在物理实验教学中培养学生创新思维与创造发明能力——以转动定律验证实验为例

在物理实验教学中培养学生创新思维与创造发明能力
——以转动定律验证实验为例

张锐波①

(浙江大学城市学院浙江 杭州310015)

摘 要：本文重点阐述了在验证转动定律实验教学环节中，如何向学生灌输实验设计思想、原理论证、逻辑推理、操作训练与实验技巧，以及提高实验测量精度，减小实验误差，进而培养学生的创新意识与创新思维、创新精神和创造发明能力.

关键词：转动惯量培养创新人才物理实验思想精度能力

收稿日期：(2015-02-11)

作者简介：①张锐波(1959-)，男，副教授，研究方向为大学物理实验技术、创新设计与教学方法研究.

验证转动定律实验是理工科院校大学物理实验教学普遍开设的一个基础性实验项目，经过教师仔细琢磨、系统筹划和研究，通过纵向延伸与横向拓宽，挖掘、剖析实验项目的教学内涵，就可能达到从不同层面培养学生创新能力的独特效果.现介绍如下.

1培养学生物理实验思想

转动定律表述为：转动系统受到的合外力矩等于系统的转动惯量与角加速度的乘积.该实验思路在于，首先，要从平动和转动的联系着手，勾画转动系统受力分析图(图1)，分析理解实验系统外力矩和阻力矩的方向与产生机理，外力矩是外力通过桌子边缘滑轮B施加在转动系统上的，该外力并非mg，而需根据牛顿第二定律列方程来求解；其次，假设转动定律是正确的，根据其列方程；其三，平动与转动是通过平动加速度与转动系统的角加速度联系起来的；第四，平动是合外力作用下系统产生平动加速度，转动是合外力矩使系统产生转动角加速度.上述可获得转动系统转动惯量计算公式，分别测量系统(载物)和空载转动惯量，根据同轴转动惯量叠加原理计算待测物转动惯量，并与理论值比较，若符合，即可倒推证明转动定律是正确的.

图1　转动系统受力分析图

教师通过对上述实验思路讲解，来培养学生的实验能力，启示学生从深层次弄清实验原理，建立数学模型和找到操作依据，避免了盲目动手、机械地攫取数据，从而加深对基本概念的理解和掌握.这样一种讲解方法，有利于提升学生自主分析、判断和解决实际问题的能力，因为科研人员的灵感和顿悟多数来源于类比.

2提高物理实验测量精度

提高物理实验的测量精度，是保证科学实验的关键环节.抓住这个环节，就可以培养学生的创新思维与创造发明的能力.下面我们以转动定律的验证实验为例来说明上述判断.

测量圆环、圆盘转动惯量和验证平行轴定理是验证转动定律的3个主要实验内容，每次实验中总会有少数学生所测数据与理论值相符率超过10%甚至20%.基于此，作为教师应该教会学生学会查找导致误差的原因与误差类型.

2.1实验装置的系统误差

2.1.1转动轴与几何主轴不重合

转动惯量测量实验仪的转动轴与几何主轴不重合，是造成转动惯量实测值偏大的主要原因之一，是测量中无法避免的未定系统误差，这点应该向学生讲明白.

2.1.2传动滑轮带来的误差

外力(砝码与挂钩)引线通过中间传动滑轮B再绕于转动系统轮C上，由于传动滑轮B轮轴处的摩擦以及其本身的质量m0和半径r0的存在，而造成传动滑轮B两边绳子张力不同，即T1与T2不严格相等.依据

(1)

(2)

由式(1)、(2)得

(3)

2.2实验过程的理论方法误差

根据推导出的转动惯量计算公式

2.3系统轴倾斜与牵引线不水平带来的误差

由于底座没有调平标志——玻璃水泡，故无法判断转动系统是否铅直，轮轴与转轴若相互挤压，难免会带来转动不均匀，造成摩擦力与阻力增大而产生误差.为避免该误差产生，学生实验时，可借助水平尺对底座进行调平.

转动滑轮B与系统绕线轮C间的连线不水平也会带来误差.实验时传动轮B槽底与系统绕线轮C要保证水平，线绳也应顺着槽的方向，否则，外力引线将会产生向上或向下的分力，从而造成外力矩减小，角加速度β减小，导致转动惯量增大，尽管该误差对测量结果影响不大，但也应向学生分析.

2.4粗大误差的剔除

若学生实验所测得的转动惯量与理论值高度不符，多因粗大误差造成，基于此，教师一定要引导学生认真分析、检查，比如角减加速度β′代入公式计算时，该值应为负值，否则，会得出大相径庭结果，从误差类型来看应属粗大误差，故应剔除.

产生误差的原因有很多，作为教师一定要向学生灌输物理实验过程中产生误差的原因与消除误差的方法，帮助学生提高实验精度，无需一一剖析，教学的方法上，可向学生提问、留作课后思考，或关键环节提示性讲解，以实现培养学生能力上的最佳效果.

3扩展教学内容培养学生创新思维与创造力 开拓学生视野

依据厂家设计思想，这套实验仪器只能测圆盘、圆环转动惯量和验证平行轴定理，教学过程中应尽力拓展实验内容，提升学生创造力，教师可向学生提出测量某一任意形状物体围绕任意轴的转动惯量，可留给学生课外思考，要求学生提出实验思路和设计方案.这样做非常有利于培养学生分析和解决实际问题的能力，教学效果显而易见.

4结论

验证转动定律实验教学可获得如下效果：

(1)培养学生用倒推法解决实际问题的能力；

(2)让学生学会发现实验误差产生的原因和减小误差的方法；

(3)有利于开拓学生视野，启发学生思考，促使学生创造思维的形成；

(4)有利于挖掘与汇聚学生创新思维和规划实验方案，启迪学生智慧；

(5)有利于向学生灌输物理实验设计思想、研究问题的思路，促使学生融会贯通，帮助学生快速成才.

由此可见，若精心设计并适当引导，通过一个实验也可点滴地培养学生创新思维与发明创造能力.积少成多，幼苗就可能成大树.

TrainingStudents′InnovativeThinkingandTheirCreative

andInventiveAbilitiesinPhysicsExperimentTeaching

ZhangRuibo

(CityCollege,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310015)

Abstract:This paper focuses on the moment of inertia in the experimental teaching, how to impart the thought, the design principle of logical reasoning, skills training and improve the measurement accuracy, decrease the measurement error, so as to culture the students′ of innovative thinking, innovative consciousness, innovative spirit and creative ability, this will only encourage with the reader.

Keywords:rotationalinertiaexperiment;culture;innovativetalents;thoughtofphysicalexperiment;precision;capability