論物理實驗中的研究性教學

基金項目：廣西教育廳科技項目（NO.201012MS078）資助

作者簡介：周萍（1977——），女，江西貴溪人，廣西民族大學物理與電子工程學院副教授， 博士，研究方向:物理教學與理論物理

（廣西民族大學物理與電子工程學院 廣西南寧 530006）

摘 要：通過在大學物理實驗教學中采用科研模擬研究性教學，由學生提出了一種新的測量剛體轉動慣量的方法，對原有測量方法進行了改進，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：研究性教學 轉動慣量 教學方法

中圖分類號: G420 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2011)10(b)-0000-00

1 引言

物理是一門以實驗為基礎的科學，其中普通物理實驗是理工科學生進行實驗教育的基礎課程，因此普通物理實驗教學引起了國內外研究者的廣泛關注[1]。隨著物理學科的不斷發展，物理學實驗技術的進步，對普通物理實驗教學的要求也不斷提高。近年來，對普通物理實驗教學改革的研究引起了研究者越來越多的關注，取得了巨大的進展，一方面對普通物理教學目標的進一步探討，提出了大學物理實驗教學的新體系[2]，另一方面對大學物理教學方法也進行了深入的討論[3]

以學生為教學主體，在教學過程中開展研究性學習對提高學生的科研能力以及普通物理實驗教學培養目標的實現具有重要的影響。然而，在物理教學，特別是普通物理實驗教學中如何進行研究性學習，提高學生科研能力的研究現在還不多。本文研究在普通物理實驗教學中，學生通過對原有的實驗方案分析比較研究和討論，自主設計新的實驗方案，改進原有的實驗方案，獲得更準確的實驗結果，并通過該學習實驗過程提高科學研究素質，掌握科學研究的方法，進一步為今后的研究奠定相應的基礎[3]。

2 物理實驗中的研究性學習

普通物理實驗中“轉動慣量的測定”誤差往往較大，主要原因是首先無法消除或確定由于轉軸摩擦而引起的摩擦力矩以及采用停表和卷尺測量物體下落的高度和時間對實驗帶來較大誤差。通常采用減少誤差的方法有兩種類型，即減少轉軸摩擦引起的摩擦力矩對實驗結果的影響[4，5，6]和通過改進時間測量準確度[7]。在普通物理實驗教學中，通過研究性學習，引導學生設計出一種新的方法，該方法通過減少摩擦力矩對實驗結果的影響和改進試驗中時間測量精確度減少實驗誤差，取得良好的教學效果。

2.1 實驗裝置改進

氣墊導軌和剛體轉動儀二者結合，減少測量誤差，對剛體轉動慣量進行測量。由剛體定軸轉動定律剛體和轉動架的轉動慣量J與滑行器左側與剛體轉動慣量儀相連的繩子所受彈力T有

其中

a為重物下落時的加速度，β為剛體角加速度，R為剛體轉動儀轉軸半徑。

由牛頓第二定律，物體對滑行器右側繩的拉力

T與滑行器運動加速度a成正比。

其中分別為重物和滑行器質量，即剛體和轉動架的轉動慣量。

2.2 測量原理及方法

(1) 連接光電門和測速儀的信號線，插導氣管；調平氣墊導軌平衡。

測量剛體轉動儀轉軸的直徑D和滑行器的質量M。按實驗步驟調節剛體轉動儀及繞線定滑輪的高度，連接細線。

平衡摩擦力矩并測定剛體轉動儀轉架的轉動慣量J。將電腦計時器調至“速度”功能，“轉換”調到“cm／s ’檔。加質量為的砝碼釋放，調節砝碼盤下落高度，由電腦計時器記錄砝碼m的加速度a，測出剛體轉動儀轉架的轉動慣量

測量待測剛體轉動慣量J。將待測剛體放在剛體轉動儀的轉架上。加質量為的砝碼，記錄砝碼下落加速度a，重復實驗，測出待測物體和轉架的總轉動慣量

則待測物體的轉動慣量為。

取不同的剛體轉動儀半徑，重復步驟3，4，5測量出一組對應于不同轉動半徑的轉動慣量值體轉動慣量J。

2.3 實驗討論

實驗用氣墊導軌與剛體轉動儀相結合，實驗測量前通過平衡摩擦，減少摩擦結果的影響，采用電腦計時器計時減少人為誤差，進一步提高了實驗的精確度，實驗結果更接近理論計算數值，驗證了平行軸定理，實驗誤差如表1所示，其中

由于實驗儀器等系統不可避免存在誤差，實驗值與理論值存在一定的差別。通過進行多次測量可以減少不必要的誤差，從而使實際值與理論值更接近，更真值可靠。盡量讓誤差達到最低限度。

3 結語

本文探討普通物理實驗教學中的研究性學習，以剛體轉動慣量實驗為例，設計了一種新的測量剛體轉動慣量的方法，改進了原有的實驗方法，和原有的試驗方法相比，該實驗方案減少了實驗中摩擦以及人為因素對實驗結果所產生的影響，獲得了較好的結果。在理解掌握原有實驗原理基礎上，通過由學生自己設計改進原有實驗，取得更好的實驗結果，調動學生學習主動性，相信經過一段時間的訓練可以鍛煉學生的創新能力以及科研能力。

參考文獻

[1] 楊述武.普通物理實驗(力、熱部分)第三版[M]北京：高等教育出版社， 2007.

[2] 普通物理課程教學目標研究課題組. 普通物理課程教學目標研究[J].清華大學教育研究， 1993， 1: 31.

[3] 何琴玉，任占梅.普通物理實驗教學改革的探討[J].中山大學學報，2002， 41: 154.

[4] Bruce Eaton，Richard De Ceer，and Walter Johnson.Moment of intertia appatus[J]. Am. J.Phys..1985，53(2).

[5] 陳春天.剛體轉動慣量測定的設計與實驗.物理實驗[J].1997，6:245.

[6] 秦宏偉，王德安，段吉輝.軸承中的摩擦力矩對轉動的影響[J]. 物理實驗.1995，16:216.

[7] 文景，楊國慧.剛體轉動慣量測定實驗中計時方法的改進[J]. 物理實驗.1998，19:35.

[8] 藍祥也.用氣墊導軌測量剛體轉動慣量 [D]. 南寧:廣西民族大學物理與電子工程學院.2009.