基于培养研究型创新能力的大学物理实验教学探索

刘宇 徐江龙 刘宁 何玉平 聂招秀

[摘 要]当前大学生参与创新训练计划及学术科技作品竞赛等项目日趋盛行，结合大学物理实验实践性课程的特点，文章开发一种非称重实验方法，并自制简易滑轮装置来精确测量螺帽质量。通过引导学生设计非称重法测量质量的实验方案并自制仪器，极大地调动学生学习物理的积极性，培养学生的研究型思维能力和创新能力，且有利于提高大学物理实验教学质量。

[关键词]研究型;创新能力;自制仪器

[基金项目]2018年11月南昌工程学院教学改革研究课题“研究型随堂演示实验在大学物理教学中的应用与探讨”（2018JG042）;2017年11月南昌工程学院教学改革研究课题“大学物理演示实验开放模式的探讨与实践”（2017JG048）;2019年12月南昌工程学院“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛项目资助“基于无粘结剂一体化电极的水系超级电容器”（201947）

[作者简介]刘 宇（1985—），男，江西万载人，博士，南昌工程学院理学院讲师，主要从事大学物理及大学物理实验教学与研究。

[中图分类号] G434 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）47-0-02 [收稿日期] 2020-05-27

一、引言

如何全面提高教学质量这一核心任务，培养学生的综合素质尤其是创新能力，是各高校面臨的迫切问题[1]。物理学是一门以实验为基础的学科，是学生进行科学实验训练的基础，对培养学生创新意识和创新能力起着不可替代的作用[2]。实际基础实验教学中，本科学生很难接触到科研项目，但借助大学生创新训练项目及课外学术科技竞赛等，参与成员能对科学问题的研究方法、思路方案及流程等方面有一个深入的了解，同时学生能够参与设计并自制实验仪器装置，一定程度上培养自己的研究型创新能力和实践动手能力[3]。

本文以带领学生参加江西省大学生物理创新大赛开放实验试题为例，开发一种非称重实验方法，通过全程参与设计及自制仪器，激发学生学习物理的积极性，培养学生的研究型思维能力、创新能力和实践动手能力。

二、实验要求

使用自制非称重简易装置以及米尺、游标卡尺，秒表三种可测量数据的仪器，自行设计一种非直接称重装置，用实验方法测量出待测螺帽质量。自制装置不得自带任何称重仪表（包括弹簧秤、天平、压力传感器等可直接显示质量的表盘），可以自带已知质量的物体（如砝码等）。要求写出相关的实验原理和测量方法，自拟数据处理方法算出螺帽质量。

三、实验思路

在上述的要求中，我们需设计一个简易方便测量数据和计算的一个实验，保证在误差允许的范围内测量出螺帽的质量。考虑到待测物体为质量较小的螺帽，自制弹簧的劲度系数难以保证测量精度，而排水法和简谐振动周期法则需要较复杂的仪器装置和较长的实验时间。因此，我们团队采用自制简易滑轮装置来有效测量出螺帽的质量。

四、实验过程

（一）实验仪器

支架（铁架台）、滑轮、细绳、米尺、秒表、已知质量的砝码若干、待测螺帽。用支架和滑轮组装成如图1所示的自制仪器装置，该装置底部相对稳定，顶部两根螺栓可调节滑轮的高度和滑轮的长短，整体装置简易、组装起来相对容易。

（二）实验原理及方法步骤

1.根据力学知识可知力与加速度有关，利用该滑轮装置使物体从合适高度落下，用米尺量出靠近滑轮物体底端到地面的竖直距离h。选取长度合适的细绳跨过滑轮，两端分别固定物体（砝码和待测螺帽），固定好后一只手拿着秒表，另一只手将较轻一端紧贴地面，保持细绳直立，待装置整体稳定。此时放开按住物体的手的同时另一只手开始用秒表计时，待物体下落地面立即暂停计时，所用时间为t。这样我们就可以求得物体下落的加速度a=2h/t2（物体下落过程中忽略空气阻力影响）。但是滑轮与细绳之间存在摩擦，产生阻力矩，并且滑轮本身的转动惯量也会影响实验的准确性，因此还要考虑这些因素的影响。所以我们须求出滑轮本身的转动惯量J以及摩擦阻力矩N。

2.由上述方法分析可知，我们要先用已知质量砝码进行求解J和N。如图2实验原理示意图所示。

假设m0=20g，m1=10g，通过上述方法多次实验（减少误差）可得每次的加速度，取加速度平均值为a1。由牛顿第二定律和刚体定轴转动定律可得：，令A=，B=，将A，B两个系数带入到上述式子当中，可得等式：

3.在第2步过程中我们已经求出滑轮本身的转动惯量和摩擦阻力矩，随后将对实验提供的螺帽进行测量。保持m0不变，在实验前将待测螺帽与m0进行简单的定性比较，可将待测螺帽和m0分别与细绳固定，放到滑轮上两端进行观察哪端下落，由此快速判断待测螺帽与m0的大小关系，同理可用不同质量的砝码与待测螺帽进行比较从而简单判断待测螺帽的质量范围。

4.若mx>m0，则（mx-m0）g-Aa3-B=（mx+m0）a3，代入已知A，B，求得mx=，若mx

五、实验结论

通过上述方法求出待测螺帽的质量，与螺帽实际质量对比，算出实验误差，在误差允许的范围内可认为准确测量出螺帽的质量。对于用滑轮法来测量螺帽的质量，在既满足实验要求的前提下，设计的非称重装置简便易组装，实验原理简单，过程简洁明了，能够较快地测量出螺帽的质量，测量准确性高且具有普适性。本文自制仪器非称重法荣获2019年江西省大学生物理创新大赛开放实验一等奖。

六、结语

南昌工程学院大学物理省级实验教学示范中心以社会对人才需求为背景，从研究型人才的培养目标出发，探索创新研究型教学模式。通过全程参与设计及自制仪器，重在培养学生的研究型思维能力、创新能力和实践动手能力，我们将不断提高教学质量，使大学物理实验在培养创新人才方面发挥更大作用。

參考文献

[1]王锐柯，阮扬，赵雅诗，等.大学生创新实验项目对促进自身能力培养的几点认识[J].科技风，2019（26）：218+220.

[2]朱盼盼，王旗.以创新能力培养为目标的大学物理实验教学改革[J].大学物理实验，2017，30（3）：146-148.

[3]武栎楠，杨昌海，张召.大学生开放创新实验实践与探索[J].高教学刊，2018（9）：44-46.

Abstract： At present， college students' participation in innovative training programs and academic science and technology works competitions is becoming more and more popular. Combined with the characteristics of the practical course in college physics experiments， this paper develops a non-weighing experiment method and a self-made simple pulley device to accurately measure the quality of nuts. By guiding the students to design the experiment scheme of non-weighing method to measure the quality and to make the instruments themselves， the enthusiasm of the students to study physics is greatly aroused， the research-oriented thinking ability and innovation ability of the students are cultivated， and the quality of college physics experiment teaching is improved.

Key words： research-based; innovation ability; self-made instrument