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    澳门皇冠备用网_探究性实验与失误

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      摘要 本文旨在结合学生探究性实验和科研实验中若干失误的例子,为利用探究性实验培养学生探究能力和创新能力提供参考。
    中国论文网 http://www.cqcang.com/7/view-8073952.htm
      关键词 探究实验;理论模型;测量结果;仪器使用
      
      “测得是它吗?”这在科学实验中似乎是一个太简单、太起码的问题??墒导噬?,它却是实验科学的一个最基本、最重要的问题之一。如果这一问题没有解决,实验可能测出了重要的结果,却失去了重要的发现,甚至错了还不知道是怎么回事。在科学研究的历史中,曾经有过不少科学家由此失去重大发现的良机,造成终身的遗憾。
      初中物理的课标明确强调:要让学生经历基本的科学探究过程,具有初步的科学探究能力;科学探究既是课程目标之一,又是物理课程学习内容的重要组成部分,课程标准和教材的编写都为学生实施科学探究、实现新课程目标创造了条件。另外,科学探究还是重要的教学方式之一,其目的是学生由被动接受知识转化为通过实验探究主动获取知识。实验探究在很大程度上是在课堂教学中再现科学研究的情境,学生在探究中会出现类似于科研的各种失误。本文旨在结合探究性实验教学中的失误和科学研究中的若干失误原因,提出利用实验失误因势利导,逼近真实科研情境,从而加强对学生探究能力和创新能力的培养。
      
      1 理论模型失实
      
      如果从开头就是以一个错误的理论指导着实验,那么得到的东西当然与实际大相径庭。
      在物理探究实验设计中,如果利用学生失误中的器材建立实验模型进行探究,而不是事先将可能的失误结果告诉他们,再通过探究发现模型的错误,有利于学生对建立正确模型及偶然失误的重视。
      一次实验中,一只弹簧秤指针脱落,原来的固定点不易固定,我把它重新固定在弹簧上,固定点上移后,弹簧的可用部分交短,和标准弹簧秤对比,用相同拉力时,伸长量变短,示数变小,重新调零后,用5N的拉力时,它的示数仅为4.5N。
      一次课外活动中,学生探索作用力和反作用力的关系。我将这只弹簧秤和一只标准的弹簧秤放在第一组,其他组同学使用标准弹簧秤。这只弹簧秤经历了8位同学之手。
      结论不出所料,这8位同学竟然得出了和其他同学一样的结论,而且数据吻合得相当“好”。
      总结这次活动时,我当众向同学们展示了这只弹簧秤,重新演示实验,把数据写在黑板上。
      
      牛顿第三定律不成立吗?其他同学啧啧称奇。
      接着,我将事先准备好的两只200克钩码分别挂在这两只弹簧秤上,两只弹簧秤先后读数分别为2.0N、4.0N:1.8N、3.6N。
      我这时才跟大家揭示弹簧秤读数变小的原因,尽管同一次不同弹簧秤的示数不一样,但实际受到拉力是一样的,问题原来在弹簧秤上!同学们恍然大悟。
      这时,有同学低声说,当初我也得到了同样的数据,不过以为是误差。
      在探究的基础上我讲述了科学研究中失误带来的重大发现的故事,使学生产生了浓厚的兴趣。
      例如,约里奥?居里在发现铍辐射通过石蜡而增强时,误把中子认为是质子,他们并不知道卢瑟福已有中子的假说。后来,中子被查德威克发现了。我国著名的物理学家赵忠尧在安德森之前就已经观测到了正电子,但是,他没有能得知1928年狄拉克在处理一个量子力学方程时已预言过正电子的存在,而对自己的观测作了别的解释,错失良机。发现正电子的荣誉1932年被安德森取得,1936年安德森因此获得诺贝尔物理奖。
      最后,我教育同学们,任何定律都是经过大量实验事实得来的,我们当然也不能轻易地根据一组同学的结论否定牛顿第三定律,表示我们不迷信权威;但也不能迷信弹簧秤,认为它是准确的。同时,应认真观察实验现象,分析数据,不忽视任何可疑成分,一些物理学的重大发现就是这样发现的。我们在平时实验就要养成良好的科学习惯,严谨的治学态度。
      
      2 为了测量某个物理量而改变对象或测量条件,造成测量结果的失实
      插座左零右火的探究实验,因为手握的方向等情况不同,学生?;岚沧按?,对此不是教师事先讲得更细,而是让学生探究:右手大拇指向前,其余四指弯曲,做拿插头状――这样人体碰到火线的可能性更小。由此得出结论:
      “三相插座为什么‘左零右火’”一为了安全。
      科研中这类问题很多,对学生有很多启发。
      例如,用电阻感应片测定地底下某处岩层中的地应力,必须打个洞,但利用废旧矿井,测到的仅仅是已经打了井后的应力,而不是原始岩石里的应力。如果是用螺线圈或霍尔片测磁场,当将探测器放进介质的时候,其本身就会改变周围的磁场分布,如果再开一个孔放进去,就更不合理了。
      测量某种介质的温度时,必须考虑温度计本身的热容会对被测介质产生多大影响。如用水银温度计测量空气的比容热,或者是在低温条件下做热学测量时,温度计本身以及样品架、连结线等的热容就不能忽视了。
      把电表接进线路会改变线路中电压、电流的分配,从而使显示的数值并不是原先的结果。最明显的是用普通电表而不用数字万用表去检查电子仪器的线路时,有时会量不到多大电压。观测者以为是元件被击穿了,实际却可能是因电表的内阻太小而电压降到别处去了。
      上述问题,可以用尽量缩小探测仪器体积的办法来解决,如使探测线圈微型化,使用超小型的半导体pn结作为温度传感器的探头;或者是经过计算和修正,把探测孔挖成规则的几何形状,计算温度计本身的热容等;或者是用无损探测方法如用感应式电表测量导线里通过的电流,不必切断电线把电表接进去,还有无损伤超声波探伤、遥感技术等。
      
      3 仪器使用不当
      在进行串联、并联电路功率探究实验中学生手抓灯泡感到烫手,就此提出问题‘‘灯泡为什么要做成葫芦状?”――通过讨论学生知道其至少有如下作用:上面细小是便于装卸,下边球状利于防爆。同时,白炽灯很热,说明其节能的效果不好,进一步学生想到用节能灯实验改进仪器。
      在科研中使用仪器不正确会使测量结果不反映真实状况的例子也很多。
      首先,测量仪器要定期按规定校验,否则,测得的一切数据都将不被承认。
      再者,仪器必须按规定的条件使用,有的电子仪器要求预热或在开机后若干时间使用;有的仪器放置方法有规定,把本应该水平放置的变成垂直放置就会导致测量失实;有的仪器要求屏蔽或用屏蔽线传输;有的温度计要求全部浸入待测介质或者先升温到满量程再进行测量;测低频的仪器去测量高频的对象往往会得到奇怪的结果。
      如果忘了校准仪器的零点或者没有在规定工作点上工作,那么除了通常意义上的测量失实以外,甚至会出现荒唐的结果。忘了接仪器的地线,会导致测量结果的不稳定和不正确,严重的将导致仪器被烧毁。
      使仪器具有明显的对称性是一条很好的准则。如果翻转某些量或是变换两个单元,从实验原理角度不会产生影响,就应当设计实验并进行这样的变换。明显 的例子是惠斯通电桥,桥臂交换后,会发现存在接触电阻的影响。这里再举两个例子。
      假定我们用电位差计来比较两个电阻,但不知道热电效应的影响有多大,设备中明显的对称量是两个电路中电流的方向,如果我们交换电流的方向,看起来平衡点应该不变,但事实会发现并非如此。变换后会发现一些意想不到的现象,其与热电动势有关,对交换前后的平衡点取平均值,就可消除误差。
      测量金属导热系数的一个实验,要测出两个点P和Q之间的温度差△T,假定我们用一对相同的温度计来测量P和Q点的温度对称性,则可告诉我们,对调两支温度计不会对结果产生影响,但实验中仍会发现有影响,这是因为温度计的读数可能有误。如果△T不太大,那仅由一对温度计一次测量的值可能有严重的误差,而交换温度计可以减少误差。
      
      4 测量安排不当
      测量安排不恰当通常达不到预期的结果。
      学生在探索弹力和弹簧伸长的关系时忘记了弹簧的原长,得到的图像不过原点。用单摆测重力加速度时,在一定的时间内计入次数偏多使值偏大。在与学生讨论这些失误时,及时结合科学研究中的类似实例,不仅使学生了解了科研的一些思想和方法,还可激励信心,激发他们今后参与探究的兴趣。
      
      科研中一些经典实验遇到的失误,是带领学生进行实验研究或与学生实验结合的很好实例。例如测量温度时,如果热学系统的温度与环境温度不同,系统内部就会有一定的温度梯度分布。假定不考虑温度计的热容,T1是温度计测得的系统中部的温度,T2是系统表面的温度,Q是环境温度,如果T1,T2高于Q,则T1>T2。如图2(a)所示的装置,会有如图2(b)的沿径向r的温度分布图线。而加上搅拌器后,则有图3所示的温度分布图线。
      
      
      5 采集的数据不反映实际
      有时候,实验是正确的,仪器也正常,但是采集的数据没有反应实际,也得不出正确的结论。例如学生用多用电表探索黑箱内元件时,由于对电表的指针向右偏转对应的电流流向未掌握清楚,而画反二极管,描绘小灯泡的伏安特性曲线时,线路接成了限流电路而使曲线不完整。采用探究实验教学,学生在探究中会遇到更多的挫折,但是在教师指导下最终获得成功,其体验的是与科学家科研相同的感受。
      例如,密立根从1917年到1930年之间发表的电子电量的数值
      e=(4.770±0.005)×10-10C.G.S.E.与比尔登于1931年用X射线法测得
      e=(4.806±0.003)×10-10C.G.S.E.不同,原因是密立根计算时采用的气体粘滞系数有误。
      又如,音色不好的电子琴模仿各种乐器的音色很不逼真,其原因之一是,它的采样波形和频谱虽然是根据原型乐器而来的,但是任何一种乐器低音部分的频谱与高音部分是很不一样的,用同样的波形去再现当然会有不件的效果。
      音量放大时,声音会失真,一个原因是只截取了脉冲信号的前半部,放大后的信号波形仍然与原先的相似,但却损失了原来的幅值和其他信息。
      
      6 减少不确定因素
      在实验的理论方法、环境条件、仪器结构、操作测量等方面,都可能存在由于偶然因素产生的一些涨落扰动,或是一些不能严格确定的系统误差。这些都将构成实验的不确定因素。这些不确定因素往往就成为实验基本误差的主要来源。因此,在实验的设计安排、仪器装置的设计使用以及操作测量过程中,要尽量避免或减少这些不确定因素的影响。
      学生在探究实验开始前,教师仍然是要讲一些注意事项,但探究中的各种失误情况仍然会出现,且比起传统的实验教学要多得多。对此,如何把握探究实验与传统实验的教师指导尺度区别,是要精心考虑的。但学生如果出现了问题,首先不是责怪,而是与学生一起分析查找。这需要教师更细心地准备,和对实验条件更精准地了解。
      通过对科研中减少不确定因素的影响的例子介绍,或启发学生查找材料阅读,使学生重视实验中那些不确定因素,有意识地在探究中注意仪器的正确使用,在遇到实验中的问题时,也可以查找或互相查找。
      下面的例子是我们在教学中常向学生介绍的。
      在地下矿井或山洞里寻找新的宇宙粒子,在低温下做实验以减小分子不规则热运动的影响。一些精确恒温的实验放到山洞里做,或者建立恒温室。
      形成噪声的现象除了量子力学的测不准原理限制外,还有布朗运动、约翰逊噪声、非连续物质造成的干扰。
      布朗运动是空气或液体分子不断地碰撞,会对灵敏元件在平均位置附近发生随机涨落现象。
      教学实践表明,要将探究性实验教学有效、长期开展下去,教师要有对待学生探究中失误的充分思想准备和引导方法,通过科研思想的介绍和比较,通过学生互查、讨论,通过师生共同查找、分析,再升华到理论,被证明是正确的教学思想。

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