把測量性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為探究性實(shí)驗(yàn)

鄧鋰強(qiáng), 朱偉玲

(廣東石油化工學(xué)院 理學(xué)院，廣東 茂名 525000)

把測量性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為探究性實(shí)驗(yàn)

鄧鋰強(qiáng), 朱偉玲

(廣東石油化工學(xué)院 理學(xué)院，廣東 茂名 525000)

把惠斯登電橋測電阻實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為探究性實(shí)驗(yàn)，具有了一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的雛形, 可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入研究問題的情境中,達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的，形成與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相互銜接的實(shí)驗(yàn)體系。

創(chuàng)新能力； 探究性實(shí)驗(yàn)； 測量性實(shí)驗(yàn)； 惠斯登電橋； 非平衡電橋

大學(xué)物理課程是一門自然科學(xué)基礎(chǔ)課，在為學(xué)生打好科學(xué)基礎(chǔ)、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新潛能中具有重要的地位[1-2]。通過學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程，學(xué)生不僅可以獲得進(jìn)行科學(xué)思維、科學(xué)分析和科學(xué)計(jì)算的基本能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課作為一門全校公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，其涉及的學(xué)生面最廣，對(duì)全面培養(yǎng)和提高大學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，具有很現(xiàn)實(shí)的教學(xué)意義[3]。

1 將測量性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為探究性實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是介于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際科學(xué)實(shí)驗(yàn)之間的、具有對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)全過程進(jìn)行初步訓(xùn)練特點(diǎn)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的延伸，它具有綜合性、典型性、探索性等特點(diǎn)，要求學(xué)生要靈活、綜合地運(yùn)用所學(xué)的物理以及相關(guān)學(xué)科的知識(shí)和技能，通過查閱有關(guān)資料，啟迪學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性思維，設(shè)計(jì)出具有個(gè)性構(gòu)思的實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，正確選擇實(shí)驗(yàn)儀器，還要能獨(dú)立地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并在實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)方案的正確性與合理性。

各校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系形式雖不盡相同，但都主要包括3個(gè)層次。我校工科專業(yè)的普通物理實(shí)驗(yàn)課程分為一級(jí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、二級(jí)綜合實(shí)驗(yàn)和三級(jí)設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)3個(gè)層次。一級(jí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要訓(xùn)練學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)方法、基本儀器的使用、數(shù)據(jù)處理能力等；二級(jí)綜合實(shí)驗(yàn)的主要目的是激發(fā)學(xué)習(xí)欲望，培養(yǎng)綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?；三?jí)設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)和提高大學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

我國高校剛?cè)胄５拇髮W(xué)生,由于應(yīng)試教育的原因,缺乏實(shí)踐動(dòng)手能力的鍛煉,因此基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)雖然實(shí)驗(yàn)方法單一,但這些實(shí)驗(yàn)對(duì)于讓學(xué)生掌握一些基本實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法、基本的測量方法以及基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練,加深對(duì)物理概念、規(guī)律的理解都有很大幫助,目前來看也是應(yīng)該開展的。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過程中，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)往往仍采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)儀器由實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員提前備好，實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生被動(dòng)地在有限的時(shí)間內(nèi)按照規(guī)定好的步驟與方法進(jìn)行，然后計(jì)算結(jié)果。學(xué)生這種機(jī)械性的模仿，勢必影響他們的想象力和創(chuàng)新性的拓展。而到了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)部分，則對(duì)學(xué)生提出較高的要求，“自主查閱參考資料，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自選與組裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備，自擬實(shí)驗(yàn)操作步驟”，從前面的傳統(tǒng)教學(xué)模式直接過渡到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的要求，跨度太大，學(xué)生很難適應(yīng)。因此，建立一個(gè)與學(xué)生認(rèn)知能力相適應(yīng)的、系統(tǒng)化的，由易到難、循序漸進(jìn)、相互銜接的實(shí)驗(yàn)體系顯得尤為重要。

將部分測量性、驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)改為探究性的實(shí)驗(yàn),在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)盡可能創(chuàng)設(shè)問題情境,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入探索、研究問題的情境中,變依賴思想為探索精神,使學(xué)生處于一種主動(dòng)探索知識(shí)的興奮狀態(tài),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新精神，形成與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相互銜接的實(shí)驗(yàn)體系[4-7]。

本文對(duì)一個(gè)測量性的惠斯登電橋測電阻實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)為既有傳統(tǒng)的培養(yǎng)學(xué)生掌握電橋的使用方法、實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練,加深對(duì)電橋的測量原理的理解，又有一定的探究性質(zhì)，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，為后面正常開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

2 非平衡電橋測量電阻

惠斯登電橋的電路如圖1所示，4個(gè)電阻R1、R2、R0、Rx連成一個(gè)四邊形ABCD，每個(gè)邊稱作電橋的一個(gè)臂。在四邊形的對(duì)頂點(diǎn)A、C端加上電源E，對(duì)頂點(diǎn)B、D端聯(lián)上檢流計(jì)G。所謂“橋”是指2條對(duì)角線而言，它的作用是利用檢流計(jì)將“橋”的2個(gè)端點(diǎn)的電位直接比較。當(dāng)B、D 2點(diǎn)電位相等時(shí)，檢流計(jì)中無電流通過，稱電橋達(dá)到平衡。

圖1 惠斯登電橋

在圖1的電橋電路中，運(yùn)用基爾霍夫定律，可以計(jì)算出流過橋路BGD的電流Ig為：

(1)

式中，UAC為AC間的電壓，Rg為檢流計(jì)的內(nèi)阻。當(dāng)電橋平衡時(shí)，Ig=0，由(1)式可得：

(2)

如果R1、R2、R0均已知(或R0和比率R1/R2已知)，則當(dāng)電橋平衡時(shí)，由(2)式可求出Rx。電橋是用比較法測電阻的儀器，公式(2)表明，電橋拿未知電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻相比較，由檢流計(jì)示零來判斷電橋平衡，對(duì)電源的穩(wěn)定度要求不高，只要檢流計(jì)足夠靈敏，用標(biāo)準(zhǔn)電阻作橋臂，被測電阻Rx就可達(dá)到同其他橋臂同樣的精度。這2個(gè)特點(diǎn)使電橋成為準(zhǔn)確測量電阻的儀器[8-9]。 若Ig≠0，由(1)式可知，在電阻R1、R2、R0和電壓UAC均為定值的情況下，電阻Rx與橋路電流Ig具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因而可以用Ig的大小來量度待測電阻Rx。這種在非平衡狀態(tài)下使用的電橋稱為非平衡電橋。

從(1)式可知，在電阻R1、R2、R0和電壓UAC均為定值的情況下，Ig與Rx并不是正比關(guān)系，也就是Ig與Rx是非線性關(guān)系。設(shè)當(dāng)待測電阻為Rx0時(shí)，調(diào)節(jié)電橋平衡，平衡電阻為R0。當(dāng)待測量電阻在Rx0值附近有較小改變時(shí)，即Rx=Rx0+ΔRx，電橋不平衡，由(1)式可得：

(3)

當(dāng)ΔRx?Rx0時(shí)，Rx≈Rx0，由(3)式可得：

(4)

可見，當(dāng)ΔRx?Rx0時(shí)，Ig與ΔRx成正比。

利用非平衡電橋測量電阻，通常是根據(jù)測量的需要先選定電阻R1、R2、R0和電壓UAC的數(shù)值，如圖2所示，對(duì)電橋進(jìn)行定標(biāo)，即用一電阻箱取代待測電阻Rx，測繪Rx—Ug關(guān)系曲線。當(dāng)測量待測電阻時(shí)，讀出電壓表的示數(shù)Ug，便可在Rx—Ug關(guān)系曲線上查出Rx數(shù)值[10-12]。本文采用另一種方法測量電阻，如圖1所示，測繪出Rx—Ig關(guān)系曲線作為定標(biāo)曲線。當(dāng)測量待測電阻時(shí)，讀出檢流計(jì)的示數(shù)Ig，便可在Rx—Ig關(guān)系曲線上查出Rx數(shù)值[9]。

圖2 非平衡電橋

非平衡電橋在非電量測量中有著廣泛的應(yīng)用。運(yùn)用傳感器可以將位移、壓力、溫度等非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚担龠\(yùn)用非平衡電橋的橋路電流或電壓來顯示這些非電量的數(shù)值，以實(shí)現(xiàn)用電測方法來測量非電學(xué)量的目的[9，12]。

3 改惠斯登電橋測電阻實(shí)驗(yàn)為探究性實(shí)驗(yàn)

目前我國高校開設(shè)的惠斯登電橋測電阻的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，大都是自組電橋測量電阻和用箱式電橋測量電阻[13-14]，是測量性實(shí)驗(yàn)，是讓學(xué)生掌握電橋的使用方法，訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)技能,加深對(duì)電橋的測量原理的理解，但對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有限。

因?yàn)樽越M電橋測量電阻和用箱式電橋測量電阻本質(zhì)上是一樣的，只做其中之一就可以達(dá)到讓學(xué)生掌握電橋的使用方法、實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練,加深對(duì)電橋的測量原理的理解的目的。所以在實(shí)驗(yàn)的第一部分，只要求學(xué)生用箱式電橋測量電阻，將實(shí)驗(yàn)的第二部分改進(jìn)為非平衡電橋測量電阻。在學(xué)生完成箱式電橋測量電阻后，提示學(xué)生：惠斯登電橋測量電阻是在電橋達(dá)到平衡時(shí)得到測量值，如果電橋不平衡，能不能測量電阻呢？先讓學(xué)生進(jìn)行思考，然后做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但由于學(xué)生事先沒有做準(zhǔn)備，通常不能得到完善的解答。教師再做一定的提示，要求學(xué)生按下列的步驟測量：

(1) 按圖1連接箱式電橋，把一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻箱作為待測電阻Rx。Rx調(diào)為5 000 Ω，倍率調(diào)為K=1，調(diào)節(jié)電橋平衡，此時(shí)R0=5 000 Ω。保持R0=5 000 Ω不變，電壓UAC=3 V不變，改變電阻箱電阻Rx，使檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)到各整數(shù)小格，讀出對(duì)應(yīng)的電阻箱讀數(shù)Rx，所得數(shù)據(jù)如表1。在直角坐標(biāo)紙上測繪出Rx—Ig關(guān)系曲線，如圖3所示，可見，當(dāng)Rx改變較小時(shí)，Rx與Ig基本成正比。

表1 Rx—Ig數(shù)據(jù)

表1(續(xù))

圖3 Rx—Ig曲線

(2) 改變電阻箱阻值為4 940 Ω、4 970 Ω、5 030 Ω、5 060 Ω，作為待測電阻，測量出此時(shí)檢流計(jì)的偏轉(zhuǎn)格數(shù)。要求學(xué)生課后研究如何根據(jù)Ig得到待測電阻的阻值，與電阻箱標(biāo)準(zhǔn)值比較，求出百分差。根據(jù)圖3得到的結(jié)果如表2所示，可見，當(dāng)Rx變化不大時(shí)，用非平衡電橋測量的電阻值誤差也比較小。

表2 非平衡電橋測量電阻

(3) 要求學(xué)生課后查找資料，得到測量的原理及數(shù)據(jù)處理的方法，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上完成原理設(shè)計(jì)及計(jì)算，研究非平衡電橋的實(shí)際應(yīng)用。為了引起學(xué)生的重視，特別強(qiáng)調(diào)這部分內(nèi)容占實(shí)驗(yàn)成績的50%，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上詳細(xì)寫出，要達(dá)到一定的篇幅要求。

4 結(jié)論

惠斯登電橋測量電阻實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，具有了一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的雛形,在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)創(chuàng)設(shè)問題情境,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入探索、研究問題的情境中,變依賴思想為探索精神,使學(xué)生處于一種主動(dòng)探索知識(shí)的興奮狀態(tài),可以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的目的，形成與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相互銜接的實(shí)驗(yàn)體系，為后面正常開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

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Improving measurement experiments to exploration experiments

Deng Liqiang，Zhu Weiling

(School of Science，Guangdong Institute of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China)

This paper discusses how to improve the experiment of measuring resistance with Wheatstone bridge to the exploration experiment. It has had a number of prototypes of the designing experiment, can guide the students to enter the situation of studying a problem, achieve the purpose of training students innovation ability, and has formed the experimental system which can interrelate with the designing experiment.

innovation ability; exploration experiment; measurement experiment; Wheatstone bridge; unbalanced bridge

2015- 02- 11 修改日期：2015- 05- 06

鄧鋰強(qiáng)(1970—)，男，廣東茂名，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榇髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器改良與創(chuàng)新應(yīng)用研究.

E-mail：dlq8847@sina.com

TM938.42；G642.0

A

1002-4956(2015)8- 0170- 03