理性思维对物理实验教学的指导作用，本文主要内容关键词为：实验教学论文,理性论文,思维论文,物理论文,作用论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理实验是物理教学的重要基础，在高中物理新课程标准中，物理实验被作为科学探 究诸要素中的核心环节。但在传统教学观念中，物理实验普遍被认为是一种实践性较强 而理性思维要求相对较低的活动。如关于实验原理，常被理解为仅指实验目的中所要说 明的物理规律。事实上，物理实验仍是一种以理性思维为主体的活动，从实验目的的确 定，到实验方案的制定，由选择实验方法及所需装置与器材，到实验变量的控制等，其 中的每一步都往往包含了深刻的物理原理，都有赖于理性思维的指导。而对于观察现象 的认识和理解，更是与实验者的知识储备和理论修养分不开。可以说，理性思维是物理 实验的灵魂和核心，是物理实验中最富创造性魅力的环节。本文试通过个案分析，浅谈 理性思维在物理实验教学中的指导意义。
一、严谨的理性思维是实验科学性的基本保证
理性思维对物理实验教学的指导作用，首先表现在对物理实验现象做出科学合理的解 释。很多时候，实验出现的现象与实验原理所预期的现象相吻合，未必说明此实验原理 就一定成立。从两个相关事件发生的时间先后的分析中做出因果推理，必须依赖于科学 的思维方法和严谨的物理理论。
例如，如图1是一个说明“液体压强随深度而增大”的实验，图中从圆筒上高度不同的 三个小孔流出的水柱射在水平面上的水平射程不同，小孔越高、射程越近，以此说明液 体压强随深度而增大。但我们只要改变实验控制条件，将接水平面略微上移，如图中的 虚线所示，就会得到不同的结果。这样的实验显然有科学性问题。从实验原理上分析， 水柱的水平射程既与水柱出射点在液体中的深度h有关，又与出射点离接水平面的高度H 有关，根据伯努利方程和平抛运动规律
深度h增大时，高度H将减小，则射程 未必增大。实际上，出射点的压强p只与深度h有关，而深度将决定水柱射出的初速度， 即会影响到水柱的流量Q。所以，在尽量使小孔孔径相同的前提下，只有通过比较在同 一时间内从每个小孔喷出的水量，才能得出“液体压强随深度增大”的实验结论。
附图
又如，如图2是一个旨在说明气体导电性的实验。两个验电器一个带正电，另一个带负 电，并使它们的导电杆上的导电球相互靠近。当将酒精灯火焰移于两个导电球之间时， 就会见到原来稳定张开的两验电器指针都迅速闭合为零。就本实验现象产生的原因而言 ，确实是由于火焰使气体电离从而导致气体变为导体所致。但从实验原理上分析，即使 让两个验电器都带正电或都带负电，结果也是一样的。而让两个验电器一个带正电、另 一个带负电的做法，明显地传递着正电通过导电的气体与负电中和的信息。这样的实验 ，其设计的合理性就值得怀疑了。
附图
从思维方式的角度来分析，上述的实验之所以会出现实验原理上科学性的错误，是因 为用了如图3所示的思维方式。显然，这种思维模式是不完备的，一个有趣的例子是， 在李政道和杨振宁提出弱相互作用下宇称不守恒理论的前后10年间，实验物理学家关于 一个物理参量的测定在朝着理论预言的方向缓慢增长，而每次“新”的实验值都没有落 在前一次实验标定的误差之外。说明心理和理论预期对于实验值及误差的标定确有影响 。
附图
许多实验的科学性错误，多半是由于人们轻信这种原理和结果相吻合，从而放松或停 止了对实验原理的深入研究。所以，为保证物理实验的科学性，通过理性思维在对物理 实验科学性做出严谨的判断和甄别，就显得尤为重要。
二、深刻的理性思维是突破物理实验难点的关键
中学物理中有许多疑难实验。如光电效应的演示实验，照课本介绍，把一块擦得很亮 的锌板连接在如图4所示的验电器上，用弧光灯照射锌板，验电器指针就张开一个角度 。但实际上，无论用弧光灯或紫外线灯照射多长时间，也不见验电器指针有要张开的情 形。
附图
作为科学实验，如光电效应这样的课题都早已在实验室获得了解决。但作为教学中的 物理实验，和科研的物理实验或在其他应用领域的物理实验有一个最重要的区别，那就 是教学物理实验的设计不仅要符合科学性原则，而且必须反映教学思想、体现教学原则 。例如，简谐振动图像的描绘实验，从技术上来说，有很多的方法可以描绘出正弦或余 弦曲线。但从教学目的考虑，这个实验关键的是要在所获得的图像与振动体的运动之间 建立起尽可能直接的、必然的联系，以便学生理解图像所反映的物理意义。如果图像的 描绘是通过一个自动化的装置来实现的而其机理又被有意无意地置于隐藏地位的话，它 就丧失了作为一个教学的物理实验存在所必须有的教学价值。正是基于这样的教学理念 ，教材对光电效应实验做如此设计，由此在技术上就大大地增加了实验的难度。
可从物理原理上分析其难点形成的原因：开始时，锌板上的电子在紫外线照射下从表 面飞出去，锌板就带上了正电，在周围的空间里就形成了一个电场，这个电场对电子的 飞出有一个阻碍作用。随着飞出电子增多，锌板上所带正电荷增多。电位增高，对电子 飞出的阻碍作用就增大，直到电子飞出时的最大初动能与电子在电场中的电势能相等时 ，电子就无法飞离锌板，锌板的电位也就不再升高，于是就达到平衡状态。这时，锌板 的电位可以高到多少呢?对此，我们可以这样来推算，根据爱因斯坦光电效应方
附图
一般弧光灯发出的紫外线频率v的数量级可达10[15]Hz，所以U的数量级仅为10[0]V， 而一般指针验电器对几伏的电位差是检验不出来的，这就是课本所述的方法一般不易成 功的道理。
那么，如何突破这一实验难点?这还得从理论分析着手。考虑到由于指针验电器对较低 的电位差检验不出来的，为此，一种方法是先给锌板带负电，使验电器指针先张开一个 角度，然后再用弧光灯照射锌板，可看到验电器指针迅速合拢，由此，是否可以说明锌 板上的电子在紫外线照射下逸出呢?还不能。因为紫外线会使空气电离，验电器指针迅 速合拢可能是由空气放电所致。事实上，紫外线虽能使空气电离，但不严重，实验时使 紫外线源和锌板距离远些就可基本避免这种影响。检验的方法是先使锌板带正电，再开 启紫外线源，若与锌板相连的验电器不闭合，就表明空气电离的负离子未产生严重影响 。至此，才可说明锌板上的电子在紫外线照射下逸出。
另一种方法是通过电容器来增大锌板上的电位差。使两金属板P[,1]、P[,2]紧靠(可在 两板间夹一塑料薄膜以防两板短接)构成一个电容器，按如图5连接。在紫外线照射下电 子从板P[,1]飞出，P[,1]、P[,2]间的电压升到几伏，这时验电器指针不会张开。但由 于P[,1]、P[,2]组成的电容较大，板P[,1]上积聚有较多的电荷，则在移走P[,2]板后， 电容器的电容减小而P[,1]板上的电量不变，从而使得其电位迅速升高，验电器指针将 会张开一个明显的角度。
附图
教学实践中，许多教师在实验技能上对该实验进行探讨：例如，如何擦亮锌板、如何 提高光源频率等，这些技能固然必须，但不能从根本上解决问题。关键在于对实验原理 的理解认识问题，即必须通过理性思维，深入分析研究实验现象背后的物理规律，而不 是只凭经验盲目尝试。
三、深刻理解实验原理是把握实验设计思想的前提
物理实验的装置、实验步骤大都是由实验设计思想所决定的，而每一种实验设计思想 都包含了深刻的物理原理。只有理解掌握这些实验原理，才能抓住实验要点，进一步理 解实验设计思想和实验方法，也有利于实验装置的改进，并激活新的实验设计的灵感。
如闭合电路欧姆定律演示实验中，一般用拆解式电池，如图6所示。为什么要拆开原电 池?拆开原电池要解决什么问题?中间接打气装置能起到什么作用?
附图
我们知道，闭合电路欧姆定律演示实验的目的是要使学生能清楚地看到：当外电路电 阻变化时：①内、外电压之和为一常数；②内、外电压有明显的变化(变化幅度尽可能 大)。
要满足上述两点实验要求，必须使得：①电源的电动势较稳定；②电池的极化现象要 小——电流不能太大，所以内阻不能太小；③测内电压用的探针的极化电动势要小—— 选合适的材料做探针；④需增大电池内电阻，内电阻与外电阻的大小关系恰当。从以上 原理分析可知，本实验设计中要解决的关键问题是增大电源(电池)内电阻。
增大电源内电阻的方法有两种：一是在两个内电阻很小的电源中串联一个电阻，作为 模拟电源内电阻；二是拆开原电池，控制电池内离子通道，如减小其截面积、增大其长 度，以此来增大内电阻。图示的拆开原电池，在两个电池之间用盐桥连接以增大内电阻 就是采用这种方法，中间接打气装置能起的作用是改变其截面积。一般实验室中很少用 这样的拆解式电解槽，但根据实验原理，我们可用长度恰当的内灌有电解液的细玻璃管 来做等效替代，如图7。
附图
四、挖掘实验原理的内涵是教学创新设计的出发点
物理实验在教学中的地位受到肯定的重要原因之一，是它具有培养学生能力的教育功 能。但从功能到变为现实之间还需要有精心的实验设计和有效的教学过程。如在做“压 缩气体使气体内能增加”实验中，许多教师按课本所述演示完毕后即得“压缩气体可增 加气体内能”的结论，然而，实验研究的对象是什么?为什么筒内要放入易燃物?为什么 要迅速下压活塞?这一系列重要的实验原理都被“明亮的火花”所掩盖。而且从逻辑上 分析：气体内能的变化，主要是因为压缩气体做功，还是由于活塞与筒壁摩擦做功引起 的?这一思维疑点不解决，就不能达到较好的实验效果。
若教学中改变实验，不是用一举成功的做法，而是在实验时筒内先不放易燃物而压缩 筒内空气，要求学生仔细观察空气的内能有否增加。这时学生就会感到困惑，空气内能 增加与否怎能看得见?由此自然引出一个实验设计的问题：怎样变“不可见”为“可见 ”?再引导学生运用实验研究中控制变量的思想方法，先摩擦再压缩，来探究气体内能 增加的主要原因是什么。可用一打气筒，先不要密封气体(松开气门芯)，让活塞反复与 筒壁摩擦多次，以手触摸打气筒壁，观察是否有暖热的感觉，再用手指盖住气门芯，稍 做几次压缩筒内的气体，再观察筒壁是否有暖热的感觉。顺着这种的思路展开实验教学 过程，由于实验是学生主动参与设计的，设计的目的明确，学生无论是对实验所揭示的 结论还是实验的原理和设计的思想均留下了深刻的认识和理解。
不能正确地进行科学的理性思维，就不能得到确信的结论，牵强的结论往往会使学生 产生错觉，甚至疑惑。例如在研究变压器原副线圈匝数与电压与电流之间的关系的实验 中，可得到显著的实验现象是：匝数越多的线圈，其两端的电压越大，流过的电流越小 。许多时候，教师由此显著现象即得有关变压器原理的正反比关系。但是，一个量越大 则另一个量越小，就一定是反比关系?从思维角度而论，这显然缺乏逻辑性。事实上， 从实验中不难发现：U[,1]I[,1]＞U[,2]I[,2]，此时，很重要的是要引导学生应以科学 的态度对待实验现象，而科学态度首先是实事求是的态度。