绪 论
物理实验教学不仅有助于学生真正理解和掌握物理学理论,而且是提高学生分析问题和解决问题能力的不可缺少的教学环节。
1.物理实验的重要作用
物理实验是科学实验的重要组成部分之一。 物理实验在科技发展中有着独特的作用,历史上每次重大的技术革命都源于物理学的发展。 例如,热力学、分子物理学的发展,使人类进入热机、蒸汽机时代;电磁学的发展使人类跨入电气化时代;原子物理学、量子力学的发展,促进了半导体、原子核、激光、电子计算技术的迅猛发展。 然而物理学本质上是一门实验科学,三四百年前,伽利略和牛顿等学者,以科学实验方法研究自然规律,逐渐形成了一门物理科学,从此一切物理概念的确立、物理规律的发现、物理理论的建立都有赖于实验,并受实验的检验。
物理学史上,如果没有法拉第等科学家进行电磁学的实验研究,发现了电磁感应定律等一系列实验规律,麦克斯韦就不可能建立麦克斯韦方程组。 在确定了经典电磁学理论后,麦克斯韦预言了电磁波的存在,经过赫兹的实验研究,证实了电磁波的存在,从而使经典电磁学理论更为人们所信服。 被称为“牛顿以来最伟大的发现之一”的能量量子化概念,就是在人们面对黑体辐射实验,遇到运用经典理论无法克服的困难时,普朗克紧紧抓住了1900 年夏天德国物理学家康尔鲍姆和鲁本斯对热辐射光谱所作的新的精确测量结果,大胆地提出了能量子的假设,运用合理的数学方法,从理论上导出了符合实验结果的黑体辐射公式,为量子力学的发展开辟了道路。
物理实验在物理学自身发展中有着重要的作用,同时在推动其他科学、工程技术的发展中也起着重要的作用。 特别是近代各学科相互渗透,发展了许多交叉学科,物理实验的构思、物理实验的方法和技术与化学、材料学、生物学、信息学、天文学等学科相互结合已经取得了丰硕的成果,而且必将发挥更大的作用。
作为培养高级工程技术人才的高等工业学校,不仅要使学生具备比较深入而广博的理论知识,而且要使学生具有较强的从事科学实验的能力。 “物理实验”是对高等工业学校学生进行科学实验基本训练的一门独立的必修基础课程,是学生在高等学校受到系统实验技能训练的开端,它在培养学生运用实验手段去发现、观察、分析、研究和解决问题的能力方面,在提高学生科学实验素质方面,都起着重要的作用。 同时,它也将为学生今后的学习、工作奠定良好的实验基础。
2.物理实验课程的基本程序
(1)实验预习
实验预习是积极高效完成实验全过程的前提和基础。 预习时,应认真阅读实验教程和相关资料,明确实验目的,掌握实验原理和方法,熟悉仪器各部分的作用,了解实验步骤,设计好实验数据的记录表格,并于预习后接受实验指导教师的考查。
(2)实验操作
实验操作是完成实验全过程的关键。 要认真聆听实验指导教师的讲解和要求,严格按照实验操作规程进行实验;在教师指导下正确安装并调试仪器;真实记录实验数据,要求字迹清楚,不乱画、不涂改,不抄袭他人的数据,更不许编造数据。
(3)完成实验报告
实验报告是实验的书面总结,是让别人(或同行)评价自己实验结果的依据,所以实验报告要求用科学的语言准确地表达出实验所包含的基本内容。 实验报告可在预习报告的基础上补充完成,亦可重新撰写,但无论如何不能把报告写成教材的缩写。 实验报告要求内容完整、字迹清晰、表达明确、图表规范、分析有理,并符合实验指导教师的具体要求。
实验报告包括以下基本内容:
①实验者姓名、实验日期、实验地点、实验环境条件(如温度、湿度等)。
②实验名称。
③实验目的。
④实验原理:叙述要求简明扼要,包括简明的文字叙述、计算公式及使用条件、实验原理图以及必要的电路图(或光路图)、实验装置框图。
⑤实验仪器:仪器名称、编号、规格型号、主要技术参数等,仪器的使用方法、注意事项等。
⑥实验数据处理和分析:根据原始数据记录,以图、表形式将实验数据规范地呈现在报告正文中;分析观察到的实验现象,处理和分析实验数据(包括测量结果的计算、测量不确定度的估算、图示或图解、回归分析曲线等),正确表示实验的测量结果。
⑦分析讨论:回答课后讨论题,对实验中观察到的异常现象进行解释,对实验结果进行分析和评价,对实验方法和实验装置的改进提出合理化的建议,撰写心得体会等。
对于设计性实验项目,要求学生根据给定的实验课题、要求和实验条件,自行设计或选择合理的实验方案并基本独立完成实验的全过程。 设计性实验的过程可用如图0.1 所示的流程图表示,图中单向箭头表示依次进行的各个环节,双向箭头表示反馈和修正,使其更加完善。
设计性实验结题报告包括以下诸多方面:
①课题研究的目的及意义。
②课题研究的原理。
③记录课题研究的过程、步骤及观察到的现象。
④处理列表数据,对结果进行分析讨论。
⑤介绍本课题所涉及的实验方法、技术和仪器等在科研、工程实践中的用途。
⑥谈谈对本课题研究的体会及收获。
⑦对本课题的研究提出创新的见解和方案。
图0.1 设计性实验流程图
3.物理实验后的注意事项
①实验操作结束后及时断电、断水等,整理、复原实验器材,清扫实验室。 在实验室使用登记册上签名,由组长核查后方可离开实验室。
②实验后及时撰写实验报告,对实验中观测到的现象、实验数据进行整理和分析,并给出误差评价及不确定度的大小;进行必要的问题讨论及思考题解答;对要求作图的实验还要绘出相应的实验曲线;还可以写明自己的心得体会、意见、建议等。 撰写实验报告是实验课的重要内容,不仅是对实验的分析总结,而且是培养学生总结分析能力的途径,可为将来撰写科研论文打下基础,要坚决杜绝抄袭实验报告的现象。
③凡损坏仪器者,应主动说明原因并填写报损单,由指导教师根据学生认识程度和情节轻重等酌情处理,按有关规定进行赔偿。