物理实验教学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,物理实验教学,福建教育学院理科研修部,陈光明,一、物理实验与物理学的发展,在物理学的发展历程中，实验和理论互为依赖、相辅相成。实验在物理学的发展过程中起着关键性的作用。,1,、物理实验的性质和作用,物理学是一门实验性的科学。,物理实验：是物理工作者在控制条件下，运用仪器、设备，使物理现象反复再现，从而有目的地进行观测研究的一种方法。,开创实验性物理学的奠基人是伽利略,。,1589,年，伽利略为了研究物体的运动与力之间的关系，做了两个著名的斜塔实验和斜面实验。通过这一划世纪性实验的研究，从此奠定了经典运动学的基础，打破了亚里斯多德的运动学对物理学发展长达,1800,多年的禁锢，也使物理学的发展从此走上了一条真正科学的道路。从中，我们也能看到有目的、有计划、有针对性的研究力与运动关系的实验的科学意义。,2,、实验事实的直接总结是产生物理理论的前提,有许多物理学的理论规律是直接从大量实验事实中总结概括出来的。比如：,经典物理学中的开普勒三定律是依据第谷,布拉赫所积累的大量天文观测资料，采纳了哥白尼的日心说体系，又把哥白尼的圆形轨道修改为椭圆轨道而得到的。,能量守恒与转换定律也是通过大量实验的归纳和总结而得到的，其中起着关键性作用的是焦耳的热功当量实验。,电磁学中的一系列定律，如库仑定律、欧姆定律、安培定律、毕奥,-,沙伐尔定律、法拉第电磁感应定律等，都是直接从大量实验事实中总结概括出来的。,3,、物理学上的观点争论最终都由实验作出判决,物理学中常常发生一些不同意见、或不同的理论来解释同一问题的争论。往往是通过实验给予某一种意见以有力的支持，而且最终还得靠实验来作出终结判断。比如：,在对光的本质的认识过程中，微粒说和波动说的争论持续过很长一段时间。最初，由于光的直线传播的事实，很自然地支持了微粒说；可是，光的独立传播事实，即两束光交叉后，还是各自按原来的方向和强度传,播，又给惠更斯的波动说提供了有利的证据。托马斯,杨的双缝干涉实验显然证明光是一种波动，,1808,年，马吕斯发现的光的偏振现象更证明光不仅是一种波动，而且是一种横波；但是，,1899,年列别捷夫的光压测定实验证实光压的存在，实验结果又有利于光是一种微粒的学说。,1912,年，劳厄的,x,射线衍射实验证明,x,射线也是一种电磁波；而光电效应、以及,1923,年康普顿用光子和电子相互碰撞解释,x,射线散射中波长变长的实验结果（即康普顿效应）又给爱因斯坦的光量子假说以有力的支持。最后，以波粒二象性结束了这一场旷日持久的争端，解释了已有的实验事实。,自从,17,世纪以来，人们提出了各种“以太”假说，从“机械以太”、“电磁以太”，一直到“光以太”、“绝对以太”等。但是，任何一种“以太”学说都不能解释迈克尔逊,莫雷实验的事实，于是最后只得以放弃“以太”学说而告终。,4,、实验是修正错误的依据和发展新理论的起点,实验常常成为纠正错误理论的依据和发展理论的新起点。比如：,古希腊的亚里斯多德曾经断言：体积相等的两个物体，较重的那个下落较快。他认为，物体下落的快慢精确的与它们的重量成正比。这种理论曾经统治过物理学界达,1800,年之久。,科学发展到中世纪，曾不断有怀疑和反对的意见，但都因为没有成熟而有力的实验事实予以支持。是伽利略的斜塔实验给予最终的否定。,1911,年，卡末林,-,昂内斯在观察低温下水银的电导率变化时，在,4.2K,附近突然发现电阻消失的现象，而后又观察到许多金属在低温下的超导状态。后来，又发现了在低温下液体的超流现象（液体的粘滞系数,0,）。由此开始了一个新的物理学分支领域,超导物理。,5,、从美好的假说发展到科学理论依赖于实验,常常有这样的情况，在实验事实的基础上，科学家们设想出一个理论模型，或给出理论上的预言。这些理论看起来或许是很有创见、合情合理的，但是在没有得到实验的验证之前，这种理论还只能算是一种设想、一种假说，不是科学的理论。比如：,19,世纪,60,年代开始，麦克斯韦在大量实验的基础上，特别是法拉第关于电磁现象所做的定性的解释发展成为定量的数学形式的基础上，提出了“涡旋电场”和“位移电流”的假说，并建立了著名的麦克斯韦电磁场的基本方程组，从理论上阐明了电磁波和光波有共同的特征，并以光速在空间传播。这是一个极其卓越的理论成果。,但是，直到,1887,年赫兹接收到电磁振荡源放电而发出的电磁波，并且作了电磁波的反射、折射、衍射和偏振等实验，并且测出电磁波的传播速度与光速为同一数量级以后，才从实验上证实了麦克斯韦的全部假说，使麦克斯韦的电磁理论开始成为科学理论。,广义相对论是爱因斯坦在,1915,1916,年间提出来的。当时，由于创建狭义相对论以及在其它领域里的卓越贡献，爱因斯坦已经是一位有很高声誉的物理学家。广义相对论就其立论的新奇、结构的严谨、推论的精确和数学上的和谐而被人们所推崇，有人认为这是物理学发展中所罕见的一件珍品。它能够解释当时用牛顿的引力理论所不能说明的水星近日点的剩余近动问题。按广义相对论的理论，爱因斯坦预言了光通过太阳表面附近的引力场时，会造成,1.75,的弯曲偏角效应，而不是按狭义相对论计算的,0.87,。,因此，实验的观测结果就将是对新理论命运的一次决定性考验。,1919,年,5,月,29,日，英国天文学家爱丁顿率领的日食观测队，在西非几内亚利用日全食进行观测的结果，与广义相对论的预言一致。以后，类似的实验和其它的实验多次重复，广义相对论才作为一门崭新的科学理论为人们所公认。,6,、实验,理论,实验,是物理学发展的基本道路,从物理学各个分支的发展过程都可以看到，先从某些物理现象或实验事实开始，或是受到某些事物的启发，提出一定的物理模型，用来解释过去已有的实验事实，然后再用实验来进一步证明这个模型的合理性，并根据不断发展的实验结果修正和完善理论。所以说，实验,理论,实验,是物理学发展的一般模式。比如：,电子被发现以后，人们就认为电中性的原子是由正、负两部分带电荷的物体组成的。,1904,年，汤姆孙,(J. J. Thomson,，,1856,1940),提出原子是由带正电的均匀球组成的，整个原子里面的负电是按分立电子的形式分布的，电子是撒在直径约,1,的带正电的均匀球体中，就像葡萄干撒在布丁点心上一样。根据这个模型，既说明了稳定原子的电中性，也能解释诸如电子发射、电磁辐射和元素性质的周期性变化与价键理论等基本现象。当原子受激发时，电子可以从原子内部逸出，电子的质量很小，很容易受到扰动，受到扰动的电子在其平衡位置附近来回振荡，从而产生电磁辐射（即原子的发光光谱）。,卢瑟福本来相信他的老师汤姆孙的原子模型基本上是正确的，,1908,年，卢瑟福的主要助手之一盖革研究粒子穿过物质后发现了小角度的散射现象。,1909,年，卢瑟福指导研究生马斯登研究粒子的大角度散射问题，从实验上发现粒子碰撞金属箔所产生的大角度散射。例如，用粒子轰击,ZnS,薄片时，有八千分之一的几率要反射回来。于是，卢瑟福只得放弃汤姆孙的布丁点心模型，并提出了原子的有核模型：处于原子中心的带正电的原子核，直径只有整个原子的万分之一，原子的大部分质量都集中在这个中心上，电子围绕原子核旋转。,卢瑟福的有核原子模型首先遇到了稳定性的困难：一个围绕原子核作快速转动的电子相当于一个电振子，它一定要发射电磁波，因而将很快失去其能量，经过短暂的（大约只有一亿分之一秒）时间就会沿着螺旋线运动而落到原子核上去。卢瑟福有核原子模型遇到的第二个困难是无法解释复杂的原子光谱现象，也无法说明原子所发射的线状光谱：因为，如果电子以一定的频率围绕原子核转动而产生辐射，则辐射的结果必将导致能量的损失，并且引起辐射光波频率的连续变化，而只能产生带状光谱。于是，玻尔在此基础上提出了电子处于具有一定能量的量子化圆轨道上，并进行定态跃迁产生辐射的原子结构模型。,1914,年，德国的弗兰克和赫兹关于原子能级的实验结果与玻尔的理论结果很好地符合。从此，玻尔的原子轨道模型被广泛接受。,7,、 物理学史上最经典的,10,实验,2002,年,9,月份出版的,物理学世界,刊登了排名前十的最美丽的物理实验，其中大多数都是我们耳熟能详的经典之作。这十大实验中的绝大多数是科学家独立完成，所有实验都是在实验桌上进行的。所有这些实验共同之处是他们都仅仅“抓”住了物理学家眼中“最美丽”的科学灵魂，这种美丽是一种经典：最简单的仪器和设备，发现最根本、最单纯的科学概念，就像是一座座历史丰碑一样，人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空，对自然界的认识更加清晰。,按照时间的顺序，这些实验是：,排名第七：埃拉托色尼测量地球的周长,排名第二：伽利略的自由落体实验,排名第八：伽利略的匀加速运动实验,排名第四：牛顿的棱镜分解太阳光,排名第六：卡文迪许扭矩试验,排名第五：托马斯,杨的光的干涉 实验,排名第十：米歇尔,傅科钟摆实验,排名第三：罗伯特,密立根的油滴实验,排名第九：卢瑟福发现原子核的实验,排名第一：托马斯,杨的双缝干涉应用于电子干涉的实验,1,、托马斯,杨的双缝演示应用于电子干涉实验,牛顿和托马斯,杨对光的性质研究得出的结论都不完全正确。光既不是简单的 由微粒构成，也不是一种单纯的波。,20,世纪初，麦克斯,普克朗和阿尔伯特,爱因斯坦分别指出一种叫光子的东西发出光和吸收光。但是其他实验还是证明光是一种波状物。经过几十年发展的量子学说最终总结了两个矛盾的真理：光子和亚原子微粒（如电子、光子等等）是同时具有两种性质的微粒，物理上称它们：波粒二象性。将托马斯,杨的双缝演示改造一下可以很好地说明这一点。科学们用电子流代替光束来解释这个实验。根据量子力学，电粒子流被分为两股，被分得更小的粒子流产生波的效应，它们相互影响，以至产生像托马斯,杨的双缝演示中出现的加强光和阴影。这说明微粒也有波的效应。,物理学世界,编辑彼特,罗格斯推测，直到,1961,年，某一位科学家才在真实的世界里做出了这一实验。（排名第一）,2,、伽利略的自由落体实验,在,16,世纪末，人人都认为重量大的物体比重,量小的物体下落得快，因为伟大的亚里士多德已经这么说了。伽利略，当时在比萨大学数学系任职，他大胆地向公众的观点挑战。著名的比萨斜塔实验已经成为科学中的一个故事：他从斜塔上同时扔下一轻一重的物体，让大家看到两个物体同时落地。伽利略挑战亚里士多德的代价也许使他失去了工作，但他展示的是自然界的本质，而不是人类的权威，科学做出了最后的裁决。（排名第二）,3,、罗伯特,米利肯的油滴实验很早以前，科学家就在研究电。人们知道这种无形的物质可以从天上的闪电中得到，也可以 通过摩擦头发得到。,1897,年，英国物理学家,JJ,托马斯已经确立电流是由带负电粒子即电子组成的。,1909,年美国科学家 罗伯特,米利肯开始测量电流的电荷。米利肯用一个香水瓶的喷头向一个透明的小盒子里喷油滴。小盒子的顶部和底部分别连接一个电池，让一边成为正电板，另一边成为负电板。当小油滴通过空气时，就会吸一些静电，油滴下落的速度可以通过改变电板间的电压来控制。米利肯不断改变电压，仔细观察每一颗油滴的运动。经过反复试，米利肯得出结论：电荷的值是某个固定的常量，最小单位就是单个电子的带电量。（排名第三）,4,、牛顿的棱镜分解太阳光 艾萨克,牛顿出生那年，伽利略与世长辞。牛顿,1665,年毕业于剑桥大学的三一学院，后因躲避鼠疫在家里呆了两年，再后来顺利地得到了工作。当时大家都认为白光是一种纯的没有其他颜色的光（亚里士多德就是这样认为的），而彩色光是一种不知何故发生变化的光。为了验证这个假设，牛顿把一面三棱镜放在阳光下，透过三棱镜，在墙上被分解为不同颜色，后来我们称作为光谱。人们知道彩虹的颜六色，但是他们认为那是因为不正常。牛顿的结论是：正是这些红、橙、黄、绿、青、蓝、紫基础色有不同的色谱才形成了表面上颜色单一的白色光，如果你深入地看看，会发现白光是非常美丽的。（排名第四）,5,、托马斯,杨的光干涉实验,牛顿也不是永远正确。在多次争吵后，牛顿让科学界接受了这样的观点：光是由微粒组成的，而不是一种波。,1830,年，英国医生、物理学家托马斯,杨用实验来验证这一观点。他在百叶窗上开了一个小洞，然后用厚纸片盖住，再在纸片上戳一个很小的洞。让光线透过，并用一面镜子反射透过的光线。然后他用一个厚约,1,30,英寸的纸片把这束光从中间分成两束。结果看到了相交的光线和阴影。这说明两束光线可以像波一样相互干涉。这个实验为一个世纪后量子学说的创立起到了至关重要的作用。（排名第五）,6,、卡文迪许扭矩实验,牛顿的另一伟大贡献是他的万有引,力定律，但是万有引力到底多？,18,世纪末，英国科学家亨利,卡文迪许决定要找出这个引力。他两边系有小金属球的,6,英尺木棒用金属线悬吊起来，这个木棒就像哑铃一样；再将两个,350,磅重的铅球放在相当近的地方，以产生足够的引力让哑铃转动，并扭动金属线。然后用自制的仪器测量出微小的转动。测量结果惊人的准确，他测出了万有引力恒量的参数，在此基础上卡文迪许计算地球的密度和质量。卡文迪许的计算结果是：地球重,6,010,24,公斤，或者说,13,万亿万亿磅。（排名第六）,7,、埃拉托色尼测量地球圆周长,古埃及的一个现名为阿斯旺的小镇。在这个小镇上，夏日正午的阳光悬在头顶：物体没有影子，阳光直接射入深水井中。埃拉托色尼是公元前,3,世纪亚历山大图书馆馆长，他意识到这一信息可以帮助他估计地球的周长。在以后几年里的同一天、同一时间，他在亚历山大量了同一地点的物体的影子。发现太阳光线有轻微的倾斜，在垂直向偏离大约,7,度角。剩下的就是几何学问题了。假设地球是球状，那么它的圆周应跨,360,度。如果两座城市成,7,度角，就是,7,360,的圆周，就是当时,5000,个希腊运动场的距离。因此地球周长应该是,25,万个希腊运动场。今天，通过航迹测算，我们知道埃拉托色尼的测量误差仅仅在,5,以内。（排名第七）,8,、伽利略的加速度实验,伽利略继续提炼他有关物体移动的观点。他做了一个,6,米多长、,3,米多宽的光滑直木板槽。再把这个木板槽倾斜固定，让铜球从木槽顶端沿斜面滑下，并用水钟测量铜球每次下滑的时间，研究它们之间的关系。亚里士多德曾预言滚动球的速度是均匀不变的；铜球滚动两倍的时间就走出两倍的路程。伽利略却证明铜球滚动的路程和时间的平方成比例：两倍的时间里，铜球滚动,4,倍的距离，因为存在恒定的重力加速度。（排名第八）,9,、卢瑟福发现核子实验,1911,年卢瑟福还在曼彻斯特大学做放射能实验时，原子在人们的印象中就好像是“葡萄干布丁”，大量正电荷聚集的糊状物质，中间包含着电子微粒。但是他和他的助手发现向金箔发射带正电的阿尔法微粒时有少量被弹回，这使他们非常吃惊。卢瑟福计算出原子并不是团糊状物质，大部分物质集中在一个中心小核上，现在叫做核子，电子在它周围环绕。（排名第九）,10,、米歇尔,傅科钟摆实验,去年，科学家们在南极安置一个摆钟，并观察它的摆动。他们是重复,1851,年巴黎的一个著名实验。,1851,年法国科学家米歇尔,傅科公众面前做了一个实验，用一根长,220,英尺的钢丝将一个,62,磅重的上带有铁笔的铁球悬挂在屋顶下，观测记录它前后摆动的轨迹。周围观众发现钟摆每次摆动都会稍稍偏离原轨迹并发生旋转时，无不惊。实际上这是因为房屋在缓缓移动。傅科的演示说明地球是在围绕地轴自转的。在巴黎的纬度上，钟摆的轨迹是顺时针方向，,30,小时一周期。在南半球，钟摆应是逆时针转动，而在赤道上将不会转动。在南极，转动周期是,24,小时。（排名第十）,二、物理教学必须以实验为基础,1.,物理教学为什么必须以实验为基础？,物理教学之所以要以实验为基础，是因为：（,1,）,实验能为学习物理提供符合认识规律的环境 一般说来，人的认识是从感性认识上升到理性认识,，感性认识可以来源于学生的日常行为规范,但有针对性的物理实验更有助于物理规律的认识和掌握，同时，也有利于消除学生在日常生活中产生的对科学现象的“误解”。如“重的物体自由下落得快”等第。,（,2,） 实验能培养学生学习物理的兴趣，激发学生的求知欲望。 这是由实验的特点决定的。利用一些生动、有趣的物理实验可以减少学生对物理学科的陌生感，在惊叹和感叹中加深对物理学科的印象和好感，产生学习兴趣和学习动机。此外，学生直接参与的学生分组实验活动可以让学生亲身体验物理规律的探索过程，进一步增强学习物理的兴趣。,（,3,） 实验是提高学生能力和使之得到科学方法训练的重要途径,实验过程涉及研究资料（教材），思维加工，动手实践及语言文字表达这些过程。在每一个环节中，学生的能力都会得以相应的提高。实验是一种综合的能力培养过程且可使学生受到必要的科学研究方法训练。,（,4,） 实验有利于培养学生良好的道德素养和科学作风 科学实验的严谨和实事求是对学生的世界观的形成有很重要的影响。是辨证唯物主义基本观点的最好实例。实验过程中的信息流程图如下：,2.,物理实验的分类及演示实验的作用,物理实验的分类,物理教学中的实验，大体上可以分：,演示实验； 学生分组实验；,课内小实验；课外实验。,将上述各类实验与一定的教学手段配合就组成了各种实验教学课型,:,例如，将演示实验穿插在教师的讲授过程中可组成演示讲授课；将教师的指导贯穿在学生独立操作的分组实验过程中，就构成了学生分组实验课型。各种实验有各自的特点和各自的功能。,(1),演示实验的特点和作用,演示实验是以教师为主要操作者的表演示范实验。,它的,目的,主要是把要研究的物理现象展示在学生的眼前，引导学习观察思考，配合讲授或穿插学生讨论等方式使学生认识物理概念和规律，或者通过演示的引导和示范作用，为学生独立训练创造条件 。,a.,引入课题，激发学生的求知欲望,b.,提供必要的感性素材，帮助学生建立概念和认识规律,c.,进行观察和思维训练，巩固和应用物理知识,d.,提供示范，为学生训练实验技能创造条件,演示实验是物理实验教学中发挥教师主导作用的重要手段之一。成功的演示实验，常常给学生留下难以磨灭的鲜明印象，使课堂气氛异常活跃，从而获得很好的教学效果。,演示实验在中学物理教学实验中占有很大的比重，而且是一种深受学生欢迎的实验形式它是教师施展教学艺术的独特手段，它能够化枯燥为生动，化抽象为具体。演示实验的内容和方法有很大的灵活性。同一课题，教师可以用现成的仪器设备，也可以用自制教具进行演示。同一个演示仪器，教师可用于引入课题，也可用以巩固新课，为更好地发挥其功能，必须深入研究演示实验教学的基本要求。,(2),演示实验教学的基本要求,a.,要有明确的目的；,b.,要明显和直观；,演示的现象要明显,仪器简单，过程明了,c,要安全、可靠；,教师在课堂上的演示实验必须确保成功，因此需要：,做好充分的准备工作；,课堂演示时必须确保安全；,正确对待课堂演示中的失误，切忌弄虚作假。,d,要有启发性。,(3),演示实验教学中的观察指导,在演示方案确定以后，要想达到演示的目的，关键在对学生的观察进行指导。同时，对演示观察的指导又是培养学生观察能力的一个重要途径。因此，在演示教学中应十分重视观察指导，这里所说的观察指导，有两层含义,:,一是演示本身应能吸引学生的观察注意,;,二是教师在演示过程中及时指导，教给观察方法。所谓指导，绝对不是说教师指到哪里，学生就看到哪里。,a.,明确观察目的，做好观察的思想准备,b.,突出观察重点，排除无关因素的干扰,c.,从整体到局部，再从局部到整体，培养观察思路 例如，教师常用“圆锥上滚”的实验来训练学生的观察力 。,d.,纵、横对比，把握事物特征,3,、自制教具,（,1,）自制教具一般具有取材容易、经济、可大量利用现代生活产生的废弃物，而且制作都比较简单、方便，有利于师生共同完成。有利于培养学生的求知兴趣、动手能力及创造精神。,例如：饮料瓶、易拉罐、吸管、小药瓶、泡沫塑料、塑料片等都是师生共同制作自制教具的常用材料。,。,（,2,）自制教具的趣味性是吸引学生注意力的极好手段，它对增强学生们的好奇心，激发学生们的学习兴趣，都起着重要的推动作用。是自然教师们经常采用的方法。,（,3,）自制教具一般都是教师针对现有实验之不足而设计制作的。实验结果更明显更直观，学生更容易观察到。,（,4,）自制教具可以较好地填补现有教具的空白，易于突破教材中的重点难点，实验效果更好。,（,5,）自制教具可缩短实验时间，在短时间内就能见到效果。,（,6,）自制教具可较快地把现代科技溶于其中，弥补现有教具之不足，使实验课上得更精采。,（,7,）自制教具是在广大实验教师不断实践、创新的基础上产生出来的，它为新教具的开发、生产提供了大量的可借用的素材。,（,8,）在教学实践中不断研制和完善自制教具促进了教师自身素质的提高,谢 谢,再 见,