張 倫，于建勇，李 艷，郭三棟，渠立成

(中國礦業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

從磁懸浮導(dǎo)軌動力學(xué)實驗簡析大學(xué)生實驗技能的培養(yǎng)

張 倫，于建勇，李 艷，郭三棟，渠立成

(中國礦業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

磁懸浮導(dǎo)軌動力學(xué)實驗因涉及到先進(jìn)的磁懸浮技術(shù)而受到大學(xué)生的青睞。文中以該實驗為例，探討大學(xué)生實驗技能的培養(yǎng)。磁懸浮導(dǎo)軌動力學(xué)實驗雖然原理簡單，但實驗內(nèi)容豐富，有助于學(xué)生實驗技能的訓(xùn)練。分析認(rèn)為，可以從實驗數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集、實驗思想的培養(yǎng)、實驗結(jié)果的正誤判斷、錯誤實驗結(jié)果的原因排查、誤差的減小和數(shù)據(jù)的處理等方面來培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能。

磁懸浮導(dǎo)軌；動力學(xué)實驗；實驗技能

磁懸浮動力學(xué)實驗是在以前氣墊導(dǎo)軌實驗的基礎(chǔ)上研發(fā)的一個實驗，因其涉及到先進(jìn)的磁懸浮技術(shù)而受到大學(xué)生的青睞。1842年，英國物理學(xué)家Earnshow提出了磁懸浮的概念，自此，在世界各地科研人員近兩個世紀(jì)的努力，磁懸浮技術(shù)已在列車、潛水電泵和離心式鼓風(fēng)機(jī)等領(lǐng)域有所應(yīng)用[1-2]。至2012年為止，世界上有常導(dǎo)電式磁懸浮、超導(dǎo)電動磁懸浮以及永磁懸浮三種類型的磁懸浮，其分別以德國、日本和中國為代表[3]。而本實驗磁懸浮導(dǎo)軌屬于永磁懸浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他動力支持。

本文目的不是介紹和討論磁懸浮技術(shù)，而是通過磁懸浮動力學(xué)實驗簡單探討大學(xué)生實驗技能的培養(yǎng)。該實驗屬于綜合性實驗，雖然原理簡單，但實驗內(nèi)容卻是很豐富，可以測量小車運(yùn)動過程中所受阻力加速度(af)、研究速度(v)和位移(s)的關(guān)系、測量重力加速度(g)以及驗證牛頓第二定律(F=ma，其中，F(xiàn),m,a分別為外力、質(zhì)量和加速度)等。從課堂上進(jìn)行實驗操作、數(shù)據(jù)記錄到課后數(shù)據(jù)分析及處理，涉及到多方面的知識和能力，因此磁懸浮動力學(xué)實驗有助于培養(yǎng)大學(xué)生的實驗技能。通過該實驗，從實驗數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集、分組實驗思想的培養(yǎng)、實驗結(jié)果的正誤判斷、錯誤實驗結(jié)果的原因排查、誤差的減小和數(shù)據(jù)的處理等方面來討論大學(xué)生實驗技能的培養(yǎng)。

1 如何培養(yǎng)大學(xué)生的實驗技能

大學(xué)生實驗技能的培養(yǎng)和提高是大學(xué)物理實驗教學(xué)的一個重要目標(biāo)。針對這一目標(biāo)，磁懸浮導(dǎo)軌動力學(xué)實驗不失為一個好的實驗項目[5-6]。分析認(rèn)為，在該實驗教學(xué)中，可以從以下幾個方面對學(xué)生進(jìn)行系列的實驗技能訓(xùn)練：

(1)培養(yǎng)學(xué)生如何采集實驗數(shù)據(jù)點(diǎn)

如果所研究的兩個物理量之間的關(guān)系是非線性的，又該如何采集數(shù)據(jù)點(diǎn)呢？以pn結(jié)正向特性的研究實驗為例，所研究的電壓和電流兩個量是非線性關(guān)系，那么在實驗中就不能簡單地讓電壓等間隔的變化，而是應(yīng)該先在實驗中找到電流突然增加的臨界點(diǎn)，然后在接近拐點(diǎn)時應(yīng)該相對密集地采集數(shù)據(jù)點(diǎn)。不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)采集方法在不同的實驗教學(xué)中應(yīng)該有所側(cè)重。

(2)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生一種實驗思想

圖1 小車不受拉力時在傾斜的磁懸浮導(dǎo)軌上運(yùn)動示意圖

上面提到的這一實驗思想不僅在簡單驗證性實驗中(學(xué)生知道v2-s在理論上是線性關(guān)系)顯示其重要性，而且也滲透到探索性科研實驗中。筆者研究過納米半導(dǎo)體催化劑Cu2O的形貌調(diào)控，雖然實驗難度和實驗參量數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過v2-s的研究實驗，但同樣用到這一實驗思想。筆者使用氮氮二甲基甲酰胺(DMF)作為溶劑合成了不同形貌的Cu2O納米晶，如圖2所示，Cu2O納米晶的形貌變化雖然很大，但合成樣品時也只是改變了其中的一個參量，即醋酸根離子的濃度，其它參量和實驗條件都未變化。因此，這一思想的培養(yǎng)有重要意義，對學(xué)生的影響深遠(yuǎn)。

圖2 不同形貌Cu2O納米晶的SEM圖像，(a)-(c)分別對應(yīng)在30，60和90 mL DMF中合成的樣品[4] 。

(3)培養(yǎng)學(xué)生如何判斷實驗結(jié)果的正誤

筆者在大學(xué)物理實驗教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，少數(shù)學(xué)生會積極主動判斷實驗結(jié)果的正誤，大多數(shù)同學(xué)則是做完實驗請老師判斷正誤。因此，在課堂教學(xué)中，教師要想辦法引導(dǎo)學(xué)生主動分析自己實驗結(jié)果的對錯。比如，講課時加一個問題：“同學(xué)們，隨著位移的增加，速度將怎樣變化？”，學(xué)生都會從理論上做出推斷，速度應(yīng)該增加，做實驗時，他們就會自己判斷實驗結(jié)果，并且多數(shù)同學(xué)得到不合理結(jié)果時，會主動請老師幫忙分析。

此外，授課時還要引導(dǎo)同學(xué)如何快速判斷自己的實驗結(jié)果對不對。比如，學(xué)生測量重力加速度時，要求學(xué)生測量5次取平均值。有兩種方法來做此實驗，其一，在5次測量中，改變釋放小車的位置，改變兩個光電門的距離(如圖3所示)，并且每次傾角的改變量不同(或大或小)。其二，在5次測量中，釋放小車的位置相同，兩個光電門的距離保持不變，并且每次傾角的改變量相同。顯然，兩種方法都能測量計算得到g值。但第二種方法能夠更快地檢查實驗結(jié)果的對錯，因為隨著傾角的增加，速度越來越大，而且近似線性增加。第一種方法因為實驗條件變化很多，不能一眼看出實驗結(jié)果對錯，只能計算出結(jié)果才能判斷出對錯，而且有可能因傾角改變量太小導(dǎo)致速度變化不明顯。在F-a關(guān)系的研究中，也同樣存在這樣的問題，作為教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生快速檢查實驗對錯，好及時修正。

這種理念在探索性實驗中也常常需要，上文提到筆者是做納米材料形貌調(diào)控研究的，通常對材料做透射電鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)表征，其實如果在材料制備過程中細(xì)心觀察，抓住關(guān)鍵特征，就可以知道樣品合成是否成功，不一定非等到TEM/SEM檢測了才知道。比如，觀察材料合成過程的顏色變化，有時就能判斷出實驗已經(jīng)失敗，沒有進(jìn)行TEM/ SEM表征的必要了。

圖3 小車受拉力時在傾斜的磁懸浮導(dǎo)軌上運(yùn)動示意圖

(4)培養(yǎng)學(xué)生分析導(dǎo)致錯誤實驗結(jié)果的原因

部分同學(xué)在實驗中會得到與事實截然相反的實驗結(jié)果，教師可以指導(dǎo)學(xué)生查找錯誤的原因。例如，小車的阻力加速度的測量是在水平導(dǎo)軌上進(jìn)行的，如圖4所示，在這項內(nèi)容中，向?qū)к壨鈧?cè)拉動手柄壓縮彈簧A，將小車彈出去，小車獲得一初速度之后即做減速運(yùn)動。但筆者時而會發(fā)現(xiàn)學(xué)生得到加速運(yùn)動結(jié)果，什么原因呢？觀看學(xué)生的操作就能發(fā)現(xiàn)真相，原來學(xué)生通過壓縮小車上的彈簧B將小車彈出去，此后系統(tǒng)的彈性勢能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾≤嚨膭幽?，所以小車做了加速運(yùn)動。雖然理論課上，學(xué)生也用過這個模型分析過彈性勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿倪^程，但在實驗中有時想不起來用此理論來分析，所以實驗教師可以有意識的加以引導(dǎo)。再比如，在驗證牛頓第二定律時，隨著砝碼的增加(即外力的增大)，小車做加速運(yùn)動，速度越來越大。有時，學(xué)生會一臉困惑地來問砝碼增加了，小車怎么做減速運(yùn)動呢？讓其做一遍給筆者看看，原來小車沒經(jīng)過光電門2之前，砝碼已經(jīng)落地了，砝碼落地意味著外力的撤除，此時因為軌道的阻力，小車的速度開始減小。通過這些生動的事例，可以教會學(xué)生如何理論聯(lián)系實際和提高敏銳的觀察能力，學(xué)會排查錯誤。

圖4 小車在水平磁懸浮導(dǎo)軌上運(yùn)動示意圖

(5)培養(yǎng)學(xué)生如何減小實驗誤差

盡可能地減小實驗誤差是每次實驗的一個重要目標(biāo)。因此，教師一方面可以在學(xué)生實驗過程中指導(dǎo)學(xué)生如何操作才能減小誤差，另方面在講解數(shù)據(jù)處理時告訴同學(xué)如何處理可以減小誤差。其一，測量小車的阻力加速度時讓兩光電門的距離稍稍大一些，記下兩光電門之間的距離，并且在重力加速度的測量和牛頓第二定律的驗證實驗中保持該距離不變，這樣利于系統(tǒng)誤差的消除。其二，在v2-s關(guān)系研究和測重力加速度測量這兩個實驗項目中讓位移和傾角相對變化大一點(diǎn)，可以減小實驗誤差。其三，驗證牛頓第二定律時，系在小車和砝碼之間的繩子各段不能打結(jié)，因為結(jié)點(diǎn)通過定滑輪時會增加阻力引起誤差。至于如何通過數(shù)據(jù)處理減小實驗誤差將在下文進(jìn)行詳細(xì)的分析探討。

(6)培養(yǎng)學(xué)生如何處理實驗數(shù)據(jù)

最后，訓(xùn)練學(xué)生用作圖法處理實驗數(shù)據(jù)。例如，v2-s關(guān)系圖以及F-a關(guān)系圖可以讓學(xué)生用坐標(biāo)紙或origin軟件作圖。用坐標(biāo)紙作圖求直線斜率時，給學(xué)生強(qiáng)調(diào)選取直線上相距較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)且不是實驗數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行計算。origin軟件常用于科研實驗中的數(shù)據(jù)處理，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，可以建議學(xué)生嘗試應(yīng)用，比如，讓學(xué)生使用軟件進(jìn)行線性擬合給出直線的斜率。

2 結(jié) 論

綜上所述，以磁懸浮動力學(xué)實驗為例，探討了如何培養(yǎng)大學(xué)生的實驗技能。其方法可以歸納為以下幾點(diǎn)：一、培養(yǎng)學(xué)生如何采集實驗數(shù)據(jù)點(diǎn)；二、重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生一種實驗思想；三、培養(yǎng)學(xué)生如何判斷實驗結(jié)果的正誤；四、培養(yǎng)學(xué)生分析造成錯誤實驗結(jié)果的原因；五、培養(yǎng)學(xué)生如何減小實驗誤差；六、培養(yǎng)學(xué)生如何處理實驗數(shù)據(jù)。所以，綜合性實驗?zāi)軌蚨喾矫娴嘏囵B(yǎng)大學(xué)生的實驗技能，期待開發(fā)更多受學(xué)生歡迎的綜合性實驗用于課堂教學(xué)。

[1] 徐曉美，朱思洪.磁懸浮技術(shù)及其工程應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2005,11(6):192-194.

[2] 海波.磁懸浮直線運(yùn)動系統(tǒng)的設(shè)計與控制研究.[博士學(xué)位論文].長沙：中南大學(xué)，2010:237-284.

[3] 毛保華，黃榮，賈順平.磁懸浮技術(shù)在中國的應(yīng)用前景分析[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2008,8(1):30-39.

[4] Zhang L,Yu B,Ying P Z*,Wu L,Chen S L,Wang J R,Gu X Q,Zhou R,Ni Z H*.Studies on Formation Mechanism of 3D Cu2O Nanospheres through Self-assembly of 0D Nanodots [J].Superlattice Microst,2015,(84): 181-191.

[5] 汪六九.基本技能訓(xùn)練在大學(xué)物理實驗中的重要性探析[J].大學(xué)物理實驗，2016(1)：20-27.

[6] 張鳳琴.構(gòu)建大學(xué)物理實驗低年級創(chuàng)新實驗物理平臺探究[J].大學(xué)物理實驗，2015(6)：21-27.

Simply Talking about the Cultivation of Experimental Skill for University Students through Dynamic Experiments on Magnetic Levitation Guideway

ZHANG Lun,YU Jian-yong,LI Yan,GUO San-dong,QU Li-cheng

(China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116)

Dynamic experiments on magnetic levitation guideway have attracted increasing interests of university students due to its advanced technology.In this paper,it is discussed how to train experimental skills for university students through this experiment.Although the principle of the experiment is simple,it is good to cultivate experimental skills for the students.It is studied that the experimental technique of students can be trained by collecting experiment datum,cultivating experiment thought,judging the results correct or not,investigating reasons for wrong results,reducing experiment errors and processing experiment datum.

magnetic levitation guideway；dynamic experiments；experimental skill

2016-07-14

國家自然科學(xué)基金(11404391)

1007-2934(2016)06-0117-04

G642.0

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.032