蘇海濤

摘要大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課應(yīng)同時(shí)起到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、理論思考能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的重要作用。選擇嚴(yán)格簡明的實(shí)驗(yàn)公式導(dǎo)出方法和良好的實(shí)驗(yàn)方法是培養(yǎng)后一方面能力的重要途徑。選擇合理的準(zhǔn)確度評(píng)估方式，可以讓學(xué)生真切地感受自己測(cè)量質(zhì)量的好壞，從而培養(yǎng)他們探索誤差來源的積極性并激勵(lì)他們提高測(cè)試能力，而這正是實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的重要內(nèi)容。

關(guān)鍵詞實(shí)驗(yàn)公式導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)確度評(píng)估

物理實(shí)驗(yàn)的原理體現(xiàn)著實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想與實(shí)驗(yàn)方法，它告訴實(shí)驗(yàn)者該實(shí)驗(yàn)要做什么、該怎么做，它是實(shí)驗(yàn)者了解與掌握實(shí)驗(yàn)的鑰匙。物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想與實(shí)驗(yàn)方法體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)公式的導(dǎo)出上。如果實(shí)驗(yàn)公式的導(dǎo)出理論透徹、數(shù)學(xué)推導(dǎo)簡明，不僅有利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解與掌握，也有利于啟發(fā)與培養(yǎng)學(xué)生觀察與揭示問題實(shí)質(zhì)的能力。在明了實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，完成實(shí)驗(yàn)的測(cè)量往往會(huì)有多種方法。好的實(shí)驗(yàn)方法不但能夠簡化測(cè)量過程、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且能使學(xué)生學(xué)到更多的知識(shí)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果的準(zhǔn)確度評(píng)估，應(yīng)根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)情況給出不同的要求，不應(yīng)統(tǒng)一于千篇一律的處理模式，以使學(xué)生更好地感受自己測(cè)量的準(zhǔn)確性究竟如何。下面作者就自己在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一些體會(huì)提出來與大家交流。

1實(shí)驗(yàn)公式的導(dǎo)出

以三線擺測(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)為例，這是一個(gè)重要的基本力學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)公式的推導(dǎo)方法有兩種。第一種方法是在認(rèn)為圓盤的小幅扭擺為諧振動(dòng)的前提下，利用重力作用下剛體升降扭擺的機(jī)械能守恒以及扭擺過程中線量與角量的關(guān)系，導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)公式。

第二種方法是從剛體扭擺過程中的受力分析出發(fā)，計(jì)算出小幅扭擺下懸線拉力對(duì)剛體的扭力矩，然后利用剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)定律建立剛體扭擺運(yùn)動(dòng)的微分方程，解此微分方程，導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)公式。兩種方法相比較而言，第二種方法顯然最好，因?yàn)樗鼜幕镜氖芰Ψ治鲩_始，直接導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)公式，過程清楚明了。在第一種方法中，設(shè)定圓盤的小幅扭擺為諧振動(dòng)需要給出證明，盡管可以證明圓盤的小幅扭擺滿足諧振動(dòng)的微分方程，但這一證明本身就是第二種方法的根本思路。所以盡管第一種方法沒有錯(cuò)，但從邏輯上講是不嚴(yán)格的，如果要嚴(yán)格導(dǎo)出又將使導(dǎo)出過程繞了個(gè)大彎子。通過兩種方法的比較，作者感到，從最基本處清晰明了地導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)公式是建立實(shí)驗(yàn)公式的最佳方法，這將有助于學(xué)生觀察與把握物理問題的實(shí)質(zhì)，培養(yǎng)他們獨(dú)立思考并解決問題的能力。

2實(shí)驗(yàn)方法的選擇

在實(shí)驗(yàn)原理的指導(dǎo)下，選擇好的實(shí)驗(yàn)方法，不但能夠簡化測(cè)量過程、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且能使學(xué)生學(xué)到更多的知識(shí)。例如用流體靜力稱衡法測(cè)不規(guī)則固體與液體密度的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所用的儀器為礦山天平，所要測(cè)量的物理量是質(zhì)量。對(duì)質(zhì)量的測(cè)量是采取通常的左物右碼的多次測(cè)量，還是采用復(fù)稱法，但只進(jìn)行單次測(cè)量，這是可以討論的。采取左物右碼的多次測(cè)量，取其平均值，是為了減小測(cè)量的隨機(jī)誤差。然而作者感到，在學(xué)生能夠正確使用天平的情況下，只要他們能夠測(cè)得仔細(xì)，即使是單次測(cè)量，其測(cè)量的隨機(jī)誤差也不會(huì)大，在這種情況下，對(duì)同一質(zhì)量進(jìn)行多次測(cè)量并無意義。如果采用復(fù)稱法，且又是單次測(cè)量，既避免了無意義的多次測(cè)量，簡化了實(shí)驗(yàn)過程，又可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)一種新的測(cè)量方法—復(fù)稱法，用這種方法可以消除天平不等臂所帶來的系統(tǒng)誤差，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化。作者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中感到，不少實(shí)驗(yàn)在測(cè)量方法上可以有改進(jìn)的余地，以上所舉的用流體靜力稱衡法測(cè)不規(guī)則固體與液體密度的實(shí)驗(yàn)就是一例。選擇好的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量是非常有幫助的。

3準(zhǔn)確度評(píng)估

準(zhǔn)確度評(píng)估是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的重要內(nèi)容。準(zhǔn)確度評(píng)估是指用不確定度或相對(duì)誤差來評(píng)估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果的準(zhǔn)確度。在有公認(rèn)值或參考值的情況下，計(jì)算實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差是必需的，是否要計(jì)算不確定度則應(yīng)視情況而定。這是因?yàn)?，如果?shí)驗(yàn)所測(cè)的物理量比較多，或者實(shí)驗(yàn)公式比較復(fù)雜，都將使不確定度的計(jì)算量變得很大，這將使學(xué)生在計(jì)算上花費(fèi)很多時(shí)間，而學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于掌握不確定度的基本概念。如果實(shí)驗(yàn)的不確定度計(jì)算概念涉及完整、計(jì)算量又不大，則應(yīng)要求學(xué)生計(jì)算，以達(dá)到基本的教學(xué)目的。對(duì)于有公認(rèn)值或參考值的實(shí)驗(yàn)，計(jì)算相對(duì)誤差比計(jì)算不確定度更能讓學(xué)生體會(huì)自己實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確與否，對(duì)于這樣的實(shí)驗(yàn)，也可以不計(jì)算不確定度。三線擺測(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)又是這方面的一個(gè)典型例子。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，作為同一物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的扭擺法測(cè)量值和定義法測(cè)量值（理論值）就可以互為參考，計(jì)算它們之間的相對(duì)誤差就可以讓學(xué)生很好地感受到自己實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性究竟如何。而這個(gè)實(shí)驗(yàn)的不確定度計(jì)算量又很大，可以不讓學(xué)生計(jì)算。

在多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，作者感到，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課除了要起到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的重要作用外，還應(yīng)同樣起到培養(yǎng)學(xué)生理論思考能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的作用。選擇嚴(yán)格簡明的實(shí)驗(yàn)公式導(dǎo)出方法和良好的實(shí)驗(yàn)方法是培養(yǎng)后一方面能力的重要途徑。選擇合理的準(zhǔn)確度評(píng)估方式，可以讓學(xué)生真切地感受自己測(cè)量質(zhì)量的好壞，從而培養(yǎng)他們探索誤差來源的積極性并激勵(lì)他們提高測(cè)試能力，而這正是實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的重要內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1]楊長銘，戴同慶，凌向虎.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005：51-58，186-187.