书城科普读物动手做实验丛书--物理实验中的思维能力培养
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第15章 在物理实验中的能力培养(3)

其次,培养学生正确调整和安装仪器或接好电路的技能。正确地实验,首先是安装、调整好仪器或接好电路。如:力学实验中的支架滑轮的安装,牵引线的走向,斜面的架设等,有时要对一些仪器做机械调整或电气调整,电气调整如:使用气垫导轨前必须先调水平位置;在电学实验中,依照电路图连接线路,连线时,应将电路分为主回路和支路,从电源一端开始沿主回路按顺序进行,其次为支路;主回路中必需有开关(先断开);导线最好选有几种颜色的,主、支回路分别用一种颜色。往接线柱上接导线时,应按顺时针方向将导线缠上。电路连接后,必须复查,确认正确后方能通电。这种技能的培养,从初中开始应先有示范,让学生模仿学习,然后逐步提高到由老师讲述方法及注意事项,由学生独立去安装、调整。

②培养学生正确记录实验数据,并能进行运算和分析,以得出正确结论的能力。

这是实验能否成功的关键。要培养学生这方面的技能,要求学生集中精力,按实验步骤有条不紊地操作和读取测量数据,有的实验则要求测量或操作时动作迅速,要把握时机,如:

温度测量、电学测量。要按实验的先后顺序将需要测定的各量测出,并记录下来。读取数据和记录必须注意:A,读数要即时,马上记录;B,要完整记录数据,按有效数字的方式记录数据;C,数据的单位要正确。记录一般是要求学生列出表格,在实验时填好。表格设计要求:

能记录直接测出的各物理量,能记录各次测出的量,能填写需要计算出来的中间数据和最后数据等内容。

进行数据处理、运算,对实验结论进行分析。在整理数据时,要看看有无不合理的数据,如有应对该数据补测。数据的运算要按有效运算法计算,做好实验后应指导学生对实验结果进行适当分析讨论,如:讨论数据说明什么?与理论计算有何偏差?实验过程为何这样设计?实验结果的物理意义(结论)是什么?对一些成绩优良的学生,还可让他们设计某个达到相同目的实验。实验讨论,是操作能力强的学生的用武之地,许多深一层的问题都可以在这里分析研究,从而加强了对学生思维能力的培养,有效地巩固知识,技能就形成得熟练。

③要使学生了解误差概念,并学会初步的误差计算和分析。在做好实验后,要指导学生分析实验误差的原因,说明实验的误差主要有系统误差和偶然误差。系统误差主要是由于仪器本身的不准,实验原理、装置不完善而引起的,如:螺旋测微器零点不准;风的吹动使天平产生误差;电表指针不对准零刻度等。减少系统误差的方法是校准仪器,或是改进实验方法。

改进实验的方法,可改变仪器的位置或仪器的布置,换去某件仪器,改变所选取的某个参数,改变实验方法乃至改换实验操作人员等。例如将物体放在天平左、右盘上,分别称衡,可以发现天平不等臂,引入的误差。又如精密测量同一单摆在不同角摆时的周期值,可以发现周期与摆角有关。

偶然误差是在实验条件不变的情况下,对某一物理量进行多次重复测量时,还会由于各种偶然因素产生的误差。减少偶然误差的办法是多次重复测量取算术平均值,以其平均值为最终的结果。具体测量次数取多少,要看被测量的偶然误差影响的大小去确定。如:测量值的有效数较少时或测量值变动较大时等,应当多测几次。

综上所述,要培养学生这方面的技能,必须让学生懂得减少误差首先要发现它的存在和来源,其次是确定减少的方法。增加测量次数固然可提高平均值的可靠程度,但是作用是有限的,实际上,只有改进实验方法和仪器,才能从根本上改善测量的结果,提高测量精确度。

④会写一般的实验报告。学生在实验结束后,应根据原始记录和实验时的体会,写出实验报告,实验报告内容主要有:实验名称、目的、器材、原理、方法和步骤、实验数据、数据计算和处理、实验结论及误差分析等。这是一个很重要的技能,对实验报告的写法、格式要严格要求,书写时,要求层次清楚,语言流畅,文字精练、准确,图文并茂,要总结出实验成功的经验或实验失败的原因,使学生将来进行科学实验时能写出自己的实践成果,并让别人看懂。

在批改实验报告时要注意学生思维的火花,如对某个问题的独特看法,对某项操作的有益建议,对实验的改进意见等,要给予鼓励,并要及时与之讨论,让师生都有所收获。这样做,既延伸了实验课的教学,使之与理论课的教学有了更深层次的交汇与渗透,又是提高学生动手技能的有效渠道。

⑤养成良好的实验习惯,包括爱护仪器,遵守安全操作规则和尊重实验事实的习惯等。如:

做电学实验结束时,应将仪器调到最安全的状态再切断电源,然后拆除连线,整理好仪器和导线。这些方面要经常地教育学生,以免损坏仪器及发生实验事故等。

培养学生实验技能的途径

(1)实验课是培养学生实验技能的基本途径

认真上好实验课,既能帮助学生巩固地掌握物理知识,又能培养学生的实验技能,是训练和提高实验技能的基本途径。

实验课包括演示实验和分组实验。演示实验是学生使用仪器,实验操作典范,它教给学生正确的实验方法。如:如何正确使用仪器、安排实验步骤、操作、读数和记录数据、列表和作图线、分析和推理,得出正确结论及分析误差等。通过大量的演示实验,学生可以在长年累月中耳闻目睹,潜移默化地学到实验技能。

在分组实验中,学生的活动是多方面的,既有思维,又有操作,这就需要发挥教师的主导作用。实验时,教师可先介绍实验目的、方法及注意事项,然后教师在台上做,学生在台下跟着教师一个动作一个动作、一步一步地跟,这种方法对于初中起始年级的学生更合适、有效。学生在教师的步步指导下,养成良好的实验方法实验修养。随着实验技能的不断提高,逐步培养学生设计实验,独立实验的能力。

(2)尽可能将演示实验改为分组实验

如阿基米德定律、牛顿第二定律等。

(3)将验证性实验改为探讨性实验

先让学生去研究、探索物理量之间的关系,后总结出物理规律。

(4)开辟第二课堂

第二课堂既可完善、丰富、深化课堂知识,又可培养学生的实验技能。主要形式有:①指导学生进行课外实验;②组织参观活动;③举行操作实验竞赛;④组织课外兴趣小组;⑤举办物理科技晚会等。

(5)实验考查

考查的形式有:①书面实验考试;②实物实验操作的考查。

总之,学生实验技能的培养是通过多方面的长期培养,它除了上述所论及的之外,还包含有其它方面内容,但作为中学学生物理实验技能的培养,上述所论及的是最主要、最基本的。

因此,抓好上述论及的技能培养,则是抓住矛盾的主要方面。它是多方面的主要影响因素。

物理实验教学中的观察与思考

观察实验,是物理学科一个很重要的学习方法。

积极引导学生注意观察实验,是物理教学目的之一,也是十分重要的和必不可少的教学环节。广西柳州八中桃光老师通过一些日常生活经常遇到的物理现象,说明了注意观察实验,并善于思考分析,对提高教学质量是大有帮助的。

例1直径和密度均匀的旗杆静止竖立在操场边,一阵风吹过之后,旗杆作微小振动,若只用秒表,能求出旗杆的大概高度吗?

我们经常参加升旗仪式,钢管做的旗杆高高竖立着,在受到外力作用时会来回摆动,这是大家熟知的事实。可引导学生注意认真观察、研究它。设旗杆的高度为h,那么重心在h2处,分析旗杆振动时的受力,可知使旗杆做往复振动的合力(如图1乙)是旗杆的重力mg和旗杆偏离竖直位置发生形变而产生弹力N的合力。合力F=mgtga。当旗杆振动偏离竖直线夹角a<5°时,由三角函数表查知tga=xh/2,式中x为杆重心相对于竖直平衡位置的位移。考虑到合力F的方向,可写成:

-2mgh=-k(k=2mgh)。

可见,当a很小时,可以认为旗杆的振动是在跟位移大小成正比并总是指向平衡位置的力作用下做简谐振动,即是摆长等于h2的“单摆”振动。由单摆周期公式得:

T=2πh2g,若用秒表测出旗杆振动n次所用t秒时间,那么有:

tn=2πh2g,ht2g2n2π2。

例如:n=10次,t=1分=60秒,得h=602×982×102×3142179(米)。

例2为什么早晚看太阳比中午看太阳要大些(远在公元前五百多年,孔子就因此问题被两个小孩问倒)?

学生都知道,地球的自转和绕太阳公转的方向均是由西向东,如图2所示为俯视图O1、O2分别为地球、太阳的中心,ω1、ω2分别为地球自转和公转的角速度,地球自转和公转的轴线是垂直纸面且分别通过O1、O2两点。

图2中,观察者在地球上一点A,于早上(例如6时正)当太阳初升时刚好完全看见太阳。而当地球自转公转6小时后正对看太阳,即中午12时,也就是在图2中的A1点观察太阳。B、C两点为太阳直径上两个发光点,在这里假设太阳只有B、C两点发光,那么B、C两发光点的光线照射到A点就不是平行光线了。图中O1外的第一个圆表示地球A点所在的切面的大小,第二个圆表示包围地球大气的最高层(这里把大气层理想化,大气密度取平均值),在早上,观察者看到太阳升起时,B、C两点的太阳光线要穿越如图2中A′A1大气层,结果使B、C两点太阳光线产生折射偏向程度较大;在中午,如图2中A1点,正是太阳垂直照射之时,B、C两点光线穿越如图2中A′1A大气层,加上中午气温高,空气密度较小,太阳光垂直地面较短时间穿越A′1A大气层的结果,使B、C两点太阳光几乎不发生折射现象。这样,就产生两个结果:

(1)沿着图2中虚线方向看,在早上(A点)使观察者提前看出日出。

(2)观察者在早上A点看太阳比中午A1点看太阳要大些。如图2中,若人眼睛真能看到大气最高层(A和A′1)的“太阳”,显然A′比A′1要大些。

同理,当地球再自转、公转6小时(18时)到A2处,情况与A处相同。

因此,由于光线在大气中折射之故,是早晚看太阳比中午看太阳大些的主要原因,当然,还有一些诸如背景、错觉等原因。

例3把一个完好的鸡蛋放在手掌心,用尽力气,鸡蛋为什么不会被捏破裂?

把一个完好的鸡蛋放在手心,用最大力气捏它也不会破裂。给学生这么一说,学生兴趣盎然,回家马上作试验。结果,谁也没有把鸡蛋捏坏。为什么呢?可引导学生运用所学过的知识分析一下。

设鸡蛋质量为m,把鸡蛋从离开水平桌面高h处释放,让鸡蛋自由落下,至桌面速度为v,设此时鸡蛋与桌面作“弹性碰撞”,如果鸡蛋与桌面碰撞时间为△t,由动量定理得:

(F-mg)·△t=△p=mv′-(-mv)≈2mv。

式中v′为鸡蛋碰撞部位反弹速度(亦假设等于鸡蛋质心反弹速度),可认为v′=-v。设鸡蛋下落受到的空气阻力不计,那么v=2gh,故,F2m2gh△t+mg。

一般鸡蛋质量m=60克=006千克。取g为98米/秒2,由实验知h=2厘米时鸡蛋就破裂,△t取005秒,那么由(1)式得:

F2×006×2×98×002005+006×98=209(牛顿)。

值得注意的是,F=209牛顿的作用力是集中在鸡蛋碰撞桌面的△S面积上,由实验知△S=2毫米×2毫米=004(厘米2)。这样,作用在△S面积上的压强p=F△S=209004=5225(牛顿/厘米2)。

一般鸡蛋为椭圆形,这与通常看到的拱桥(椭圆一部分)一样,当受到外部压力F作用时,受力部位即发生十分微小的压缩形变而产生反抗弹力F′。当F′不足以对抗外力F时,鸡蛋才破裂,由实验可知,Fmin=37803(牛顿)。

通常把鸡蛋放在手掌心上,即使大力士也很难产生这样大的作用力。要知道放上鸡蛋后,从开始用力到用最大力气需历时约1-2秒钟时间,属于缓冲作用力,这就使鸡蛋逐渐压缩而产生反抗弹力作用,鸡蛋是不会被捏破的。

物理实验教学中的观察能力培养

研究物理的方法是多种多样的,但最根本的一条是进行观察和实验。物理中规律性知识是从物理现象中抽象概括出来的,因此重视观察(观察演示实验、挂图,和自己动手做实验)对学习物理有特别重要的意义。

观察是为了认识某一物理现象,并对此物理现象做出判断而进行的一种有目的、有计划的视觉活动。但学生在观察时常抓不住要领,理不顺关系,为此,浙江天台县屯桥中学王继江老师总结提出在指导学生对实验观察时,尽量做到:

要选择正确的观察点

一种物理现象的出现是连贯的,不间断的,但在演示同一物理现象的变化过程中,却是有层次的。在教学过程中,按照物理现象的出现的顺序,抓住各个层次的起点和相邻层次之间的转换点,提出问题,这就需要确定观察点。例如:在讲授牛顿第一定律时,演示斜面实验,其观察点有三个,如图1所示,(1)小车为什么要从同一高度的光滑斜面上释放?

(2)三个水平面的粗糙程度是否相同?

(3)小车在水平表面上前进的距离是否相等?

通过三点观察,使学生对小车在水平面上前进的物理现象有了较全面较深入的认识。

观察是带有主观性的思维推理

由于各人的主观和客观的情况不同,对于同一物理现象的观察,不同的人往往会得出不同的因果关系。因此我们要确定观察的重点。在一个物理现象中,有多个观察点。如何确定观察重点呢?观察重点应是反映在物理现象中的对整体起支配作用的部分。分观察点,是为了化整为零,加深对物理现象中各个环节的认识,在认清各个环节后,然后加以综合,得到对整个过程的综合认识,但如果不抓住物理变化过程中主要矛盾,学生往往被表面的直观形象左右了他的思维推理,在认识上出现了偏差。在上例中,观察的重点是:小车受到的阻力与小车运动变化的关系。如果让学生回答实验结论,有些学生就认为:小车前进距离不等,说明摩擦力与接触的光滑程度有关,这是偏离了观察重点所致。正确的结论是:小车受到阻力越小,它就走得越远,它的运动就越接近匀速运动。

静态观察和动态观察相结合

在教学过程中,通过各种手段,重视物理现象,其目的是找到物理变化的内在规律,这就需要解剖麻雀,把物理变化中某一时刻或某一位置的状态加以观察,认清它的特点,使学生对于物理现象的认识既有整体变化的过程,又有整体变化过程中每一阶段的具体状态,以利较确切地把握整个物理过程,理解物理概念,掌握内在规律。例如在电功率的教学中,额定电压、额定功率、实际电压、实际功率,学生难以辨析,容易混淆,为了解决这个问题,我们做一个演示实验,让学生观察,加深对两者的理解。