加物理课堂教学语言的色彩，调动学生在物理课堂的注意力

物理教学过程中，虽然用新颖有趣的实验可以加深学生对知识的理解，但多数时间要靠教学语言来进行。教师的语言既要通俗易懂，又要深入浅出。不仅要有科学性与思想性的统一，精确性与针对性的综合，也要有启发性与趣味性的和谐。语言的趣味是语言艺术的技巧问题。在学生吸取知识营养时，不能让学生感到物理学是生、冷、硬的知识“拼盘”，而应让学生感到物理知识像宴席上的一道“名菜”那样，不仅有丰富的营养，而且色、形、味俱佳，使学生观其艳美的形色、嗅其浓郁的香味便垂涎欲滴。那种“知识拼盘”，尽管营养丰富，既引不起食欲，也难以消化。

巧妙运用比喻，不仅能引起学生学习物理的兴趣，还能帮助学生增强记忆，从而对提高物理课堂教学效率方面起着不可估量的作用。

黑格尔曾说：“比较法是指能看出异中之同或同中之异的认识方法。”“比较是一切思维的基石”，比较法是最重要的逻辑思维方法。通过比较策略的实施和学生的成功运用，可以培养学生的求同、求异思维。通过对有关知识的概括、总结、分析和比较，可把学习的内容有机联系起来，起到对比掌握、加深理解、系统巩固的作用。

教学是一种艺术，教师如何做到在课堂上有成效地利用注意规律，交替调动学生的有意注意和无意注意，是教学艺术的重要体现方面。

要想使物理教学妙趣横生，要充分调动学生的非智力因素参入学习，只有结合教学内容适度地润色、得体地发挥，才会收到良好的效果。恰当地运用比喻，既有助于学生理解、记忆知识内容，又能引起学生的学习兴趣，使学生在轻松愉快的气氛中掌握了知识，我们又何乐而不为呢？如果一堂物理课讲得学生愿意听并且听得懂，学生就会喜形于色，学生的兴奋情绪反馈给教师，教师也会陶醉于成功的喜悦当中，促进教师产生更好的教学情绪，使教学进入更佳的状态。

二、比喻教学法在高中物理教学中的常见形式

1.模型教学中的比喻

有人曾给电荷下定义：电荷是一种类似于法国香水的东西，敷上了它就能够吸引异性。这个比喻用一个奇妙的联想，把要说明的知识要点用一个极为常见的生活实例表达出来，给人留下生动而深刻的印象。

2.过程解析中的比喻

爱因斯坦在谈到动能和势能的转化时说：“动能和势能加起来的全部能，举例来说，可以跟总数不变的钱相比，它们不断地按照固定的兑换率由一种货币兑换成另一种。例如，由英镑兑换成美元，再由美元兑换成英镑。”这是多么棒的一个比喻！

再如，振动图像和波动图像的物理意义，可用“一个人一生的身高情况”和“某一时刻各个人的身高情况”进行比喻，指出它们描述的是“一个质点在各个时刻的位移”和“多个质点在同一时刻的位移”。

学生初次接触到“加速度减小，速度却可能在增大”的辩证关系时，可形象地比喻成“人从出生到成年，身高的增长越来越慢，但毕竟在增长”。这个比喻形象直观，通俗易懂，可使学生对加速度与速度的关系豁然开朗。

3.规律展现中的比喻

楞次定律是电磁感应中的重要定律，由于定律文字叙述概括，理论意义丰富且深奥，学生常常理解错误，不少学生把“阻碍磁通量的变化”理解为和原磁场方向相反，混淆了“阻碍”和“阻止”的含义。当磁极来时，线圈的近端产生同性磁极，抗拒磁极的接近，显得冷酷无情；当磁极走时，线圈的近端又产生异性磁极，吸引原磁极，显得多情好客。线圈的个性是“来拒去留”，该比喻准确地描述了定律的含义，又使定律拟人化，降低了教学难度，既讲了物中之理，又讲了理中之趣，有效地调动了学生学习的积极性。

4.性质讲解中的比喻

静电场的性质可用试探电荷来检验，但试探电荷的线度和电量必须足够小，电场的存在和强弱并不因检验电荷的有无和电量大小而改变。这一性质与“人的体温可用体温计来测量，体温计很小，放入人体不致引起体温变化；即使没有体温计，人的体温也照样存在并基本保持不变”非常类似。

描绘电场线时，可把正点电荷的电场线比喻成“光芒四射的太阳”，负点电荷的电场线像“众矢之的的靶心”；等量异种点电荷的电场线“携手合作”；等量同种点电荷的电场线则“势不两立”。

三、物理教学中比喻艺术的基本要求

1.同构性――防止牵强附会

所谓同构性，就是喻体和本体从性质、特征上要尽可能相似，不能生拉硬搬，用格格不入的事物、现象来做比喻。如用足球场上运动员的奔跑和冲撞来比喻分子运动，一来数目相差过于悬殊，二来足球比赛很难说是“无规则运动”，而这一点正是分子运动的关键特征，比喻运用极不恰当，不如用钢球模拟法更清楚。

2.简化性――避免得不偿失

所谓简化性，就是运用简单和学生熟知的客观事实、现象做比喻化解知识难点，使得所学知识通俗易懂，从而提高教学效率。下列事例是不宜用作比喻的：教师熟悉学生不熟悉的；涉及过多的背景知识，消耗大量时间的；有可能节外生枝、产生新的疑点的。

3.德育性――避免低格调

所谓德育性，就是运用比喻时要注重思想教育作用和美育熏陶作用，避免低格调、庸俗化。如讲解作用力和反作用力时，举例说有个孩子落水，你冲上去救他，你向上拉的力和他向下拉的力大小相等、方向相反，但我们还是会义无反顾地去救他。这样就在无意中宣扬了救人于危难之中的雷锋精神。倘若举例说明甲打乙一拳，实际上乙同时以同样的力也还了甲一拳云云，那就无异是在教室里宣扬打架斗殴了。比喻的美育熏陶作用也是不可忽视的，不能把比喻庸俗化。如讲解能量守恒观点，一种形式的能增加了，必然有其他形式的能减少了，不可能使得所有形式的能量都增加时，倘若举例说“打麻将时，有人赢了多少钱，就有人输了多少钱，总量是不变的”，这样的比喻不仅不科学，而且十分庸俗。

恰当的比喻能化解教学难点，提高教学效率，有时甚至能在笑声中一劳永逸地解决那些原本很难说清楚的问题，起到事半功倍的作用。

总之，在物理课堂教学中，选用恰当的具体事物，以不失科学性为前提，用比喻说明抽象的道理，最大限度地揭示自然界客观事物的本质，用已知来开拓未知，是一种简单而有效的教学方法。当然，应用比喻，并不是以浅显的道理代替较深的理论，更不是滥用玩笑代替耐心细致的讲解，而是要求教师紧密结合教材内容，根据具体情况，做到言之有理，言之有物，言之有据。物理教师要深入理解教材，对教材中适宜用比喻的地方做到心中有数，从日常生活、从学生已学过的知识中找到恰当的比喻用于课堂，这样日积月累，从实践中不难掌握运用比喻的技巧，最后达到妙喻连篇、精彩纷呈的境界！学生会在欢笑的氛围中学到知识，快乐成长。

参考文献：

篇8

关键词：物理实验室；实验室建设；教学改革。

在高校人才培养过程中，高校物理实验课占有十分重要的地位。大学物理实验课程是一种实践性和创新性很强的教学环节。为了提高物理实验水平，以下介绍我院在物理实验室建设过程中所采取的一些改革措施。

一、注重仪器设备配置的合理性

当今科学技术日新月异，仪器更新换代频繁，为保证学生接触到新仪器、新技术，掌握先进的实验技能，作出前沿水平的实验结果，必须保证仪器的先进性，才能保证实验手段的先进性。合理配置实验项目和仪器的套数。一般高档、先进的仪器设备花钱较多，购买的套数少，而花钱较少的设备则多上几套。这样，既让学生接触到了先进的仪器设备，又完成了正常的教学任务，并且还节省了宝贵的建设资金。

充分注意实验仪器的教学作用。高校物理实验的目的之一是要培养学生的动手能力和观察分析能力，有些自动化程度较高的仪器设备并不利于学生的动手能力和观察分析能力的培养。因此，我们在选择仪器设备时，不仅要注重仪器的先进性，而且要注意它的教学效果和对学生动手能力的培养。

二、更新物理实验内容，加强学生创造能力的培养

实验室是高校教学、科研的主要基地。但长期以来重理论、轻实践，重知识、轻能力的教学模式，使培养出来的大多数学生缺乏创造性，缺乏分析问题和解决问题的能力。

多少年来，在传统的实验教学中，教师的主要任务时传授知识，学生是教学活动中的被动者，做实验只是按照标准的程序验证原理和定律，实验教材对所需仪器设备、线路连接、操作步骤、观察内容等均已详细说明，学生做的只是试一下与教材内容是否相符及分析实验结果。原有物理实验课的这一现状已经不能适应当今科学技术的发展和社会对创新型人才的需要，因此，物理实验教学内容必须进行改革。

我们根据《高等学校工科物理实验课程教学基本要求》的目标和要求，开设了转动惯量测定、测量金属丝的杨氏模量、导热系数测定、声速的测量、光的干涉、分光计的调整、电位差计、静电场描绘等“力、热、光、电”20多个基本实验，同时还开设了光电效应、非平衡直流电桥的应用、示波器测量铁磁材料的磁滞回线等现代高新技术综合实验。让学生亲身体验到高新技术，通过学生亲手完成实验使他们不再感到科学的神秘，这对培养高素质的创新型人才是非常有帮助的。

学生在做完一些基础实验之后，就具备了一定的实验能力，这时候就有必要让学生自己去设计实验。设计性实验是教师根据当堂课的实验仪器提出设计性实验的目的和要求，以及要完成的实验内容，让学生根据眼前的实验仪器，设计实验方案，拟定实验步骤，最后自己完成实验。这种设计性实验的能力是现在大学生需要的。

目前，我们设计性、综合性物理实验的开设数量已经满足了教育部对物理实验课程的基本要求。由于设计性、综合性实验注重培养学生创造性思维的能力和方法，能培养学生综合运用所学的知识，提高解决问题的能力，因此我们今后在训练学生基本实验技能的基础上，相应减少一些验证性的实验，提高基本实验的起点，适当增加对学生科学思维和动手能力有帮助的设计性、综合性、创造性实验。根据现有的仪器设备中选一些内容恰当、符合现代化科技的设计性实验题目，供学生选做。

三、改进教学方法，改善教学手段

学生对普通物理实验不够重视是一个比较普遍的问题，究竟是什么原因使学生对如此重要的环节不予重视？究其原因是多方面的，其主要因素之一在于教学方式过于陈旧、呆板，课堂教学过细，实验过程控制比较死，学生发挥不了主观能动性。为了激发学生的主观能动性，我们除了更新实验教学内容，增加学生感兴趣的设计性、综合性、创造性实验外，还对教学方法做了改进。基础课在科技进步的时代，更应该强调以人为本。高校更要解放思想，转变观念，实行以学生为主体，教师为主导。要多给学生一些自由发挥的空间，提高学生的学习兴趣和主动性，培养学生的创新意识和能力。理论与实践、课堂教学与实验教学紧密结合已成为现代教育的趋势，加强实验教学是构建培养创新人才体系的重点，也是提高学生创新精神和能力、促进学生个性发展的重要途径。

四、改革考试方式，指导学生向创新型发展

以往的物理实验考试方法只有笔试和操作两种，但都离不开教材。学生只要熟读教材，就能够通过笔试；按照教材操作，就能通过操作考试。这种方式实际上在物理实验方面容易误导学生死读书，不能提高学生的创造性思维，所以必须采用新的考试方式取而代之。

新的考试方式要求学生在特定的时间内，设计一个小实验。这个实验要以学过的试验中发挥自己的创新能力，这种考试的答案并非唯一。教师根据学生设计方案的好坏、完成过程的正确与否、是否具有创造性等因素来评定成绩。对于笔试的试题，我们要求每位授课老师出6-10张试题卷，这些试题卷将进入我们的试题库。考试前随机抽取一套试题。这样的考试方法虽然大大的增加了教师的工作量，但能够真正的提高学生独立自主解决实际问题的能力。

以上就是我们在物理实验室的创新和建设中的一点尝试和体会，由于我们这一工作刚刚开始，难免会有一些不妥之处。总之，我们将培养与社会相适应的人才，为深化改革，强化素质教育，作出应有的贡献。

参考文献：

[1] 宋克威. 建立设计性物理实验室为教学改革创新路[J].大学物理实验，1994，（2）

篇9

这里的“模拟”是指通过设计与原型相似的模型，并利用该模型来间接地研究原型规律和过程的方法。此法应用于物理教学可使事过境迁或稍纵即逝的自然现象或过程在实验中重现，可将现象简化或进行时间、空间的放大或缩小，甚至可对那些既不能打开，又不能从外部直接观察其内部状态的系统进行研究。特别是解决那些尚无简单有效的仪器可演示的实验，模拟实验成了一种重要的教学辅助手段。

物理实验中的模拟法，根据它的特点和主要功能，我在此粗略地把它分为以下四类。

1　研究主体模拟

在这里把可以用放大或缩小的，相似的，而又能反映事物某方面规律的客观实体来代替研究对象的方法称为研究主体模拟。

研究主体模拟的设计思想主要在于下述两种情况：其一是为了突出客观实体的主要矛盾和本质特征，摒弃次要的非本质因素，使研究对象从客观实体中直接抽象出来。如物理中的多种理想模型，以及天体运动模型，微观结构等几何相似模型。在研究二极管的单向导电性时，我在实验基础上，运用研究主体模拟法，用自行车气门和进水阀门来模拟单向门。如此，不但加深对“单向性”认识，而且激发了兴趣，开阔了思路。

其二是为了解释某些行为和特征而建立起来的模拟。如地球因自转而产生的科里奥利力、南北半球的气旋、旋涡方向等，在地理课中亦有提及。方法：我们可以取一只旧的橡皮篮球(或地球仪)来模拟地球自转，然后将红墨水从上往下滴落在转动的“地球”表面。此时可明显看到水痕向西边呈扩散状，从而令人信服的说明北半球向南的水流冲刷西岸这一自然现象。

我市慈溪中学物理组自制的波的形成演示仪，也是对研究主体——绳波中的绳用小球进行了模拟。把小球用弹性橡皮筋竖直悬挂，每个小球间也用弹性橡皮筋连接，这样就用小球模拟了绳中的各个质点。每个小球间的弹性橡皮筋表示各个质点间是有相互作用的弹力的，任意一个质点所做的振动都是受迫振动。

2　物理相似模拟

在科学研究和工程技术的许多领域中，人们常常希望利用模拟试验来代替对实际现象的研究，以便使我们可能在一定程度上预言某些在目前尚无法达到的条件下出现的情况。例如用水代替石油研究其在管道中的运动。其特点是模拟与原型遵循同样的物理规律，故称之为物理相似模拟。

物理教学中的“失重和超重”，我们用类似航天员训练的方法模拟。一种是测力计与物体一起自由下落(实验室有成套实验器材)，另一种利用物体在液体中所受的浮力等于重力去模拟物体在失重下的物理状态。

海市蜃楼是一种罕见的自然现象，教学中一般只作介绍，至多不过看看录像，不能满足学生的好奇心和求知欲，如果能在实验室加以模拟，则不仅可激发学生探求自然奥秘的浓厚兴趣，还可加深对有关知识的理解。首先，我们可以在三面透明的玻璃箱中放人若干白糖而不加搅拌，使糖水造成折射率随深度而变化，而最大折射率出现在含糖较多的容器底部，以此来模拟大气折射率随高度而变化。当用氦氖激光光束从侧面射入此溶液时，即可看到光束弯曲现象。然后再以某些景物作海市蜃楼模拟，使之起到突破时空限制，重现自然奇景之目的。另外，用带电的肥皂泡在竖直电场中的平衡进行“密立根油滴实验”的模拟(比较困难)，以及十分壮观的“可乐瓶水火箭”等，均是物理相似模拟的范例。

3　过程模拟

如果把具体物理过程纯粹化、理想化，并根据其本质特征而设计的一种模拟叫过程模拟。其特点是过程简化，易于控制。

例如，气体压强的分子运动论观点，通常采用雨滴打伞面来类比。这种大量分子对器壁连续碰撞的过程，书本介绍用豆(或沙)落在电子称上来模拟，就显得直观生动了。装有铁屑的试管模拟铁棒的磁化和退磁等都是过程模拟的成功例子。

又如布朗运动的模拟，用一个装有小弹球的容器，小弹球可以被底部弹射装置无规则搅动，分别放入小球，相对较大的球，分析放入球的运动及受力情况，从而更好地理解布朗运动的特点。

我们在分析曲线运动时，有一个重要的思想方法——运动的合成和分解是个难点，在此我们以平抛运动为例，在演示有关实验后，用“慢镜头”的方法，手持粉笔头边走(模拟水平匀速直线运动)边从上向下加速下移粉笔头(相对于自己)，以此模拟平抛运动，既简单明了，又便于分析。

热学中的统计方法和光本性概念，由于受课堂教学方法和时间的限制，怎样从个别事件的无规律过渡到大量事件的有规律，成了模拟实验的设计难点，在教学中可采用这样的替换，把在不同时刻的物体空间分布规律等效变换成同一时刻不同状态规律的比较的方法，让全班同学同时掷硬币若干次，然后统计比较下列情况“国徽”朝上的次数：(1)某同学，(2)某小组同学，(3)全班同学。从而使学生既突破了难点又受到一次生动的方法论教育。

4　模拟放大

在物理概念和规律教学中，学生往往对那些不易观察或不能从外部直接观察其内部状态的规律，因缺乏形象的感性材料而引起思维障碍。模拟放大就是采用空间放大和时间放大的方式，抓住本质特征，展现实验，使其生动、直观、形象。从而促进思维顺利进行。

液体表面张力实验中的“水面浮针”，学生感到新奇，但在分析受力时往往错误认为表面张力与重力平衡，经指出后又不理解沿液体表面作用的力并没有作用在针上。究其原因是学生在形成概念过程中缺乏直观材料。为此。我用一只较大的气球，充入少量气体，然后在上面放一根小铁棒，以此来模拟放大液面浮针，并指出液体表面张力同橡皮膜的张力，只作用在它们的表面，并没有作用在针(或棒)上，作用在针上的是因液体表面张力而产生的液面对针的支持力。通过令人信服的实验还使学生进一步明确：表面张力的作用是保持液面不分裂。

力的分解，关键是根据力产生的效果来确定分力的方向。斜面上物体的重力的分解是其中的典型，我们教师在教学中用长毛板刷来模拟放大物体的运动趋势，用吹塑纸(或海绵)模拟斜面挡板，则斜面被压和物体向下滑动趋势一目了然。这样，学生也能用类似方法分析其他力产生的效果。

教材里有一个固体形变演示实验：用手捏压装满水的圆柱体玻璃瓶(瓶盖中心开孔并插一玻璃细管)，玻璃细管中水面上升，松开手，水面又降回原位，这说明瓶子受捏压时发生了形变。其实这个实验，我们需稍加改进。因为有的学生提出水面上升不是因为瓶子形变，而是由于手的温度较高，瓶中的水吸热升温体积膨胀所致，为了消除学生的误解，可将圆柱体玻璃瓶换为椭圆柱体玻璃瓶，先沿短轴方向捏压，细管中水面上升，后沿玻璃瓶长轴方向捏压，细管中水面不但没有上升，反而还下降了。从而使学生确信水面的升降是玻璃瓶形变的结果。这样一来，不仅效果依然明显，而且使实验可信度大增。