设计性实验的内容选择

摘要:设计性实验是一种介于基础教学实验与实际科学实验之间的,具有对科学实验全过程进行初步训练特点的教学实验。文章介绍了设计性实验内容选择的思路,以及学生的思维发展和能力培养,并通过具体的事例进行了说明。

关键词:设计性实验;凸透镜;折射率

设计性实验是一种介于基础教学实验与实际科学实验之间的,具有对科学实验全过程进行初步训练特点的教学实验。它要求学生必须具备一定的理论知识,并在学习和总结的基础上设计出一个新实验,或者通过已有实验进行延伸开发新的实验内容。本文主要通过“用凸透镜测透明液体的折射率”设计性实验论述有关设计性实验的内容选择、开发设计性实验的思路,以及它培养和提高学生的科学实验能力和素养教育的功能。

一、“用凸透镜测透明液体的折射率”实验实例

(一)实验的基本原理

在光具组基点测定的实验中,已知两薄透镜的像方焦距分别为f′1、f′2,两薄透镜组组成的像方焦距f′:

f′=①

当两薄透镜处于同一空气媒介时,f′=,f′1、f′2为两薄透镜的像方焦距,d为两透镜的间距,两主点位置:

l=②

l=③

那么当d=0时,由②、③式知两主点位置是完全相等为零l′=l=0。

这时透镜组的焦距公式,由①式可以简化为:

f′=④

那么怎样才能使两透镜的光心之间的距离d=0。

选择一个薄的凸透镜,与形状可自由改变的透明液体介质组合,组成一透镜组,透明液体介质可看作是一平凹透镜,由于d为薄透镜厚度的一半和凹透镜像方焦距f′1和液体的像方焦距f′2,可以将d看作d≈0

我们可以有把薄透镜是由两个曲率半径分别为r1和r2折射面组成,透镜的厚度为d、折射率为n,透镜两侧的折射率分别为n1和n2,并将p点看作是在主轴上的光源,发出一条光线PA经透镜折射后,交主轴于p′点,令op=-s,o′p=s′,pA=l,A′p′=l′,AM=A′N。

则l=[(-s+oM)+h2],l′=[(s′+o′N)2 +h2]在近轴条件下oM=≈,oN≈, 得到h--+=0,其中r1和r2是常量,h是变量。

当物在无穷远处时,s即为像方焦距:

f′=lims′=⑤

当物在物方焦点上时,s′成像在无穷远处:

f=lims=⑥

其中n1和n2分别为透镜两测介质的折射率,当均为空气介质时有n1=n2=1

像方焦距:

f′=lims′=⑦

物方焦距:

f=lims=⑧

透镜的焦距f′1与折射率n,以及薄凹透镜曲率半径R1和液体凹透镜曲率半径R2存在下列关系:

f′透=⑨

当R1=-R2=R时,由⑤式,得:

f′透==f′1⑩

因为液体构成的平凹透镜的曲率半径R1=∞,R2=R及液体折射率为n,所以平凹透镜的像方焦距为:

f′2={11}

由⑥、⑦消去R得:

f′2=f′1{12}

将{12}式代入④式,得:

f′=={13}

变换⑨式,得:

n液=1+{14}

由于在空气介质时有n1=n2=1,所以可以根据f1=-f′1,f=-f可以将{14}式转化为:

n液=1+{15}

由{15}式,可知只要测出凸透镜焦距f1和透镜组焦距f,查出凸透镜的折射率,根据{15}式,就可求得液体的折射率n液。

可采用自准直法测量透镜组焦距f的实验装置。

(二)实验方案

第一,在铁架台上用夹子固定一个光源和一个物屏,调节光源的方向,使它垂直于物屏竖直向下照射。

第二,一个大小适中烧杯,在其底下放置一块平面镜,将待测透明液体到入烧杯内。然后在该液体上面放一块折射率n已知的薄凸透镜,让该待测的透明液体刚好浸没该凸透镜的下球面,使该透镜与待测液体紧密接触。这时将该组合看作一透镜组。

第三,将该透镜组放置在升降台上,使光源、物和透镜组的光心在同一竖直方向上。调节升降台的高度,让物屏刚好在透镜组的物方焦点上,物经透镜组所成的像经平面镜反射回去后,在物屏的背面可以形成与物等大倒立的像。

第四,用米尺测出这时透镜组与物屏之间的距离,就是透镜组的物方焦距f。

第五,在用自准直法,测出薄凸透镜的焦距f1。在表中查出凸透镜的折射率n,根据可以n液=1+,计算出n液。

二、设计性实验基本内容

对一个具体的设计性实验,从选择课题开始到研究工作完成,整个过程一般按照科学实验的基础程序包括下属主要环节。

第一,选择课题是进行科学研究的第一步,这对后续工作的成败起着决定性的作用,必须以学生的知识蓄备和个人能力、以及实际的条件为基础,认真做好选好课题。

第二,选定课题后,根据课题要求查找,收集,整理分析各种资料,经过去粗取精,去伪存真的分析研究,设计和制订实验方案。

第三,确定实验方案,做出总体的安排。这包括确定正确的理论依据,建立物理模型,选择适当类型的实验和实验方案和试验方法,设计正确的测量方法步骤以及做好实验器材的配套准备。

第四,在实践过程中,严格操作,细致观察,认真记录每个细节,积极思维,认真分析处理实验的数据。

第五,实验报告科学论文或研究工作报告是科学研究的永久性记录和总结,一般包括以下几部分:引言(课题任务,背景材料)、实验方法及理论依据、实验结果、结论、分析讨论和参考文献。

设计性实验的内容必须经过精心挑选,使它具有综合性、典型性和探索性。

三、设计性实验的方案选择

(一)实验方法的选择

根据课题所需要研究的对象,在自己已有知识的基础上,尽量收集与课题有关的实验方法,即根据一定的物理原理,确定被测量与可测量之间关系的各种可能方法,然后比较各种方法所能达到的测量精度、适用条件、实现的难易程度以及现有情况等,从中确定能满足课题要求的最佳实验方法。

(二)测量方法的选择

对于某种实验方法,有时可能有几种不同的测量方法可供选择。此时应分析哪一种测量方法测量精度高,引入的系统误差小。因此,选择测量方法的前提是:应该对测量不确定度的来源以及影响进行合理的分析。

(三)测量仪器的选择

测量仪器的选择包括仪器的类型,仪器的精度(分度值或准确度等级)和测量范围(量程)等方面,要从被测量对象的特性,仪器的特性、测量环境、操作技术水平、经济条件、设备及人身安全考虑。在满足经济要求的条件下,尽量选用级别底的仪器,这就是“可粗不精”的原则。

(四)测量条件的选择

在实验方法、测量方法、测量仪器选定后,还应明确在怎样的条件下测量才能达到要求,这主要依靠对不确定度的来源进行恰如其分的分析。

(五)数据处理方法的选择

合理地选择数据处理方法,可以测出不能直接测量的或不易测准的物理量。

四、设计性实验对学生思维发展以及能力的培养

(一)设计性物理实验对学生能力的培养

设计性已成为物理实验的主要组成部分。设计性的物理实验能促进学生主动地去思考,设计性物理实验能培养学生严谨认真、理论联系实际的科学态度,是人们应用仪器来揭示物质运动规律特性以及各种物理现象的一种科学活动。它要求学生通过观察和测量,从物理现象中获得真实的信息。这就要求学生必须严格地遵循事实,有一个严肃认真获取真实信息的态度。

设计性物理实验过程能培养学生理论联系实际和严谨的治学学风,培养学生理论与实践相结合的科学态度;能促使学生手脑协调发展,培养学生主动性思维和探索思维。设计性物理实验优越于常规的物理实验是它给出了实验任务和要求,而确定测量方法、选择合适的仪器、设计实验线路、拟订实验方案等,都需要学生自己动脑去思维、操作,这样就大大地引起了学生对实验的兴趣,促使他们积极主动去思考,因而在这一实验过程中学生通过自己积极主动去思维和探索,提高了学生分析问题和解决问题的能力,使学生手脑得到协调发展,这是常规物理实验所难以代替的。

(二)设计性物理实验的学生动手能力的评价

传统常规的物理实验的评价只注重实验报告的完成质量。而设计性物理实验,教师除了评价设计方案的好差和实验报告完成的质量如何,学生的动手能力应是评价的一个重点内容。因为设计性物理实验是在开设基础实验之后开设的,学生已经掌握了一定的原理、方法和技能,因此,对于设计性物理实验的动手能力评价应比基础实验更严格。总而言之,要求学生对实验目的明确,实验原理清楚,能正确选用、配置仪器和调整仪器,迅速分析、判断和处理实验过程中出现的问题,正确操作和积累数据,有目的地去减小误差。因此设计性实验的选题应具有综合应用学科知识和技能的性质。设计性实验均能体现出综合应用知识的能力,设计性实验选题还应具有探索性质,要有利于提高学生的科学思维方法和科学研究能力。

参考文献:

1、杨述武等.普通物理实验[M].高等教育出版社,2000.

2、姚启钧.光学教程[M].高等教育出版社,2002.

3、沈元华.设计性研究性物理实验教程[M].复旦大学出版社,2004.

4、吴波,杨建荣.大学生课外科技实践活动与创新能力培养研究[J].上饶师范学院学报,2005(25).

(作者单位:宝鸡文理学院物理与信息技术系)