談大學物理設計性實驗的實現

●張志芹

(武警學院基礎部，河北廊坊 065000)

針對基礎課實驗教學內容和教學方法，加強對設計性實驗的研究和開發，對提高實驗教學質量，培養學生實驗能力和創新能力有很大的作用。設計性實驗是以基本知識、基本方法、基本技能的靈活運用和提高學生學習主動性，激發創新精神為目的的—種教學實驗。這類實驗課程具有以前實驗的延續性、綜合性、典型性、探索性和部分設計性任務。設計性實驗的教學目的是提高學生實驗素質和科學研究能力，進行創造性能力的培養。設計性實驗的特點是教師提出實驗課題和研究項目，實驗室提供條件。學生自行推證有關理論，自行確定實驗方法，自行選擇和組合配套儀器設備，自行擬訂實驗程序和注意事項等。做出具有一定精度的定量的測試結果。設計性實驗的要求是在完成設計性實驗的整個過程中，充分反映自己的實際水平與能力，力求有創新。設計性實驗的核心是設計、選擇實驗方案，并在實驗中檢驗方案的正確性與合理性，設計時一般包括:根據研究的要求、實驗精度的要求以及現有的主要儀器，確定應用原理，選擇實驗方法與測量方法，選擇測量條件與配套儀器以及測量數據的合理處理等。在進行設計實驗時，應考慮各種誤差出現的可能性，分析其產生的原因，以及從眾多的測量數據中檢驗系統誤差的存在，估計其大小并消除或減小系統誤差的影響。設計性實驗的一般程序是:確定實驗方法→選擇測量方法→選擇實驗儀器→確定測量條件與最佳參數→擬定實施方案→實驗操作→處理數據→撰寫實驗報告。

1 最優化原則確定實驗方法

根據所研究的題目，查閱有關資料收集各種可能的實驗方法，一般的，同一個研究題目有多種實驗方法，例如重力加速度的測量方法有單擺法、復擺法、自由落體法和氣墊導軌法。各種方法均有優缺點，這要根據研究的要求和實驗精度要求進行綜合分析與比對。根據一定的實驗原理，確定被測量與可測量之間的關系，推證出有關測量公式，通過分析與對比，比較各種方法可能引起的系統誤差以及將采用的消除方法，同時考慮測量的精確度，選擇出一種實驗上可行、實驗條件允許、能夠保證測量精度的最佳方案。

2 誤差最小原則選擇測量方法

實驗方法選定后，為使各測量量的結果不確定度最小，需要進行不確定度來源及不確定度傳遞的分析，并依據提供的儀器，確定合適的測量方法。例如用單擺法測量重力加速度(如圖1所示)，在測量擺長時，有三種方法，即:，其中和用毫米刻度的米尺進行單次測量，D用0.1mm的游標卡尺進行多次測量，測量結果的B類不確定度為由不確定度計算可得三種方法的不確定度分別為:(1)為0.042cm;(2)和(3)一樣0.061cm。可見，采用方法(1)的不確定度最小，因此應用(1)測量和計算擺長。

圖1

3 誤差均分原則選擇測量儀器

在選擇測量儀器時，應考慮儀器的分辨率、精確度、實用性、經濟性。由有效數字運算法則可知，所選測量儀器的測量精度(有效數字位數)應大致相同。比如，測量擺長時，用米尺就能達到測量精度要求，就不要用游標卡尺;測量時間用秒表能夠滿足精度，就不要使用數字毫秒表。

為了合理使用儀器，達到相應的測量精度，在選擇儀器時應根據實際情況，兼顧儀器的等級和量程，使儀器的量程略大于測量值即可。例如，待測電流為60mA，現有0.5級量程為300mA和1.0級量程為75mA的兩塊電流表，用0.5級的表測量時，其儀器示值誤差限為:，誤差限值的相對值為;用1.0 級的表測量時，其儀器示值誤差限為。比較其結果可見，由于待測量的量值與儀器的量程不匹配，用0.5級的表測得的結果反而不如1.0級的表好。

4 最有利原則確定測量條件與參數

確定測量的最有利原則，就是確定在什么條件下進行測量引起的誤差最小，根據高等數學知道，這個條件可以由各自變量對誤差函數求導等于0得到。如用單擺測重力加速度時，選用的實驗裝置必須滿足:球要小，使小球可看成質點;線要輕，可忽略擺線質量;擺角要小，以滿足公式的要求。

5 最詳細原則擬定實施方案

按所選的物理模型及實驗方法，畫出實驗原理圖。擬定詳細的實驗步驟:包括儀器的安裝、調整、實驗操作的先后次序，數據記錄的方法等。列數據表格:數據表格是實驗者在做實驗時將所測試的數據記錄在案的—項重要依據。列出所用器具詳細清單，包括儀器名稱、規格、使用條件等，以備組配實驗裝置時查對。同時記錄好環境條件如日期、天氣、氣溫、氣壓、溫度等。

6 數據處理及撰寫報告

數據處理及撰寫報告一般應包括5個部分:(1)引言:簡明扼要的說明實驗的目的要求、內容及對實驗結果的評價。(2)實驗方法描述:介紹實驗基本原理，簡明扼要地進行公式推導，簡述基本方法、實驗裝置、測試條件等的選擇。(3)數據及處理:列出數據表格，進行計算及不確定度處理，給出最后結果。(4)實驗總結:評價實驗結果;分析實驗過程中觀察到的異常現象及其可能的解釋;分析誤差來源及消除措施;詳細介紹實驗中遇到的故障及解決的辦法;也可以對實驗方案及其改進意見進行討論;還可以談實驗的心得體會等等。(5)參考資料。

由于物理實驗的內容十分廣泛，實驗的方法和手段非常豐富，同時還由于誤差的影響是錯綜復雜的，是各種因素相互影響的綜合結果，因此要很概括地分析或總結出一套實驗方案的選擇和系統誤差分析的普遍適用的方法是不現實的。筆者在這里根據多年的學習和教學經驗，就如何做好設計性實驗談一些想法。