【正文】 廣東技術師范學院本科畢業(yè)論文（設計）30 高溫電阻絲長度測量方案 方案一，當測出高溫電阻絲在不能拉伸的情況下，可以用一下幾種方法求出：只要先求出的密度，便可得知高溫電阻絲的長度為： 2 4 m m l S d    （）式中 S 是高溫電阻絲截面積，等于 2 / 4 d ，d 是高溫電阻絲直徑。如圖 ： 高溫細絲的衍射圖 當 2 d L   時為夫瑯和費衍射,觀察屏上光強分布為: 2 0 2 sin(sin /)(sin /)d I I d       （）當 sin , 1, 2 k d k k      時出現(xiàn)暗紋，設第k 級暗紋離光軸的距離為 k x，由 , k x L  則有： k kL L d x S    （）式中：S 為衍射暗條紋間距，d 高溫電阻絲直徑，L 為高溫電阻絲距觀察屏的距離。測得 可進一步測出待測高溫電阻絲長度。此法可與其他方法進行比較。方案四：比重瓶法 用比重瓶測密度在一些教材中有敘述，密度測量公式為： 3 1 3 4 m m m m      液（）式中 1 m 為盛滿液體后比重瓶和液體總質量，稱出一段高溫電阻絲(質量 3 m)投入比重瓶，比重瓶、高溫電阻絲及液體總質量為 4 m。方案三：利用彈簧稱量法 將高溫電阻絲掛在彈簧上(勁度系數為k)，高溫電阻絲在空氣中和在液體中引起彈 簧伸長量分別為h 和 1 h 根據胡克定律，彈簧伸長量的變化反映出的浮力大小為 k(h1 h)，由阿基米德原理有： 1()Vg k h h    液（）由胡克定律有： 廣東技術師范學院本科畢業(yè)論文（設計）28 mg k h （）由(7)式、(8)式有： 1 m h V h h      液（）用這種方法測密度，要求彈簧選擇合適，使伸長量易于測量。 m m V V M M   （）高溫電阻絲密度為： 1 1 39。 V 為 1 39。 m 為吊具懸于液體中的稱 量， 空 為空氣密度(已知)。 1 m 為高溫電阻絲懸掛在液體中連同吊具的稱量，39。39。如果考慮空氣浮力和吊具質量時，由阿基米德原理不難得出 39。同時該實驗在一定程度上體現(xiàn)了力學和電 學實驗的綜合，提高動手和思維的能力。3．電阻的測量方案也不是唯一的。對于可以拉直的高溫 電阻絲來說長度可以直接利用儀器測出來，對于螺旋彎曲不能拉直的高溫電阻絲，必須 通過測密度、質量、截面積才能間接得到長度。其中，R 表示高溫電阻絲的電阻，S 表示高溫電阻絲的很截面積，L表示 高溫電阻絲的長度。 廣東技術師范學院本科畢業(yè)論文（設計）26 5 高溫電阻絲電阻率測量設計性實驗的分析與研究 實驗目的 本實驗是對鐵鉻鋁高溫電阻絲電阻率大小的測量，在做實驗之前，先查閱資料，回 顧已有的知識，自己設計出可行而且合理的實驗設計方案。常規(guī)的實驗學生對老師產生了依賴心理，而在設計性實驗中，學生明 白要完成一個好的實驗課題，他們就必須認真的查閱資料，確定實驗課題，仔細觀察實 驗現(xiàn)象，分析實驗結果，老師只是在學生遇到困難的時候適當的指點，要求學生自己去 探索，設計性實驗不怕失敗，我們注重的是實驗中探索過程。不管實驗結果成功與否，教 師都要對其進行鼓勵，讓學生體會到探索的過程的艱辛，同時感受到設計性實驗帶來的 成就感。電路中的電阻、電感也可選用其他合適的值。分析原因可能是在測量時很難在示波器中得到穩(wěn) 定的波形，在調節(jié)斤使兩信號位相相反時就很難調出精確的測量需要的波形，然后也無 法使屏上精確顯示為一條直線，因此造成較大誤差，這里還需要在以后的學習中想辦法 大學物理實驗中設計性實驗的研究 25 改進。 實驗所用器件 雙蹤示波器、信號發(fā)生器、電感、電容若干、電阻若干、可調電容、電阻箱 實驗分析與總結 學生在實驗操作過程中可能會遇到一些難題，教師在此期間要發(fā)揮引導的作用，鼓 勵學生自己動腦，自主探究，分析問題，提高學生的動手能力。方案三： ，在調節(jié)信號發(fā)生器的頻率的同時觀察電容兩端電壓的變化，當 調到某一頻率時，電壓為最大，測得這個最大值及信號的周期或頻率，根據LC 諧振回 路的諧振頻率 1 2 f LC   或 2 T LC  ，可求得 2 2 1 4 C f L  （） 方案四： 電容 / dq idt i C du du du dt   ，在 du dt 最大時，i 最大，所以測得流過電容上電流的最 大值，即測出電阻兩端的電壓峰—峰值 pp V 及電容兩端電壓的最大變化率，便可求出 / 2 / pp V R C du dt （）方案五： 廣東技術師范學院本科畢業(yè)論文（設計）24 電容上電流與電壓的相位差 1 1/ C tg R      若已測出 t ，則 1 1/ C t tg R         則 1()C R tg t     （）方案六： 示波器掃描處于“關”的位置，用信號發(fā)生器的信號先后輸入X、Y軸輸入端，調節(jié) 增益，使兩輸入端顯示的信號幅度相等，并且等于顯示屏寬度的一半左右，待測電容C 于一個電阻箱R串聯(lián)后接于信號發(fā)生器的輸出端，R兩端接Y軸輸入端，C 兩端 接X軸輸入端。 實驗方案 學生在自主選題以后，開始復習原有知識，回顧已經做過的基礎實驗，查閱相關資 料，進行猜想提出假設，設計實驗方案。 廣東技術師范學院本科畢業(yè)論文（設計）22 4 利用示波器測量電容的設計性物理實驗例子介紹 實驗目的 本實驗介紹利用示波器測量電容大小的設計性實驗，在測量電容時，我們經常用到 的是交流電橋法，交流電橋是電容測量中精度最高的儀器。設計性物理實驗室的場地的選擇、臺桌的布置、水電及各通信線路的布置、文化氛 圍的創(chuàng)設及展示成果窗的布置等均要體現(xiàn)設計性物理實驗的特點，設備的購置既要顧及 基本物理量的測量所需，又要顧及設計性物理實驗的特殊性。所以師資的參與和配備對設計 性物理實驗的進行起著至關重要的作用。2．編寫講義和教材 教材編寫由各高校根據本校專業(yè)特點、實驗室的結構分布、場地情況及儀器設備情 況組織教師結合教學大綱有針對性地編寫，使之有較強的地方性和適應性。該體系的形成主要涵蓋以下兒個方面的內容。因而設計性 物理實驗的實旌，客觀地要求教師和學生充分地發(fā)揮主體性而去自主實踐和積極創(chuàng)造。5．總結階段 最后在整個實驗完成后，學生寫出實驗報告與實驗心得，教師通過與學生討論，發(fā) 現(xiàn)實驗過程的優(yōu)點與不足，通過與較好實驗方案的比較，拓展學生的思路，使學生發(fā)現(xiàn) 實驗中那一個環(huán)節(jié)較薄弱，進行針對性的學習而帶入下一次的設計性實驗。4．確定設計實驗 一個實驗方案，如果理論和初步實驗檢驗都證明是正確可行的，那么，這個方案就 可被確定為實驗實施方案。對實驗方案進行論證，有兩個方面：一是理論論證，理論論證是要論證 實驗方案是否具有科學性、合理性和可行性，理論論證的重點是實驗原理和實驗方法，因為只有這兩者正確，才有成功的希望；二是初步實驗檢驗論證，初步實驗檢驗論證是 要論證方案具有切實可行性，并從初步實驗中發(fā)現(xiàn)方案擬定過程中沒有考慮到的漏洞而 及時修正。較好的資料儲備才能開闊視 野，較好的符合設計實驗的三條原則。2．搜索資料并初步分析 在實驗研究的目的、要求和任務明確后，首先要做的事情，就是搜索資料并初步分 析，為進行實驗設計準備資料，既是收集資料的過程，又是調查研究的過程。 大學物理實驗中設計性實驗的研究 19 設計性物理實驗設計的基本過程 在教學中，一個設計實驗的完成有一整套完整的流程，按步驟完成實驗教學，才能 起到設計性實驗的教學作用，讓學生從中受到科學訓練和創(chuàng)新性啟發(fā)。(3)對實驗教師的業(yè)務素質要求也要提高 由于學生的設計性實驗方案實驗教師不一定非常熟悉，教師要回答清楚學生實驗中 出現(xiàn)的各種問題，首先必須提高自已：的專業(yè)水平?；?于此，學校需要重視設計性實驗教學，加大經費投入力度，這樣才能確保設計性實驗教 學的繼續(xù)進行。但是由乎 實驗條件和教師本身的原因，我們的設計性實驗依然有很多的不足：(1)經費緊張，開設設計性實驗次數有限 很多學生要求多開設計性實驗，由于設計性實驗每一個實驗方案所需的實驗儀器不 同，考慮經費問題，購買的儀器數量也有限。通過嚴格寫作訓練，初 步培養(yǎng)了學生科學實驗的思維方式，使他們基本掌握了實驗型論文的寫作模式，為即將 開始的畢業(yè)論文和畢業(yè)設計做了一次很好的基礎訓練。實驗過 程教師主要起指導作用。(3)開放的實驗室：除常用實驗設備外，根據學生開題報告的實驗要求，實驗室還 需提前準備好儀器設備，然后開放實驗室，供學生完成實驗。(2)實驗方案的撰寫：選題擬定后，學生查閱并整理文獻資料，根據實驗室現(xiàn)有實 驗設備和條件擬定詳細的實驗方案，包括實驗原理、實驗設備、詳細的實驗步驟與實驗 方法、實驗進度安排等，其中需要詳細列出所需實驗儀器名稱。比如，我們給出阿貝成像 原理和空間濾波、制做全息光柵、光柵衍射與光柵單色儀、偏振光的產生和檢驗、勞埃 德鏡干涉題目，并告知實驗室條件和實驗儀器。 解決問題的辦法 為了避免以上兩個問題，我們不再對理工科學生開設較高層次的設計性實驗，而是 對物理專業(yè)的學生開設了選題更廣泛、實驗器材更先進、更加貼近前沿科學的設計性實 驗。(2)實驗器材達不到學生的要求。隨著學生人數的增加，教師不可能有精力來審閱全部的實驗方 案。在實際的 實驗開發(fā)過程中，我們發(fā)現(xiàn)開設此類實驗具有以下的困難：(1)教師沒有辦法審閱全部的實驗方案。學生要在查找和閱讀參考材料的基 礎上回答這些問題，才能搞懂有關原理并自行擬出實驗步驟來實現(xiàn)該實驗的要求。計算機在科學研究、自動控制、信息處理和日常生活中的使用越來越廣泛，這是必然趨勢，物理實驗教學的改革一定要 適應這個趨勢 【6】。例如美國，他們平時的實驗教學采用的形式就與我們的設計性實驗 課的形式類似。所以，我們應該明確當前國內實驗教學改革的動態(tài)，在原有的 基礎上，不斷開發(fā)和研究新的實驗內容和實驗裝置，加大經費的投入，爭取讓更多的學 生受惠，這是今后實驗教學努力的工作方向。例 如，中國科技大學的大學物理實驗內容除了按傳統(tǒng)分類法分成基礎物理實驗一、二和近代物理實驗以外，還另增開了設計性實驗模塊 【4】。我們需要開設能綜合運用學生 所學的物理知識，把主動權交給學生讓學生自行設計和實施的實驗課程，即設計性物理 實驗。傳統(tǒng)的大學物理實驗課 程分為普通物理實驗和近代物理實驗，普通物理實驗又被分為力、熱、光、電四個部分，各部分的內容相對獨立，并且只是簡單的數據測量和驗證理論。這些對高層次的大學 教育提出了新的要求，即改變以往的實驗課內容和教學方法，開設以設計性為主的實驗 課程。要 培養(yǎng)高素質的具有創(chuàng)新能力的科學研究與應用型人才，必須讓學生學會從實踐中發(fā)現(xiàn)問 題、解決問題和將已有的知識運用到實際中去。在日益成熟的市場經濟中，創(chuàng)新已成為我國中小企業(yè)健康快速成長 廣東技術師范學院本科畢業(yè)論文（設計）16 的核心推動力，創(chuàng)新更是一個國家的綜合國力的體現(xiàn)。但能同時滿足上面三條的實驗設計方案是很困難的，在實際設計中要找到三條原則 完美集合點，統(tǒng)籌兼顧，反復論證才能得到一個較好的設計實驗。操作貫穿于實驗研究的整個過程。選取什么樣的研究方法進行實驗設計是必須考慮 的，一個最佳的實驗設計，就是既能達到目的又能擁有最簡化的步驟，最簡單的儀器，既能節(jié)省人力、物力和時間，又能獲得正確而理想的預期科學結果。 大學物理實驗中設計性實驗的研究 15 3 設計性物理實驗的開設與實施 設計性物理實驗設計的原則 實驗的可行性 實驗的可行性包含三個方面，首先要擬定實驗方案，并且論證方案的可行性，方案 可行以后選取實驗器材；選取實驗器材時一定要考慮它們的可同時還要考慮儀器設備的 準確度和精確度能否達到實驗要求；可行性還指物理參變量的可測性和現(xiàn)象的可觀察 性，實驗中與研究密切相關的物理現(xiàn)象，只有能夠被觀察到，才能進行研究和分析，所 有涉及到定量研究和分析的實驗項目，都必須進行能夠測量，這樣設計的實驗才有實際 意義。設計性實驗采用以指導為主的教學方式，對學生提出個性化要求，指導制定計劃，推薦參考資料，傳遞最新技術信息和狀況，教師在設計前講清要求，引導方向；實驗中 觀察調控，解決疑問和難題；實驗后，評價結果，提升理論。它既體現(xiàn)學生個人的綜合能力，又可促進學生個人綜合能 力的提高。而設計性實驗是學生在老師的指導下，根據給定的實驗目的和實驗條件，自己查閱文獻資料、設計實驗方案、選擇實驗方法、 廣東技術師范學院本科畢業(yè)論文（設計）14 確定實驗程序、選配實驗裝置、搭建實驗結果、完成實驗報告、口頭交流答辯等環(huán)節(jié)的 實驗過程。3．可以培養(yǎng)學生堅韌不拔的意志品質、實事求是的科學態(tài)度、相互幫助的協(xié)作精 神。1．好的設計性實驗,可以培養(yǎng)和檢驗學生應用理論知識、掌握實驗原理、正確選擇 與操作儀器、確定測量條件等方面的能力。 開設設計性物理實驗的意義 雖然教學僅僅是人才培養(yǎng)的一個環(huán)節(jié),但是,面對經濟全球化進程明顯加快,科技進 步日新月異,綜合國力競爭日益激烈的新形勢,我們著眼于培養(yǎng)具有競爭精神和競爭能 力的創(chuàng)新人才。如果我們單純地看重實驗結果而忽 視實驗過程進行評價，那么可以說設計性實驗是一種失敗。3．實驗評價應突出創(chuàng)造性 既然設計性實驗有本質上的獨特性，所以對實驗結果的評價也不能像針對以前的實 驗那樣，單憑預習報告和實驗報告就給定分數。2．實驗教學場地、設備、時間的開放性 大學物理實驗中設計性實驗的研究 13 教學場地及設備的開放性是保證設計性物理實驗良好順利進行的先決條件，即無實 驗教學要突破以往封閉教學模式，要建立開放式的實驗教學環(huán)境。(4)大力組織學生參與學校、工廠、實習基地的產品研發(fā) 大學生在本科畢業(yè)之前會有一次實習的機會，作為師范生來講，我能實習的地方通 常是在學校。對有些的設計作品，除了參加學校的活動之外，還可以推薦 去參加省級甚至國家級的比賽。(3)積極組織學生參加大學生科技節(jié)等競賽 我院每年都有舉行過科技節(jié)系列活動，而且廣東省明每年都有舉行大學生物理競 賽，這些活動的開展能激發(fā)學生進行科研的興趣，提高大學生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識。采用這種模式，教師易于對學生進行監(jiān)控引導和及時掌握完成進度，師生之間易 于交流溝通，信息能及時下傳反饋，能及時處理和解決設計過程中所碰到的相關問題。 因設計性物理實驗所具備的獨特的要素特點，這就要求在實施過程中相應的教學模 式也需要有所改變，將傳統(tǒng)的以教師和教