時(shí)間:2019年08月05日 分類:教育論文 次數(shù):
摘要:大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程,是高等理工科院校對(duì)學(xué)生開設(shè)的必修基礎(chǔ)課程之一,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的基本科學(xué)實(shí)驗(yàn)技能、提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)起著重要的支撐作用。本文通過實(shí)際的案例,闡述了如何將傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容進(jìn)行深入探索,或?qū)⒉煌膶?shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,使學(xué)生能夠在本科階段接受到創(chuàng)新能力培養(yǎng)的訓(xùn)練。通過這些實(shí)際的案例可以發(fā)現(xiàn),通過將傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行深入探索和創(chuàng)新,學(xué)生能夠取得一定的創(chuàng)新性成果,進(jìn)而提升其創(chuàng)新實(shí)踐能力。
關(guān)鍵詞:分光計(jì)實(shí)驗(yàn);楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn);邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn);探索創(chuàng)新
1提出問題
大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是國內(nèi)大多數(shù)高校,特別是理工科類高校對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課程之一[1],主要授課對(duì)象為剛進(jìn)入高校的1~2年級(jí)學(xué)生,是本科生接收系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端。通過對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí),一方面可以培養(yǎng)高校學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力;更重要的是,學(xué)生通過學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)思想、方法及手段等,能夠進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本素養(yǎng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度[2],為其在后續(xù)的研究生學(xué)習(xí)階段打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
同時(shí),通過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí),能夠進(jìn)一步提高學(xué)生在日常工作和生活中分析問題和解決問題的能力。因此,如何充分地發(fā)揮大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目在高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的重要作用,是值得每一個(gè)高校教師深入思考的問題。目前,分光計(jì)實(shí)驗(yàn)(包括三棱鏡相關(guān)參數(shù)測量及光柵常數(shù)測量等)、金屬絲楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)、邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)等幾個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是國內(nèi)大多數(shù)高校均開設(shè)的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[3-5]。
其中,分光計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供了一個(gè)可精確測量角度以及通過精確測量角度進(jìn)而測量其他物理量(如折射率、光柵常數(shù)等)的方法。金屬絲楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供了一種測量微小伸長量(微米量級(jí))的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。特別是,邁克耳孫干涉儀作為一個(gè)獲得過諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,其解決“以太漂移”問題的實(shí)驗(yàn)思想,對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。
因此,可以看出,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中涉及的這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,每一個(gè)都包含了豐富的物理實(shí)驗(yàn)思想、方法或手段。如果高校教師能夠通過深入講授這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中所包含的具體內(nèi)容,然后將這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,或者說將其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的思想或者技術(shù)手段應(yīng)用于另一個(gè)物理量的測量中,必定能夠?qū)Ρ究粕鷦?chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)提供有利的支持。
基于此,本文將從以上所提到的3個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容為例出發(fā),通過對(duì)某一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行深入挖掘和探索,或者對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,提出了一些創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),這些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容都可以取得如研究論文發(fā)表、發(fā)明專利授權(quán)等成果。因此,對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的探索和創(chuàng)新可為高校創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。
2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的探索和創(chuàng)新
首先,我們以“探索分光計(jì)調(diào)整和使用實(shí)驗(yàn)”為例進(jìn)行闡述。通常而言,傳統(tǒng)的關(guān)于分光計(jì)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容,常為分光計(jì)的調(diào)節(jié)方法、三棱鏡頂角的測量(分光束法、自準(zhǔn)直法)以及折射率的測量(最小偏向角法[6]、掠入射法[7]、垂直底邊入射法[8])等。
然而,值得學(xué)生去探索的問題至少有3個(gè):第一,在三棱鏡折射率的測量中,上述究竟哪種測量方法,可以得到更為精確測量結(jié)果?第二,在某一特定測量方法下,選取什么樣的實(shí)驗(yàn)參數(shù),可以得到較為精確的測量結(jié)果?第三,在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測量過程中,哪一個(gè)物理量的測量誤差,將對(duì)折射率的測量精度影響較大,以及其影響程度有多大?
如果學(xué)生能針對(duì)以上的3個(gè)問題進(jìn)行詳細(xì)的研究,并給出合理的理論解釋,這才能充分表明開設(shè)“分光計(jì)調(diào)整和使用實(shí)驗(yàn)”的必要性。為此,我們將以上提到的3個(gè)問題,作為一個(gè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的第二課堂作業(yè),讓學(xué)生去思考并完成。最終,學(xué)生通過緒論課中學(xué)習(xí)到的不確定度分析和計(jì)算相關(guān)知識(shí),對(duì)上述問題進(jìn)行了詳細(xì)研究,并得出了一定的理論結(jié)果[9],該結(jié)果已發(fā)表于《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊。
當(dāng)選擇三棱鏡頂角A<25°時(shí),掠入射法測折射率可獲得最小的相對(duì)不確定度值,同時(shí),隨著選取的三棱鏡的頂角值的增大,可明顯地降低折射率的相對(duì)不確定度值。可以看出,不論采用何種測量折射率的方法,頂角的測量誤差,都將明顯地影響折射率測量的相對(duì)不確定度值。
特別地,對(duì)掠入射法而言,當(dāng)僅考慮頂角的測量誤差約為5'時(shí),將會(huì)導(dǎo)致折射率的相對(duì)不確定約為0.12%左右的結(jié)論。由這一案例可以表明,如果能對(duì)傳統(tǒng)的分光計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行一個(gè)深入的探索,一方面可以發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,另一方面,也可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,并取得如研究論文發(fā)表的創(chuàng)新成果。
其次,我們以“金屬絲楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)”和“邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)”這兩個(gè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相結(jié)合為例,闡述如何通過將某一實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段,用于另一實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn),以及如何利用某一實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理,設(shè)計(jì)出具有創(chuàng)造性的發(fā)明裝置,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。關(guān)于金屬絲楊氏彈性模量測量的實(shí)驗(yàn),盡管有多種不同的實(shí)驗(yàn)原理來實(shí)現(xiàn)測量,但目前國內(nèi)大多數(shù)高校仍然采用靜態(tài)拉伸法的原理來開展實(shí)驗(yàn)[3-5]。
該方法中最重要的一個(gè)測量內(nèi)容就是金屬絲受一定拉力時(shí)的伸長量測量。通常情況下,實(shí)驗(yàn)中該伸長量在幾十微米量級(jí),因此是一個(gè)微小伸長量,通常采用光杠桿的原理來進(jìn)行測量。在利用光杠桿原理來進(jìn)行這一微小伸長量的測量時(shí),為了提高光杠桿的放大率,一般通過增大平面鏡到標(biāo)尺的距離來實(shí)現(xiàn),但這樣造成的不利結(jié)果是,學(xué)生需要在望遠(yuǎn)鏡和鋼絲之間來回操作和測量,增加了實(shí)驗(yàn)的不方便性。
另一方面,為了能增加鋼絲受力時(shí)的伸長量,也可以通過增加鋼絲的原長來解決。但這樣造成的后果是,鋼絲原長增加將會(huì)使其自然彎曲的可能性變大,最終導(dǎo)致楊氏彈性模量值測量誤差的增大。是否有好的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段來克服這一問題,需要同學(xué)們做出創(chuàng)新。事實(shí)上,“邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)”,也是國內(nèi)大多數(shù)高校開設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一[3,5]。
此實(shí)驗(yàn)的開設(shè),從理論角度而言,可以讓學(xué)生理解分振幅原理產(chǎn)生相干光束的方法以及掌握相關(guān)的干涉的原理。從實(shí)驗(yàn)角度而言,當(dāng)微小改變動(dòng)鏡和定鏡之間的距離時(shí),即可在觀察屏上觀察到干涉同心圓環(huán)產(chǎn)生或者湮滅的現(xiàn)象。
利用這一現(xiàn)象,就可以實(shí)現(xiàn)入射光波長的測量。能否利用邁克耳孫干涉儀的原理,來實(shí)現(xiàn)測量金屬絲楊氏彈性模量實(shí)驗(yàn)中的微小伸長量?或者說能否將邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)的技術(shù)原理,應(yīng)用到金屬絲楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)而克服上述提到的,傳統(tǒng)金屬絲楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)中的不利因素?這是一個(gè)值得學(xué)生去創(chuàng)新的問題。基于此,我們同樣將此問題作為一個(gè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的第二課堂項(xiàng)目,讓學(xué)生進(jìn)行思考。
最終,學(xué)生們通過將這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合創(chuàng)新,設(shè)計(jì)出一個(gè)基于邁克耳孫干涉原理的金屬絲楊氏彈性模量測量方案,并進(jìn)行了實(shí)際的實(shí)驗(yàn),對(duì)提出的方案進(jìn)行了檢驗(yàn)。該創(chuàng)新結(jié)果發(fā)表于《物理實(shí)驗(yàn)》期刊[10]。
采用未擴(kuò)束的He-Ne激光作為光源,通過將被測量金屬絲的一端固定于邁克耳孫干涉儀的動(dòng)鏡處,另一端連接一拉力計(jì)對(duì)金屬絲的受力進(jìn)行測量,最終可以得出所示的邁克耳孫干涉峰出現(xiàn)個(gè)數(shù)隨金屬絲受力大小的變化關(guān)系曲線。從圖中可以看出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的“+”號(hào)所示)呈現(xiàn)出完美的線性關(guān)系,進(jìn)一步證明了該設(shè)計(jì)方案的有效性。值得注意的是,在此方案中,由于所采用的金屬絲長度較短(約13cm左右),因此一方面可有效降低傳統(tǒng)楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)中,由于金屬絲原長較長所導(dǎo)致的自然彎曲不利情況的發(fā)生。
另一方面,只需要施加較小的力即可完成楊氏彈性模量的測量。事實(shí)上,施加較小的力有兩個(gè)潛在的優(yōu)點(diǎn):一是可以保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中金屬絲處在彈性限度范圍內(nèi);二是可有效降低由于動(dòng)鏡受力而導(dǎo)致的邁克耳孫干涉結(jié)果影響。由于邁克耳孫干涉原理可以實(shí)現(xiàn)波長量級(jí)(可見光波長為幾百納米)的微小伸長量測量,進(jìn)一步,由于邁克耳孫干涉儀的結(jié)構(gòu)較為緊湊,因此,該設(shè)計(jì)方案可有效地克服基于光杠桿原理測量金屬絲楊氏彈性模量實(shí)驗(yàn)中的不利因素。
同時(shí),我們也鼓勵(lì)學(xué)生利用所學(xué)到的實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù),做出不局限于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的創(chuàng)新。例如,考慮到邁克耳孫干涉儀可測量微小伸長量的原理,學(xué)生還設(shè)計(jì)出了一種地震等級(jí)及地震位置的測量裝置,其主要工作原理就是邁克耳孫干涉光路,表示了將3個(gè)邁克耳孫干涉光路分別安裝在某地的xyz3個(gè)方向上,用于測量空間3個(gè)垂直方向上的地震波引起的邁克耳孫干涉條紋,進(jìn)而判斷出地震等級(jí)。通過測量地震波到達(dá)此3個(gè)位置的時(shí)間,就可以確定出地震的位置。目前,該裝置已經(jīng)獲得了發(fā)明專利授權(quán)[11]。
3總結(jié)
本文以國內(nèi)大多數(shù)高校開設(shè)的3個(gè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(分光計(jì)實(shí)驗(yàn)、楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)、邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn))為例,闡述了如何通過將傳統(tǒng)的分光計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容進(jìn)行探索,進(jìn)而使學(xué)生能夠?qū)υ搶?shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)。同時(shí),本文也闡述了如何將傳統(tǒng)的邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)原理和方法應(yīng)用于傳統(tǒng)的金屬絲楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)而對(duì)原實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)。
最后,本文也簡單闡述了如何將邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù),應(yīng)用于地震等級(jí)及位置的測量裝置設(shè)計(jì)中。通過這些實(shí)際案例的闡述可以發(fā)現(xiàn),如果能對(duì)傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行深入探索或有機(jī)結(jié)合,能夠取得如研究論文發(fā)表、發(fā)明專利授權(quán)等創(chuàng)新性成果,進(jìn)而為本科生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。
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物理方向論文范文:大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革對(duì)策
這篇物理教育論文發(fā)表了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革對(duì)策,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一門公共基礎(chǔ)課,物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有非常重要的意義,論文探討了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足和對(duì)策,結(jié)合當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題,給出了幾點(diǎn)改進(jìn)的建議。