• 欣赏经典实验 开启智慧之门
  • 2009-6-8 浏览() 【
  • 物理学研究物质存在的基本形式,以及它们的性质和运动规律。物理学还研究物质的内部结构,在不同层次上认识物质的各种组成部分及其相互作用,以及它们运动和转化的规律。它探讨的是物质世界中最基本最普遍的规律。它只能是以实验(现象和数据)为其出发点和归宿点,因此实验在物理学科的发展过程中起到了决定性的作用。

    高中物理教学更应该重视实验教学。物理实验包括课堂演示实验、学生分组实验、课外实验和物理课本中介绍的经典物理实验。

    我们在教学过程中要积极向学生介绍经典物理实验、学习经典物理实验、欣赏经典物理实验,让学生跟着物理学科发展的主线,了解物理前辈在研究物理时怎样思考问题,怎样提出问题,如何解决问题。这样会有助于学生提升学习兴趣、提高学习能力、感悟物理精华,开发个体智慧。

    一、掌握物理实验的原理

    1.伽利略的自由落体实验

    在研究亚里士多德的“重的物体下落的快”论断时,采用了用哲学思辨代替科学实验,利用理想实验和科学推理,巧妙地揭示了亚里士多德运动理论的内在矛盾,打开了亚里士多德运动理论的缺口,导致了物理学的真正诞生。

    2.伽利略的加速度实验

    他建立物理实验和数学相结合、真实实验和理想实验相结合的方法,使近代物理学建立了精确测量实验的基础。伽利略利用理想实验和科学推理巧妙地否定了亚里士多德的自由落体运动理论。那么正确的自由落体运动规律应是怎样的呢?由于当时测量条件的限制,伽利略无法用直接测量运动速度的方法来寻找自由落体的运动规律。因此他设想用斜面来“冲淡”重力,“放慢”运动,而且把速度的测量转化为对路程和时间的测量,并把自由落体运动看成为倾角为90°的斜面运动的特例。伽利略在实验的基础上,经过数学的计算和推理,得出假设;然后再用实验加以检验,由此得出正确的自由落体运动规律。

    3.伽利略的理想斜面实验

    伽利略在斜面实验中发现,只要把摩擦减小到可以忽略的程度,小球从一斜面滚下之后,可以滚上另一斜面,而与斜面的倾角无关。也就是说,无论第二个斜面伸展多远,小球总能达到和出发点相同的高度。如果第二斜面水平放置,而且无限延长,则小球会一直运动下去。为以后牛顿建立牛顿第一定律奠定了坚实的实验基础。

     

    伽利略既重视实验,又重视理性思维,强调科学是用理性思维把自然过程加以纯化、简化,从而找出其数学关系。因此,是伽利略开创了近代自然科学中经验和理性相结合的传统。这一结合不仅对物理学,而且对整个近代自然科学都产生了深远的影响。

    二、体会实验仪器的精妙

    1.卡文迪许扭秤实验

    牛顿的万有引力理论指出:两个物体之间的吸引力与它们质量的乘积成正比,与它们距离的平方成反比。但是万有引力到底多大?

    英国科学家亨利·卡文迪许借助于轻而坚固的T形架,倒挂在金属丝的下端,在T形架上放一块玻璃M,在两端分别用m’小球靠近m小球,由于万有引力的作用而发生扭转,再用激光利用空间距离测量测金属丝的扭转角度,根据万有引力的力矩与金属丝的扭转力矩平衡,测量出引力常量。

    2.库仑扭秤实验

    为了测量点电荷之间的相互作用力中的静电力常量,库仑利用扭秤实验测量出静电常量。

    我们可以让学生比较卡文迪许扭秤的原理与库仑扭秤的原理的异同,学生可以从中总结出用简单、原始的仪器测量微小量的方法——放大法。为以后物理学中微小量测量提供了一种非常有效的途径。

    3.托马斯·杨的光双缝干涉实验

    杨氏双缝干涉实验是物理学史上一个非常著名的实验。托马斯·杨用单缝与双缝的空间关系(如图所示)非常巧妙的方法获得了两束相干光,观察到了干涉条纹。他第一次以明确的形式提出了光波叠加的原理,并以光的波动性解释了干涉现象。

    杨氏双缝干涉实验奠定了物理光学的基础。

    三、学习实验结果处理的方法和技巧

    1.牛顿第二定律数据处理

    牛顿在研究物体的加速度与合外力、质量的关系时,采用的实验原理是控制变量法,在测量出实验数据以后,怎样对实验的数据处理是关键。

        

    用图像法进行数据处理能非常快处理出哪些数据符合实验的要求,哪些数据的实验误差比较大应该,同时还能总结出加速度与质量、合外力的关系。

    2.卢瑟福散射与原子核式结构

    卢瑟福和他的助手发现向金箔发射带正电的a射线微粒时大多数a粒子基本上沿原来的方向前进,但是有少数a粒子发生大角度偏转。根据实验的结果计算证明,只有假设正电球集中了原子的绝大部分质量,并且它的直径比原子直径小得多时,才能正确解释这个不可想象的实验结果。为此卢瑟福提出了原子核式结构。

    这是一个开创新时代的实验,是原子物理具有里程碑性质的重要实验。同时他推演出一套可供实验验证的卢瑟福散射理论。以散射为手段研究物质结构的方法,对近代物理有相当重要的影响。

    四、感悟实验操作的意志

    1.罗伯特·密立根的油滴实验

    密立根设计出如图所示的实验仪器,当小油滴通过空气时,就带了一些静电,它们下落的速度可以通过改变电极的电压来控制。当去掉电场时,测量油滴在重力作用下的速度可以得出油滴半径;加上电场后,可测出油滴在重力和电场力共同作用下的速度,并由此测出油滴得到或失去电荷后的速度变化。这样,他可以一次连续几个小时测量油滴的速度变化。

    整个实验过程中操作过程务必弄清它们的实验仪器调节开关逻辑关系,试好调节力度;测量中要手眼协调,判断敏捷,动作到位。任何一次错调都可能使在测油滴超界逃遁,废弃前功。如果科学家没有对科学的执著追求,在实验中很难完成对元电荷电量的测量。

    2.天文学家第谷对行星的观测

    丹麦第谷是一个严谨而寂寞的观察者,他连续20年对行星的运动情况进行观测,记录了大量数据,积累了第一手资料。他的学生开普勒在对他的观测资料进行仔细研究和分析的基础上,最后终于发现了行星运动的三大定律。而牛顿正是站在了这两个巨人的肩膀上,进而发现了万有引力定律。

    我们分析了许多经典实验,可以看出经典物理实验的功能。当然每个物理实验都会涉及到实验原理、实验仪器、实验操作、实验数据处理以及实验结论和误差讨论。因此教师在平时授课过程中,要分析欣赏经典物理实验,是怎样借助于最简单原理和最简单仪器,测量出最纯粹、最原始的物理知识。让学生在分析欣赏过程中认识到物理学的发展是在前辈科学家不断的努力的基础上发展起来的,教师借助于这样的实验分析欣赏对开发学生个体的智慧是绝对有益的。

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