大学物理基础性实验教学研究

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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

“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

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，温度梯度小，传热就小。但尽管如此，实验中还是会出现某些仪器加热时间长、散热慢、实验结果误差大等问题。学生面对此类问题，往往不知如何着手。我们在指导实验时，抓住误差分析这一关键点。检查仪器，发现底座上有导热硅脂堆积（导热硅脂本来用于改善加热和增强热电偶与样品之间的热接触的），这增加了样品和底座之间的热传递。加热时，相当于对样品和底座整体进行，所以加热时间长，降温时，样品和底座整体降温，所以散热慢，降温时间长。这个效应增大到一定的程度，就不满足“样品在完全相同的环境中通过表面向外散热降温”这一条件了。找出原因后，对样品和底座进行彻底清理，再做实验，一切正常。测量仪器（元件）的状态是测量误差产生的另一个主要原因。本实验采用热电偶进行温度的测量。热电偶是科研、工程领域广泛使用的测温元件。不同金属相互接触时会产生接触电势差，接触电势差对温度有非常规律的依赖关系，利用它可以把温度差转变为热电势进行输出，从而实现对温度的测量。热电偶的状态不正常，直接表现在它输出的热电势上。具体表现为加热或降温过程中，热电势变化缓慢、不规律、变化异常，有时甚至出现热电势值反号等令人困惑的现象。学生面临这些问题，往往不知所措，或者虽然能想到这是仪器的故障，却不知如何着手解决，所以他们一般是要求教师更换仪器。我们在基础性实验的教学中，就是要帮助学生克服依赖性，锻炼分析问题解决问题的能力。指导学生检查热电偶的工作状态，一般能找出问题的端倪。当热电偶的冷端或测温端的接头出现松脱，就会出现热电势值异常甚至反号等令人不解的怪象，用夹钳将热电偶的冷端或测温端的接头拧紧，使两个接头具有足够的接触面积和良好的电接触，问题就得到解决。加热或降温过程中，热电势变化缓慢，一般是由于热电偶的冷端或测温端的环境不正常引起。样品安装在底座上，热电偶的测温端穿过底座插入样品内，理论上要求测温端的温度即样品的温度，但实际上，热电偶的测温端不可避免和底座有所接触，它感受到的温度其实是样品温度和底座温度的某种平均值，要使热电偶的测温端的温度主要反映样品内部的实际温度，就必须使热电偶的测温端充分深入样品内部并尽量减少和底座的接触。热电偶冷端的情况与此类似，或者是热电偶冷端没有很好地插入冰水混合物内，或者是杜瓦瓶内冰块完全融化，基准温度不准，从而不能正常测温。学生在实验中就发生过这种情况，开始实验很顺利，测量最后一个样品时，降温时间大大增加了，考虑到实验已经进行了比较长的时间，我们提示学生检查冰水混合物的情况，果然杜瓦瓶内冰块已经完全融化，加入冰块，重置冷端，实验又能正常进行了。我们看到，当学生们经过了自己的观察、分析，找到并解决了问题之后，会油然生起一种成就感和自豪感，这应该是每一个从事物理实验教学的老师都乐于见到的吧。基础性实验教学是大学物理实验课程的基础，没有基础性实验打下的良好基础，后续的综合性实验、研究探索性实验就达不到预期的教学效果。创新是发展的源动力，培养具有创新精神和创新能力人才是大学教育的主要目标。欲达成此目标，不仅需要科学完善的、与时俱进的教学体系，也需要务实求真、一丝不苟的教学态度。实验课堂上，要充分体现学生的学习主体地位，让学生去面对实践问题，又要发挥教师的指导作用，在适当的时机，以适当的方式帮助学生克服困难，做到既不大包大揽，也不放任不管。基础并不意味着简单，更不等同于乏味无趣。好的实验课堂，应该能让学生感受到面临问题的困惑、解决问题的艰辛以及收获成功之后的愉悦。

参考文献：

[1]黄凯，曹进，常峰.大学物理实验教学的思考[J].内江科技，2018.9:106.

[2]郭有能，王国友.大学物理实验教学培养科研思维的探索[J].产业与科技论坛，2018.17(12):160-161.

作者:刘大卫 单位:贵州大学物理学院