靜電場的描繪范文

導語：如何才能寫好一篇靜電場的描繪，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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[關鍵詞]靜電場描繪儀改進

靜電場描：繪實驗是高等院校普遍開設的一個基本的電磁學實驗，因為直接測量靜電場會因測量儀器的介入導致原靜電場發生畸變而對其測量帶來很大的困難，而穩恒電流場在導體中的分布規律和真空中靜電場電勢的分布規律完全相似。因此，通常是用穩恒電流場來模擬靜電場，稱這種方法為模擬法描繪靜電場。

傳統的靜：電場描繪實驗裝置中，電極之問的導電介質通常用導電紙。目前，也有不少裝置采用水來代替導電紙，但這兩種方法均存在一系列的缺陷，導致描繪誤差太大，嚴重影響了實驗的效果。

針對以上兩種介質存在的問題，我們對靜電場描繪儀作了改進：以鍍有ITO膜的導電玻璃作為電極之間的導電介質，采用雙層探針直接記錄各等勢點坐標，通過描點的方法來描繪電場。我們對改進后的靜電場描繪儀進行反復試驗，效果很理想。

一、理論依據

導電介質中穩恒電流場和真空中靜電場的電勢都滿足拉普拉斯方程。給定邊值的拉普拉斯方程有唯一解，如果這兩種處于相同的邊值條件下，則它們的解是相同的。因而，可以用均勻導電介質中的電流場來模擬真空中具有相應分布的靜電場。

兩個通以穩恒電流的同心圓環電極可以用來模擬兩個帶等量異號電荷的無限長同軸圓柱面問的電場分布。很容易證明在這種情況下有式中a，b分別為內外圓環電極的半徑，Ua為兩極間的電勢差，u為穩恒電流場中距圓心r處的電勢。

二、傳統的描繪儀及其存在的缺陷

傳統的靜電場描繪儀如圖所示，一般有兩種做法一種是采用涂有石墨的導電紙作為電介質，通過探針和定位針，實現定量記錄和數據分析，另一種是用水來代替導電紙作電介質，方法是在一個透明的有機玻璃水槽中固定電極，然后在水槽中裝上適量的水，放到實驗架的下層進行實驗。1．前一種描繪儀存在的缺陷

(1)導電紙上導電薄層涂得不均勻，導電紙電阻在各個方向均勻性較差，這樣電流場分布與被模擬靜電場分布不完全一樣，使得實驗準確度，重復性較差。

(2)電極與導電紙的接觸不均勻以及探針與導電紙的接觸因人次數而異，使得接觸電阻不穩定，影響描繪結果。

(3)測量時，探針在導電紙點接觸移動且重復接觸，使得導電紙破損，這樣一方面直接影響導電紙的導電性能，影響實驗效果，另一方面影響導電紙的使用壽命，頻繁更換導電紙，加大實驗成本。

由于存在這些缺陷，所以用此描繪儀測得的結果誤差比較大，模擬靜電場的效果不是很理想。是用一張全新的導電紙作為電介質模擬的結果。若為反復使用過的導電紙，誤差更大。

2．后一種描繪儀存在的缺陷

以水作為電介質可以減少導電紙電介質的不足，但由于水自身的特點，不可避免存在以下的缺陷：

(1)水是弱電解質，在外加直流電源的作用下，電解產生氫氣和氧氣，這些氣體以氣泡的形式附在電極表面。這樣，一方面使得內、外電極表面區域偏離模擬條件，另一方面氧氣會使陽極表面氧化，覆蓋在電極上的氧化層與水的電阻率不同，影響模擬效果。再者，未電解的離子也會產生與外電壓方向相反的電壓來破壞模擬條件。

(2)水是有極分子，在外電場作用下產生位移極化和取向極化。兩種極化都使得內外電極表面出現束縛電荷，束縛電荷要在水介質內產生與外電場方向相反的附加電場，因此破壞了模擬條件。

(3)每次實驗都要更換水槽中的水，且水槽中水的多少還影響模擬的效果，這樣給學生實驗帶來極大的不方便。

因此，用水作為電介質來做這個實驗也不是很理想。

三、改進的描繪儀及其優點

針對上述傳統描繪儀的缺陷，我們對傳統靜電場描繪儀作了一些改進。我們的做法是選用合適的鍍有ITO膜的導電玻璃來代替傳統的導電紙或水，將其作為兩電極問的電介質。我們選用的這種電介質和傳統的兩種電介質相比，至少具有以下優點：

1．ITO膜導電層是采用真空鍍膜技術形成的，表面均勻性和電阻均勻度均較好，模擬條件良好，提高了實驗的準確性。

2．ITO膜導電層耐磨性好，不會因為和探針的反復接觸而被破壞，這樣既提高了實驗的可重復性，又避免了頻繁更換實驗耗材，延長了儀器的使用壽命，節約了實驗成本。

3．用ITO膜的導電玻璃代替水作為電介質，可以完全克服水的缺點，達到最佳的模擬條件。

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關鍵詞：電勢 無窮遠點 電勢零點

一、靜電場電勢零點選擇的任意性

電勢是一個相對量，孤立地談某點電勢的高低和正負是沒有意義的。只有相對于確定的參考點（零點），它才有確定的物理意義。參考點不同，電勢發生相應的變化，根據電勢的定義：

參考點從P0變為P'，各點的電勢雖然改變了一個常數 ，但不影響電場分布。從幾何描述上看，靜電場的等勢面描繪了電勢的空間分布。選取不同的電勢零點，只是使電勢的等勢面所標注的數值有所改變而已。電勢的等勢面的形狀、間隔、等勢面法線方向的空間變化率并不改變，他們描述的是同一個靜電場。因此，靜電場電勢零點的選擇，從原則上講是任意的。

點電荷的電勢，若選無窮遠處為零點，則電勢可表示為：

二、電勢零點選取的一般方法

第一，在點電荷的電場中，不能選點電荷所在位置為電勢零點。若選r=0處為電勢的零點，則：，將導致在r≠0的任意區域電勢都為無窮大。電場中各點的電勢都為無窮大，描述電場的性質也就失去了意義。

第二，對電荷分布在有限區域的帶電體，可以看成有限區域內許多電荷元的集合，每個電荷元可以等效為一個點電荷。由點電荷的電勢可以知道：在距點電荷較近的地方，電場比較強，電勢變化劇烈，在距點電荷較遠的地方，電場比較弱，電勢變化緩慢，當場點距離點電荷足夠遠時，電場趨近零，電勢恒定。對電荷分布在有限區域的帶電體而言，電場有類似的性質。因此，一般情況下，將無限遠點設為零電勢點，既普遍適用又可以使電勢的表達式簡潔。

第三，對電荷分布在無限區域的帶電體，一般情況下不能選無限遠為零電勢點，否則會導致空間各點電勢不確定。一般說來，只有當電場強度E隨場點到坐標原點的距離r增大而不斷減弱，E∝r-n，并且減弱得比較迅速（滿足n>1的條件）時，才能選無限遠處為零電勢點。

因此，對電荷分布在無限區域的帶電體，零電勢點通常選在有限遠。

第四，導體接地時，以大地為電勢零點。

三、不同的電勢零點的電勢如何疊加

例如，均勻外場E0中放入一個點電荷q，如圖1所示。均勻電場的電勢為U1，選原點為均勻電場的零電勢點，則θ；點電荷的電勢為U2，若選無窮遠為點電荷的零電勢點，則；合電場的電勢，通常表示為

對于任何靜電場，無論電勢零點如何，電勢表達式中，與變量有關的函數項的形式總是一定的。零點不同，電勢不同，但它們只相差一個常數。零點的變化，只會影響電勢表達式中的常數項。點電荷電場電勢隨空間變化的規律取決于，均勻電場的電勢取決于θ，合電場的電勢變化規律取決于θ+q/（4πε0r），電勢零點的變化，只改變U0的取值。在（1）式中U1 U2 的相加才是合理的。

電勢曲線如圖2所示，點電荷電場的電勢曲線①，均勻電場的電勢曲線②（此時取θ=0）。電勢零點的變化，只會使電勢曲線沿縱軸上下平移，并不改變電勢曲線的形狀，也不會改變曲線①②的相對位置。疊加以后，曲線①和曲線②合成的曲線③，曲線③表示了合電勢的變化規律。電勢零點的變化對曲線③而言也只能使其沿縱軸上下平移，而不會改變其形狀。

疊加以后，對合成的電場，零電勢點既不能選r=0 處，也不能選r=∞處，否則電場中任意點的電位都為無窮大。這一點可從（1）式或圖中曲線③都可直接看出。除了上述限制以外，電場中任意點都可選為零點。而零點一經選定，常數U0的取值也就隨之確定，如，若選r=r0，θ=0的A點為零電勢點，則。

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一、用類比法理解物理概念和規律

在中學物理中，有不少物理概念和規律存在著很大的相似性．在教學中，可引導學生用類比方法把類似的知識進行比較、對照，從而較快地接受新知識．例如在電場強度、磁感應強度、電容這三個概念定義的教學中，只要在電場強度一節的教學中能讓學生建立起牢固、正確、全面的概念定義，就能使其對后兩個概念定義的學習起到舉一反三的作用. 電場強度的定義式為E=，必須讓學生理解電場強度是描述電場性質的物理量，放入電場中的試探電荷受到的力F與試探電荷量q成正比，電場強度E由本身電場性質決定，與試探電荷無關. 在此基礎上，學生學習磁感應強度B=（IB）和電容器的電容C=時，就能運用類比的方法，找到它們的共性，觸類旁通．

又如在“電勢能”一節的教學中，可將重力場和靜電場進行類比來講解：物體在重力場中具有重力勢能，體現了物體在重力場中受到萬有引力作用，所以重力勢能與重力做功密切相關；重力對物體做正功，重力勢能減少；重力對物體做負功，重力勢能增加，重力勢能的變化量總是等于重力對物體做功的大小．與此類似，電荷在電場中也具有勢能，叫做電勢能，體現了電荷在靜電場中受到電場力的作用，所以電勢能與電場力做功密切相關；電場力對電荷做正功，電勢能減少；電場力對電荷做負功，電勢能增加，電勢能的變化量總是等于電場力對電荷所做功的大小．由此引入了電勢能的概念，并研究電場的部分性質．此外，還有電場與磁場的描繪、電壓與水壓的比較、容抗和感抗的類比，物理微粒的波粒二象性的對比等等．通過運用類比方法，大大地增加了教與學的雙邊活動，更有利于學生形成概念、掌握規律．

二、用類比法記憶物理量

有些物理量的含義不易理解和記憶，為了幫助學生理解，可以采用類比方法．例如，將公式R=ρ和f=μN中的兩個物理量ρ與μ類比；將公式Q=Cmt和F=Kx中的C（比熱）與K（勁度系數）的物理意義進行類比，有助于學生理解新知識，鞏固舊知識．

對于一些抽象難懂的知識，可通過類比方法，發揮學生的形象思維，把某些物理現象或過程具體化、形象化，使抽象的理念知識更貼近生活，讓學生易于理解、掌握．例如在電路的教學中，可用暖氣裝置來類比電路，即用供熱房、水流、水壓、水管、暖氣片、控制閥來類比電源、電流、電壓、電路、用電器、電鍵等．又如，圖形1所示的電路中，A、B兩燈泡串后，再用一根導線將其中一個燈泡B短路，問為什么被短路的燈泡B不亮？這時，教師可啟發學生用類比方法來解釋：當兩根水管分流時，一根水管對水阻礙很大，另一根對水的阻礙很小，問水流向哪根管子．學生會立即回答：大部分水流從后一根管子流過．然后再類比圖1，學生便會很快認識到大部分電流從短路導線中流過，致使燈泡B不亮．

三、用類比法解題

學生在解題的過程中，碰到新模型時，往往束手無策，若應用類比方法，把其還原為舊模型，便可迎刃而解．例如下面一道題：如圖2所示，靜止在光滑水平面上已充電的平行板電容器的極板間距離為d，右板上有一小孔、電容器固定在一絕緣底座上，總質量為M.有一質量為m的帶電鉛丸對準小孔水平向左運動（重力不計），鉛丸進入電容器后，距左板的最小距離為，求此時電容器已移過的距離．

此題表面上是電學題，其實基本原型仍是力學中的木塊在長木板上滑動，但其演繹到電學后，增強了思維力度，涉及的知識點更有助于考查學生的應變能力．

四、用類比法進行內容復習

類比式教學對章節復習、板塊復習也有較大的作用，在復習教學中引導學生對相似的概念、規律進行類比，可以進一步掌握知識之間的聯系和區別，使知識整體化、系統化，對物理概念、規律有更深刻的認識和理解．例如在復習能量和動量時，可引導學生做如下類比：

（1）能量部分

功：W=FS，是過程量，是力對空間的累積．

v要相于對同一個慣性系；功、能都是標量，用代數運算法則運算．

（2）動量部分

沖量：I=Ft ，是過程量，是力對時間的累積．

動量：p=mv，是狀態量．

動量定理：Ft=mv1-mv0（沖量等于物體動量的增量）．

動量守恒定律：m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′（對兩個相互作用物體系統）．

守恒條件：F合外=0．

應取同一個慣性系；沖量、動量都是矢量，用矢量運算法則運算．

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美普遍存在于物質和精神世界中。物理學是研究物質世界的結構、運動及其變化規律的科學，是自然科學的重要組成部分，研究范圍大到宇宙天體，小到微觀粒子。一句話，是反映我們身邊這個世界的科學。物理之美表現在物理現象、科學原理和研究精神等幾方面。

1　物理現象之美

晝夜交替、日月同輝、海市蜃樓、彩虹繽紛、回聲繞梁、水光倒影，這些現象給人們展現了大自然的浪漫之美。臺風、海嘯、地震、火山噴發給人類造成巨大災難，從人文道德角度看，它們是丑陋的惡魔，除了令人恐懼和憎惡，沒有給人任何美感。然而，從物理的角度上看，它們卻是一種讓人敬畏的美麗，是巨大的能和力的爆發，是一種大自然的震撼之美。人類生產與生活的每一次革命性的飛躍，都與物理規律的重大發現和物理技術的應用密切相關。人類進入工業社會以來，先后出現了三次意義深遠的偉大變革，從而推動了社會生產力的迅速發展，影響和改變了人們的生活方式。這三次工業革命分別以18世紀蒸汽機的發明、19世紀初發電機的發明和20世紀中葉電子計算機的發明為重要標志，物理原理在科技、生產和生活中的應用，體現了人類智慧所創造的物理現象現實之美。

2　物理科學之美

自然界紛繁復雜的物質之間相互作用，相互依存，遵循各自的運動規律，形成有序、協調、對稱、統一的整體，顯現出自然規律的和諧美。描述這些自然規律的物理理論，則相對應的體現了物理科學之和諧美。天體運動理論、熱力學定律、分子擴散理論、光的波粒二象性描繪了物質運動的有序性；質量、能量、電量守恒體描繪了協調統一性；圓周運動、簡諧運動、拋體運動描繪了運動時間對稱性；電荷、磁極描繪了性質的對稱性。

愛因斯坦曾經描述說，物理學是至善至美的科學，他還特別把物理的美歸納為“簡單、和諧、完善、統一”。歷史上的科學家更多是把自己所發現的科學規律描繪得美不勝收。物理科學美體現在其簡單性、和諧性、完善性和統一性中。牛頓也曾經說：“把簡單的事情考慮得很復雜，可以發現新領域；把復雜的現象看得很簡單，可以發現新定律”。物理中各種各樣物理模型的建立和方法的運用，變復雜為簡單，簡潔合理地概括出物質及其運動的某一特征，體現出物理科學的簡潔之美。

3　科學精神之美

求美是物理學家研究物理學的動機，許多科學家研究物理學的動力就是來自于對美的追求。如愛因斯坦說：“照亮我的道路，并且不斷給我新的勇氣去愉快正視生活的理想，是善、美和真。”科學研究的道路是艱辛而漫長的，正是一種求真、求善、求美的精神，支持著科學家耗費畢生精力，為追求真理而勇敢探索，無私奉獻。如布魯諾為宣傳日心說而被教會燒死；伽利略為維護哥白尼學說而被終身監禁；居里夫人為科學而終生視苦為樂等，體現了科學精神之美。

二、在物理教學中體現美

展示物理美的目的，不僅僅是為了讓學生想像和認識物理科學之美，更重要的是，要通過美的教育，培養學生的審美能力和審美情趣，將對美的認識，轉化為追求美、發現美和創造美的自覺行動。對科學美的審美能力產生的基礎，是學生對物理知識學習所抱的態度，激起學生對物理學習的興趣是培養學生審美能力的前提。物理科學的美往往不能僅靠視覺辨析，更要靠心智去體驗。因此，在教學中要創造機會，讓學生親自動手實踐，去發現和探索物理科學之美。

比如在學習高中教學《萬有引力》時，可以參考各種衛星、行星、恒星的數據，描繪人類從天圓地心說走向太陽中心說，然后再認識到太陽系的各個行星在銀河中沿一條美麗的曲線運動的歷史，進一步以萬有引力所引發的橢圓軌道和圓軌道的美，激發學生探索這些美的科學規律和源泉，使學生對這些知識有更深的理解，感受到人類探索“真”與“美”的科學精神之美。

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關鍵詞：數理方程實驗；教學改革；數學建模

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）48-0035-03

一、引言

數學物理方程是人們對一些物理規律、物理過程和物理狀態進行研究后歸結出來的一些偏微分方程，是微積分學產生以后，在實踐中產生并且不斷向前發展的教學分支之一[1]。數理方程教學的直接目標是幫助學生掌握必要的數學知識和工具，為后續專業基礎課和專業課作準備；其長遠目標是訓練學生的數學思維及運用數學工具解決實際問題的能力[2]。但該課程被公認為“老師難教、學生難學、作業難做”[3]，而且隨著近幾年新技術的發展與變化，各高校為了適應寬口徑科技人才培養的需要，將這門課的課時進行了進一步壓縮。因此，要保持教學內容和提高教學質量，任課教師迫切需要對教學手段進行改革。通過對數理方程以往教學情況的實際調研來看，學生們對這門課普遍感覺畏懼、難以產生興趣。產生這種情緒的原因主要有兩點：（1）數學推導很長、很多，例題比較抽象，過于陳舊，容易讓人乏味。（2）不知道數理方程課對其專業學習到底有何作用，因此不愿多花精力，想混及格就行[3]。我們教研組經過研究和討論認為，沒有學不好或學不會的知識，只是學生的主觀能動性還沒有得到充分挖掘。因此，我們讓學生自由組合成三人小組，指導他們結合專業方向設計能夠用數理方程中三類典型偏微分方程進行數學建模的實際物理或者專業實驗，然后進行相關物理量的測量、分析，同時進行數學模型的理論計算和計算機軟件仿真等工作，并將其實驗報告作為平時分重要參考。經過近兩屆學生的實踐發現，該課程的通過率得到了極大提高，學生的反映也很積極，甚至讓人驚喜，有些學生據此進一步參加了數學建模比賽、物理實驗創新競賽、大學生創新訓練計劃等，取得了良好的教學效益。

二、數理方程實驗教學的目的、特點和作用

開授數理方程實驗課的目的就是引導學生以研究、分析、解決實際問題為導向，全面掌握數理方程這門課所包含的數學建模、數學分析、求解方法等，并培養學生實際動手實驗能力和應用計算機解決相關專業問題的能力。相對于傳統數理方程教學而言，數理方程實驗教學有三個新特點：（1）傳統數理方程的教學形式是以教師為中心，以課堂教學為中心；而數理方程實驗則更多地強調以學生為中心，以課外實踐為中心。（2）傳統的數理方程教學追求理論的完整性、步驟的連貫性，繁雜冗長的數學推理不可避免；而數理方程實驗針對具體問題進行數學建模和求解，研究目標明確，因而可以通過簡明實踐來理解理論。（3）每個數理方程實驗的內容具有相對的獨立性，可以將數學、物理、專業知識、計算機應用等眾多不同的領域結合起來，并借此介紹一些目前科學技術前沿廣泛運用的知識，如非線性方程、小波變換、積分方程等。數理方程實驗要求將實際物理實驗（或者專業實驗）、數學建模，以及計算機仿真三者融為一體，最后形成實驗報告。因此數理方程實驗教學具有以下三個方面的作用。

1.激發了學生的主觀能動性。在數理方程實驗中，學生們需要尋找滿足波動方程、輸運方程或者恒定場方程的實例，并進行設計性實驗，因此學習過程中分工合作、共同探討的氣氛得以形成。通過實驗測量、計算、仿真過程中逐步取得的成功，學生們對數理方程的學習興趣極大地提高；通過將復雜難懂的物理、工程問題直觀地顯示于物理現象或精美圖表，學生們更喜歡主動地去研究、計算機編程計算專業課中的各種問題。

2.促進了學生的自學、編程和書面表達等多方面能力的提高，真正提高了學生的動手、動腦能力。因為要編程求解數理方程，首先要理解、掌握相關數學知識，這就迫使他們查閱、學習相關資料，并下意識地對教師所講解的數學知識產生強烈關注，畢竟“社會需要是科技發展的最大動力”。而撰寫實驗報告對于培養學生的書面表達能力、邏輯思維能力很有助益。通過將實驗測量數據與理論計算結果、計算機仿真結果進行比較，學生們更加感性地接受了理論指導實踐，實踐拓展理論的研究思路。

3.培養了學生的專業素養和創新意識。通信、電子類專業一般都會開設《高頻電路基礎》、《微波技術與天線》、《電磁場傳輸理論》等課程，因此在引入三類典型二階線性偏微分方程、講解“分離變量法”、“格林函數法”及特殊函數時，都盡量以這些課程中的問題為模型，然后讓學生利用專業實驗室的儀器設計實驗，再結合數學建模的思想去完成數理方程實驗。這樣不僅可以讓學生學習專業課時輕松自如，還會刺激他們思考實驗過程中碰到的各種問題。

三、數理方程實驗示例

通過近幾年的積累，我們得到了很多以三類典型偏微分方程：波動方程、輸運方程和恒定場方程為數學模型的物理實驗和專業實驗的案例，下面分別介紹一二。

1.波動方程實驗示例。《微波技術與天線》是通信、電子類專業的必修課，該課程中對于微波電路的分析主要有兩種方法：（1）場分析的方法；（2）“路”分析的方法[4]。這兩種方法都可以作為數理方程實驗的案例，例如均勻傳輸線方程即可以作為波動方程應用的典型案例。均勻傳輸線（如圖1）可等效為具有分布參數的電路，因此可用“路”的分析方法建立傳輸線方程，并導出傳輸線方程的解。通過應用Kirchhoff電壓定律和Kirchhoff電流定律，可推導出均勻傳輸線中電壓和電流所滿足的方程。

■=Ri（z，t）+L■■=Gi（z，t）+C■ （1）

這是均勻傳輸線方程，也稱電報方程。對于時諧電壓和電流，可用復振幅表示為u（z，t）=Re[U（z，t）ejωt]，i（z，t）=Re[I（z，t）ejωt]，將它們帶入式（1）并消元，即可得時諧傳輸線波動方程：

■-γ2U（z）=0■-γ2I（z）=0 （1）

其中γ=■稱為傳播常數，若R≈G≈0，式（2）即為理想傳輸線中電壓、電流的一維波動方程。

在這個實驗當中，若此理想輸線無限長，并已知其初始電壓和初始電流分布，則可根據式（1）求出電壓和電流的“初始位移φ（z）”、“初始速度ψ（z）”，代入D’Alembert公式：

u（z，t）=■[φ（z+at）+φ（z-at）]+■■ψ（ξ）dξ （3）

可求得傳輸線上電壓和電流的傳播情況。

若理想傳輸線是有限長度，實驗中就可引入邊界條件。如終端短路，則V|z=l，為電壓場量的Dirichlet齊次邊界條件，再由式（1）第二式可得Iz|z=l=0，為電流場量的Neumann齊次邊界條件；如終端開路，則I|z=l=0，為電流場量的Dirichlet齊次邊界條件，再由式（1）的第一式可得Vz|z=l=0，為電壓場量的Neumann齊次邊界條件。應用高等數學中二階常微分方程的解法即可得式（2）的通解：

U（z）=A1e-γz+A2eγz=0I（z）=■（A1e-γz-A2eγz） （4）

其中，Z■=■稱為特性阻抗，然后再根據邊界條件求得電壓和電流的分布。

有條件的高校可用網絡分析儀、50Ω微帶線、50Ω BNC連接線、開路負載、短路負載、高阻微波同軸檢測探頭等進行相關實驗測量，我們還可以借助電子電路仿真軟件Multisim或者安捷倫公司的Advanced design system進行上述微波電路的仿真，具體實驗和仿真可參考文獻[5-7]。最后要求將數學模型求解的結果、實驗測量結果、仿真軟件計算結果放在同一表格或者同一張圖中進行比較，這樣可以得到一份很好的數理方程與專業知識相結合的實驗報告。

另外，兩端固定均勻弦的微小橫振動問題是所有數理方程教材的經典例題，我們可以用兩端固定的橡皮筋進行振動模擬，然后數碼攝像機進行拍攝紀錄，通過計算機處理得到其橡皮筋任意一點在任意時刻的位移，并與Matlab編程計算結果進行比較。還有，通過在水槽中用試管滴水得到二維水波振蕩，用數碼相機連拍功能獲取不同時刻水波振動狀態，可與理論計算結果進行比較。學生通過這些實驗不僅理解了方程的含義、求解方法，還學會了如何用這些實驗來測量弦的密度、波的傳播速度等重要物理參量。

2.輸運方程實驗示例。半導體物理學、化學和生物學中許多問題都可歸集為反應擴散方程（或稱輸運方程）問題，在諸多重要物理參數測量方面有很多應用，如氣體、液體擴散系數的測量等。目前很多學校都能開展“測定氣體導熱系數”物理實驗，所需儀器主要有FB-202型氣體導熱系數測定儀、溫度計、氣壓計等。其物理模型為：在圓柱形容器內的沿軸線方向上有一根溫度恒為T1的鎢絲（如圖2），容器內壁的溫度近似為室溫T2（T1>T2），鎢絲的半徑為r1，鎢絲長為L，容器的半徑為r2，由于T1>T2，容器中的待測氣體必然形成一個沿徑向分布的溫度梯度，由于熱傳導，鎢絲溫度下降，本實驗用熱線恒溫自動控制系統來維持鎢絲溫度恒為T1。如對其進行數學建模，得其輸運方程方程模型：

■-■Δu（■，t）=f（■，t） （5）

其中u為溫度分布，c為氣體比熱容，ρ為氣體密度，k即為所求熱傳導系數。由于每秒鐘氣體熱傳導所耗散的熱量就等于維持鎢絲的溫度恒為T1時所消耗的電功率，所以圓柱形容器中氣體的溫度分布保持為一個穩定的徑向分布的溫度場，

■+■■+■■=0 r1

然后用分離變量法求解此數學定解問題，得u（r）=（T1-T2）Inr/In（r1/r2）。學生以三人為一小組做實驗，記錄實驗數據，再用Matlab或Origin進行數據處理，然后與理論模型計算值進行比較，最后進行誤差分析，完成實驗報告。通過此實驗學生不僅掌握了如何測量氣體的熱傳導系數，加深了對輸運方程的理解，還學會了如何使用數據處理軟件，對學生今后的學習很有裨益。

3.恒定場方程實驗示例。一般高校的普通物理實驗室都開設靜電場描繪實驗，使用實驗儀器有：AC-12靜電場描繪電源、靜電場描繪儀等（如圖3（a）所示）。以同心水槽中電位分布為研究對象，可得二維極坐標系下Laplace方程定解問題：

Δu=0， a≤r≤bu|■=V1，u|■=V2 （7）

學生可用分離變量法求得其理論解，還可以用Comsol、Matlab等仿真軟件比較容易的得到其電位分布圖，再通過與實驗中打點得到的電位分布圖進行比較（圖3（b）），從而直觀、深刻地理解物理原型、數學模型，并至少掌握了一種計算機仿真軟件的應用。此實驗中根據不同電極形狀的水槽，還可讓學生在不同坐標系下（如雙曲坐標系、直角坐標系）進行分離變量法，從而對Sturm-Liuville本征值問題有更深刻的認識。

總的來說，數理方程實驗的完成首先需要教師指導學生學習、掌握相關數學知識和求解方法，然后引導學生進行相關物理、或者專業實驗的設計、測量，并根據物理規律分析這些實驗的物理原型，建立起數學模型，再由學生自己進行計算機編程計算或利用現有商業軟件進行仿真，最后通過觀察、比較數學模型理論結果、實驗測量數據和計算機軟件仿真結果，進行總結，完成數理方程實驗報告。

在科學技術快速發展的今天，教師在傳授一門課的基本知識的同時，應比以往任何時候更注重傳授學習和研究這門課程的方法，完成由引導式學習到自主學習的根本性轉變[8]。通過一年來數理方程實驗教學的探索和實踐，我們發現數理方程實驗課能夠利用學校現有教學儀器和設備，將物理知識、專業知識、數學知識，以及計算機應用結合在一起，實現“教學、實踐、科研”三位一體[9]的教學模式。學生們通過課題式的研究覺得的數理方程是很有用的一門課，能夠學以致用，縮短了書本理論到專業應用的距離，該課程的通過率相應地也得到了極大提高。有很多同學通過設計數理方程實驗得到啟發，進一步參加了數模競賽、物理實驗創新競賽、大學生創新訓練計劃等各類比賽，取得了良好的教學效益。另外，我們認為數理方程實驗反過來對物理實驗、專業課程實驗設計也有借鑒意義。

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篇6

設計性實驗介于基礎性實驗與實際科學實驗之間，是在學生完成一定數量的基礎性、驗證性及綜合性實驗之后，對實驗的全過程進行科學訓練的實驗課題。實驗課題一般由實驗中心綜合考慮教師的意見后提出，由實驗室為學生提供實驗條件。學生根據實驗課題研究的內容，自行搜集并閱讀相關的參考資料，綜合比較各種實驗方法實施的可能性、適用條件、實驗的準確程度，根據實驗室提供的實驗條件，推證理論，選擇相對完善的實驗方案。實驗方案確定之后，應根據實驗方案的原理和實驗精度要求，選擇測量誤差較小的測量方法。應綜合考慮分辨率、準確度、量程和價格四因素，根據誤差的等作用原理選擇合理、配套的測量儀器。在測量中，要確定最有利的條件，選擇合理的數據處理方法，分析各種誤差產生的原因，從數據中判斷系統誤差是否存在，尋求減小或消除實驗系統誤差的方法，以提高實驗質量，如進行“簡諧振動的研究”、“設計和組裝熱敏電阻溫度計”、“測定平行電流間的磁場力”、“球坑法測定薄層厚度”、“導熱系數的智能測量”等設計要求較高的實驗。這樣，按照實驗內容分成不同的階段，構建從易到難、從基礎性實驗到綜合設計性實驗、從實驗知識和技能的學習到科學思維訓練和創新能力培養的大學物理實驗教學課程新體系，以滿足不同專業、不同知識基礎學生的需要，使優秀人才得到更大的發展空間。

在當今新技術迅速發展的時代，物理實驗課程應該是被新技術、新手段不斷改造、不斷填充的開放系統，是不斷改革、不斷發展的動態教學體系。要使物理實驗教學與科學技術的發展相適應，做到與時俱進，教師在實驗教學中應把握課程前沿，有意識地增加一些應用性或涉及現代高新技術的實驗項目，如太陽能電池技術、傳感器技術、計算機智能檢測、光纖技術、共振技術、光學信息處理技術、微弱信號檢測技術、光譜技術、混沌、納米材料和薄膜制備技術等與現代科學技術相融合的知識和內容，增加與“諾貝爾物理獎”相關的實驗項目，使現代科學技術研究成果滲透到傳統的物理實驗課程內容中，及時反映學科最新進展，激發學生對實驗課程的興趣和科研熱情，培養他們的科學思維能力和創新能力。

物理實驗與其他自然科學相互滲透，有了越來越多的交叉點。物理實驗課程不僅是理工科學生進行后續科學實驗訓練的重要基礎，也是許多非物理類專業學生的必修課程之一，而這部分學生群體應該引起我們的關注。為了體現因材施教的原則，對于跨專業的學生應開設一些與其所學專業相關的實驗項目，這些體現物理理論在其他專業應用的實驗項目，能使學生在物理實驗中充分感受到物理科學在實際工作和生活中的應用，培養學生學以致用的思想，調動其學習熱情，激發其求知欲望。

例如，偏光顯微鏡部分的實驗教學是地質專業的特有實驗教學內容，但地質專業課上側重的是與鏡頭材料性能相關的光的偏振知識，很少涉及顯微鏡的工作原理及組裝等教學內容。所以，在對地質專業學生進行偏光顯微鏡組裝的教學實踐中，可以把專業課和實驗課強調的重點加以整合，在傳統顯微鏡組裝實驗的基礎上，結合光線的偏振原理，對內容進行加深和擴展，增加組裝偏光顯微鏡的實驗教學內容。對于環境科學專業而言，應根據其專業特點，增加環境噪聲的測量實驗，使學生在進行基本實驗操作技能訓練的同時，加深對環境專業相關理論的理解，為后續的環境專業課程學習奠定扎實的基礎。再如，滲流場與電場具有相似性，在油田開發專業的學生做振蕩電路實驗時，可以啟發學生利用該電路模擬油田的產液變化。

二、實施多樣化教學，提高學生的科研素養

（一）設立廢舊儀器實驗室

廢舊儀器實驗室能夠實現廢物再利用，是一種變廢為寶的措施。應充分利用實驗室提供的物質和空間資源，集中已老化報廢但部分部件仍能正常使用的已淘汰廢舊設備，配以儀器的使用說明或者搜集到的相關圖片、文字資料，收集各類廢舊家電、工具、儀器設備、配件等，再配備計算機，設立廢舊儀器實驗室。廢舊儀器實驗室是物理實驗愛好者的樂園，學生通過仔細研讀儀器使用說明書、圖片或者利用網絡資源查閱文字資料，面對實物了解儀器的構造、基本原理和使用方法，這不僅有利于學生對教材內容的真正理解，而且有助于培養學生的自學能力、動手能力。教師可以向學生展示以往破壞性操作的后果或進行實地演示，讓學生明白規范化操作的必要性，為學生在以后的實驗操作中養成良好的操作習慣打下基礎。學生還可以自行設計小制作，動手拆卸出廢舊家電、儀器設備中的有用部分，對各部分進行組裝。雖然小制作的功能還不夠完善，制作也很粗糙，但學生在親自動手、動腦的活動中體驗到學習的興趣、成功的快樂，這樣的體驗能使學生終身受益。在學習過程中，學生還可以對儀器進行維修，成為實驗室工作的小助手，激發學生的學習興趣，使其感覺學有所用。在廢舊儀器實驗室，學生通過對儀器改進的方案進行驗證，以檢驗改進方案實施的可行性，培養創新思維。廢舊儀器實驗室還可以為實驗課程中未能順利完成操作的學生提供再一次學習的機會，使他們學會排除實驗中的故障，對實驗有更深刻的認識。

（二）開設公選課

高校應以素質教育為目的，以物理廢舊實驗室和物理演示實驗室為基地，對全體在校學生包括文科學生開設《大學物理演示實驗》、《物理實驗發展史》、《物理現象探索》等公選課程，供學生選修。可以重點關注物理實驗發展史中對物理學的發展、人類的進步起到關鍵作用的重要實驗，如赫茲的電磁波實驗、楊氏雙縫干涉實驗、盧瑟福的粒子散射實驗、密里根的油滴實驗等，討論這些實驗在物理學發展進程中的歷史重要性、嚴謹的實驗思想以及別具匠心的設計理念。教師在講課過程中可以引入名人案例，利用榜樣的力量感染學生，用科學的世界觀武裝學生，使學生明確物理實驗的意義，并在回溯物理發展歷史過程中的著名實驗時得到人生的啟示。應開放物理廢舊實驗室和物理演示實驗教學基地，讓學生親自動手操作儀器，仔細觀察物理現象并進行思考，使其加深對物理世界的感性認識，強化對物理概念、物理規律的理解，體會到實驗思想的嚴謹、實驗設計的巧妙，培養其理性思維方式，提高其創新能力和科學觀察能力。

（三）開展多媒體課件制作競賽

大學生的電腦操作能力普遍較強，想象力豐富，思維活躍，具有很大的智力潛能和實驗學習的主動性，這有助于教師轉換思想，接受新的理念、方法，從而提高教學質量。可以嘗試由學院牽頭、物理實驗室負責、學生會組織，選聘相關專家和學生代表為評委，在實驗課的中期或后期，開展物理實驗多媒體課件制作競賽。物理實驗室應在學期前期安排好競賽時間、與物理實驗項目相關的實驗選題、評選規則等實施方案，方便學生早做準備，學生則以自愿報名的形式參與。為了鼓勵學生積極參賽，除適當的物質獎勵外，還可以在期末實驗考核和綜合測評中對獲獎學生給予不同程度的加分獎勵。參賽學生必須在實驗課前、課中和課后做大量充分、細致的工作：課前要認真預習，明確實驗目的、實驗思想和重要儀器的使用方法，必要時查閱資料，做到思路清晰；課中要認真操作，熟練掌握基本操作規則，準確記錄原始數據，及時發現實驗中可能遇到的故障，并分析原因、找出排除故障的方法；課后要認真進行測量數據處理，并就如何減小實驗誤差進行討論，對實驗疑點、相關知識進行拓展學習。開展多媒體課件制作競賽，能夠充分發揮學生的想象力及創新能力，為學生搭建一個展示自我、勇于創新的平臺。

（四）引導學生參與實驗研究和科研活動

俗語說“：授人以魚，不如授人以漁。”進行物理實驗教學，不僅要讓學生了解實驗應該如何做，還要知道為什么這樣做，更要思考可以做什么。教師在實驗課教學過程中，要積極引導學生結合物理實驗課程項目，應用先進的實驗方法、實驗技術和手段，主動參與物理實驗研究和實驗室科研項目，在學習物理實驗基本理論、獲得科學操作技能的同時，有效培養其創造性思維和科學實踐能力。實驗研究包括物理實驗方案的改進與設計方法討論、異常實驗現象的產生因素及改進措施分析、實驗儀器的改進和維修方法的探討、實驗故障的產生原因及排除故障的方法研究、實驗數據處理方法及實驗誤差分析、實驗失敗的原因及解決辦法研究等。

例如，在“靜電場模擬”實驗中，傳統的靜電場描繪儀是以導電紙或水作為兩電極間的電介質，大多使用雙層結構的描繪儀，采用等臂記錄法來描繪，用數字電壓表觀測等電位點，這種設計存在缺陷，不能很好地描繪靜電場，學生反映實驗誤差太大。教師可以引導學生查閱資料，綜合利用物理、化學知識多方位地進行設計、改進，提出可行的改進意見，并用實驗進行驗證。在“分光儀的調整和使用及三棱鏡折射率的測定”、“用光柵測光波波長”、“用分光計進行光譜定性分析”等實驗中，分光計作為這些實驗的重要儀器，經過不斷演變和改進，設計更加科學，結構也更加精密、復雜，其使用和調整都有嚴格的規范要求，這對于初次接觸分光計的學生來說是嚴格的考驗。部分學生在調整分光計時，對載物臺調平的操作雖花費了大量時間，仍不能達到很好的調平效果。

教師可以適時組織“分光儀載物臺快速調平法”的討論，引導和鼓勵學生積極思考和解決這個問題。這樣的討論能夠激發學生探究問題的興趣，并鼓勵優秀學生脫穎而出。另外，教師可以積極組織并有意識地引導學生結合所學專業和個人興趣，積極參與教師和實驗室的科研項目，以增加師生間的交流，激發學生的學習熱情，為其自我能力的提升提供平臺。例如，機械和電子專業是集機械、電子技術、信息處理、計算機等技術為一體，以計算機應用為特色的綜合性學科，這種機電一體化應用的專業特色可以應用到實驗儀器的設計和制作中，實現實驗儀器的更新改造。計算機科學與技術專業的學生具有扎實的理論基礎、較強的程序設計和軟件開發能力，可以參與實驗軟件、實驗教學軟件的開發和應用等研究，以培養學生的綜合實踐能力和創新能力，滿足學生學以致用的成就感。

三、利用現代教學手段，提高實驗教學質量

應改變傳統的黑板加粉筆的教學模式，以適當的黑板板書為輔助，利用現代教學手段，制作穿插圖片、動畫、音視頻、虛擬現實等材料的高質量多媒體課件，建立網絡教學資源庫，引進網絡仿真實驗，實現物理實驗教學的信息化和網絡化，豐富教學內容，增加實驗教學的趣味性，培養學生主動參與、主動探索、主動思考的能力。尤其是對于利用常規方法進行圖形和數據處理比較困難的部分實驗項目，利用計算機進行處理就比較容易完成。利用CAI教學課件作為輔助教學工具，可以將復雜的圖表、實物圖、電路圖等通過圖像、聲音、動畫、影像等形式形象地展示出來。仿真實驗可以利用計算機技術把實驗原理的理解、實驗儀器的結構、實驗的教學內容、實驗報告的書寫、教師的指導和學生的操作活動有機地結合起來，將一些因實驗室客觀條件限制還未開出的實驗項目，通過模擬物理實驗在計算機上完成，其效果甚至好于實際實驗的效果，能方便學生自己安排時間進行預習、操作及復習。現代化的實驗教學還能促使學生在校園網上反復查閱教師課件等教學資料，以提高實驗效果，并對一些疑難問題及實驗方法、技術和儀器改進方面的想法在網上隨時與教師進行交流和討論，教師要鼓勵學生提出改進性建議，設計出科學合理的方案，培養學生的科研能力。教師還可以利用校園網絡及時公布學生每次實驗的評定情況，使學生及時了解自己的實驗成績和存在的問題，如果需要，可以隨時預約重做實驗。

四、實行開放式教學，強化因材施教

實行全方位、多層次的開放式實驗教學，不只局限于時間和空間的開放，更重要的是教學內容、方法和手段的開放，是觀念意識的開放。開放性實驗室可以實現對外聯網，給教師和學生帶來極大的方便。

（一）有助于體現以人為本的原則

學生登錄校園網的網上選課系統，根據教務處對實驗的課程安排，結合自身的實驗基礎、興趣愛好和所修專業的特點，可以自主選擇實驗時間和實驗題目。這體現了以人為本、因材施教、因人而異的原則，滿足了不同需求、不同層次、不同專業學生的要求，有效推進了數字化校園建設。在物理實驗室開放教學的模式下，學生可以有目的地選擇與專業相適應的物理實驗，通過物理實驗充分感受到物理科學在實際工作和生活中的應用，培養學以致用的思想意識。開放的物理實驗室使學生在時間和空間上有了更大的靈活性，為學生安排學習時間、制定學習計劃和發展方向帶來極大的便利，符合當今社會所倡導的自主化、人性化管理理念，對實驗教學管理工作的信息化、網絡化建設具有促進作用。

（二）有助于學生完成課前預習和數據處理

開放的實驗可以將實驗教學內容的預習和數據處理的環節安排到實驗室課上完成。與理論課相比，實驗課的一個重要特點是要求學生能夠多思考、多分析，獨立完成實驗操作，所以，明確實驗任務、了解儀器的結構功能及操作要領、掌握誤差來源及減小誤差的方法等實驗前的預習工作尤為重要。但是，傳統的實驗前預習只限于對實驗教材的閱讀及撰寫預習實驗報告，學生從教材上生澀的專業術語、模糊不清的儀器結構圖中感覺實驗內容枯燥乏味或看不懂，只能盲目地抄襲實驗講義，以應對教師的課前檢查，這樣不僅浪費了學生的時間和精力，不會對實驗教學有所裨益，而且會影響學生對實驗的興趣。讓學生進入實驗室面對實驗儀器有針對性地進行實驗前預習，可以使難以理解的內容變得生動、易懂，學生的興趣大增，預習質量明顯提高，避免了以往實驗前預習的諸多弊病。學生可以在課堂上進行數據處理，教師可以當堂進行批改點評，對實驗報告中出現的問題及時加以糾正，不斷總結教學經驗，調整和完善課堂教學內容，探索適當的教學方式。

（三）有助于培養學生的創造性思維

開放的實驗室可以彌補課堂教學時間的不足，為實驗課內不能順利完成實驗或實驗失敗的學生提供完成實驗或者重新實驗的機會。在開放實驗室的時間內，學生還可以做一些難度較大或者感興趣的實驗項目，充分發揮自身潛能，培養獨立思考、積極探索、不斷創新的精神和永不滿足、追求卓越的態度。例如，在“拉脫法測定液體的表面張力系數”的實驗中，有些學生在完成實驗測定后，希望探索溫度對液體表面張力系數的影響、液體表面張力系數與液體中所含雜質濃度的關系。學生通過查閱大量文獻，設計實驗方案，在課余時間進行實驗，充分發揮實驗設備的潛力，以最少的投資發揮最大的效益，使課內實驗與課外開放實驗有機結合起來，滿足學生求知和創新的欲望。開放式教學模式可以為學生主動學習和個性發展創造良好的外部環境，滿足其求知、探索和創新的欲望，側重于創新精神與能力的培養，體現以人為本的教學理念，可以有效解決當前實驗教學中存在的問題。

五、完善實驗考核制度，保證教學效果

實驗考核是檢驗實驗教學效果的重要手段，是實驗教學改革的基本組成部分，也是實驗教學工作的重要環節。完善的考核制度能夠客觀反映學生的理論知識水平、操作技能，科學評定學生的綜合實踐能力，培養學生嚴謹的治學態度、實事求是的工作作風和開拓創新、不斷探索的精神。針對學生不注重平時的實驗操作過程，抄襲、修改或編造數據的不良作風，對學生的實驗課程成績可采用“課程總評成績100％＝平時成績60％＋期末實驗操作測試成績40％”的折算方式來進行評價。在總評成績中，平時成績比例要加大，目的是鼓勵學生重視平時的實驗，以提高實驗操作水平。平時成績涉及的評定因素較多，包括出勤、實驗預習情況、實驗操作完成情況、實驗結果和實驗報告質量等，教師要善于觀察，做好平時的實驗記錄，做到客觀公正、實事求是。另外，教師還要考察學生是否能獨立地排除實驗故障，課堂提問、課堂討論、提交作業及工作態度等情況都可以用來綜合考察學生，評定學生的學習情況。其中，實驗操作及動手能力是學生實驗過程的關鍵，教師要進行巡視考察。對于學生的實驗報告，要考察實驗數據的真實性、數據處理方法、誤差的計算、實驗結果的誤差及分析、異常現象的解釋等。

為了對學生的實驗教學進行更全面的考核，突出對學生實驗操作技能的考核力度，教師不能只看實驗報告，要杜絕抄襲報告的現象。具體的做法是，在學期期末，教師選取一些以實驗基本操作技能為考核重點的題目，學生隨機抽取題目后，經過30分鐘的準備工作，在規定的時間內獨立完成實驗操作，回答實驗涉及的問題，并當場完成實驗報告的撰寫。教師要在學生的操作過程中進行巡視，觀察學生實驗操作的規范性和熟練程度以及數據記錄、實驗結果處理、解決問題方法、臺面整潔與否等實驗習慣。對于綜合性、設計性、應用性實驗項目，尤其是涉及物理知識與學生所學專業相關的項目，要通過考察設計實驗方案、撰寫實驗論文等方式進行綜合考核。對于在多媒體課件制作競賽中獲獎以及在實驗研究和科研活動中表現突出的學生，可以在期末實驗操作測試和期末綜合測評中給予不同程度的加分獎勵。總之，應不斷完善實驗考核制度，促使學生在研究中勤于觀察思考，善于發現問題、分析問題和解決問題，激發學生進行實驗研究的積極性、主動性和自覺性，進一步提高學生的綜合素質，實現創造性思維和創新能力的培養。

六、結束語

篇7

關鍵詞：比喻；物理教學；課題研究；課堂效率

在物理教學過程中，教師經常會感到有些知識點很難講清、很難讓學生真正領悟，都會很自然地運用到比喻的教學手法。恰當而生動地運用比喻，能使抽象的變成形象的，這樣更能幫助學生加深理解；能夠將物理學深奧的知識介紹得深入淺出，激發學生的學習興趣，提高課堂效率。筆者通過《比喻在物理教學中的運用》課題研究，認識到了比喻教學法在高中物理課堂教學中的作用，比喻教學法在高中物理教學中的常見形式，物理教學中比喻藝術的基本要求。現將研究結果總結如下，以供大家參考。

一、比喻教學法在高中物理教學中的作用

比喻在物理教學中，具有化抽象為具體、化未知為已知、化深奧為淺顯、樹立鮮明生動的直觀形象的作用；具有啟發思維、拓寬思路、引導學生進行推理的作用。因此，在物理教學中恰當地運用比喻不僅豐富教學語言、提高學習興趣，還能調動學生的注意力。

1.樹立直觀形象

人們獲得知識大都是從生動的直觀開始，生動鮮明的直觀形象能給人們提供具體的感性認識。沒有生動的直觀，就很難進行科學的抽象，直觀是抽象的基礎，沒有必要的感性認識就難以達到理性認識。實物直觀和模像直觀都是提供直觀形象的有力手段，但是并不是所有的物理規律都能通過實物或模像建立直觀形象，即使在可以使用實驗或圖片的場合，也必須輔助以言語直觀，因為實驗或圖片并不能把所有關鍵的細節和過程都表達清楚。在不能應用實物直觀和模像直觀的地方，比喻有著獨到的直觀性作用。

例如，為了說明功與能既有聯系又有區別的關系，可以把某物體具有能量比作某人具有一定數額的存款（包括銀行里的存款和手里的現金），把做功的過程比作花錢買東西的過程，把買東西所花錢的數量比作功的多少。如果你想判斷一個人是否有存款，一個簡單的辦法，就是看這個人是否不斷地花錢買進新的東西。這個人有存款就能夠買東西，存款數量的變化，可以用花掉了多少錢來計算，買了多少錢的東西，他手中的存款就減少了多少。但是有存款的人未必一定要花錢買東西。同樣道理，一個物體能對外做功，它就一定具有能量，能量的變化可以由做功來量度，這個物體對外做了多少功，它的能量就相應地減少了多少，功是能量變化的一種量度。物體是否具有能量的標志之一是看它能否做功，能做功和做功與否是兩碼事。就像有了錢可以買東西，但有錢并非一定要買東西一樣，具有能量的物體可以做功，但是不做功的物體不一定不具有能量，因此可以說某物體具有能，但不能說某物體具有功。

2.增加物理課堂教學語言的色彩，調動學生在物理課堂的注意力

物理教學過程中，雖然用新穎有趣的實驗可以加深學生對知識的理解，但多數時間要靠教學語言來進行。教師的語言既要通俗易懂，又要深入淺出。不僅要有科學性與思想性的統一，精確性與針對性的綜合，也要有啟發性與趣味性的和諧。語言的趣味是語言藝術的技巧問題。在學生吸取知識營養時，不能讓學生感到物理學是生、冷、硬的知識“拼盤”，而應讓學生感到物理知識像宴席上的一道“名菜”那樣，不僅有豐富的營養，而且色、形、味俱佳，使學生觀其艷美的形色、嗅其濃郁的香味便垂涎欲滴。那種“知識拼盤”，盡管營養豐富，既引不起食欲，也難以消化。

巧妙運用比喻，不僅能引起學生學習物理的興趣，還能幫助學生增強記憶，從而對提高物理課堂教學效率方面起著不可估量的作用。

黑格爾曾說：“比較法是指能看出異中之同或同中之異的認識方法。”“比較是一切思維的基石”，比較法是最重要的邏輯思維方法。通過比較策略的實施和學生的成功運用，可以培養學生的求同、求異思維。通過對有關知識的概括、總結、分析和比較，可把學習的內容有機聯系起來，起到對比掌握、加深理解、系統鞏固的作用。

教學是一種藝術，教師如何做到在課堂上有成效地利用注意規律，交替調動學生的有意注意和無意注意，是教學藝術的重要體現方面。

要想使物理教學妙趣橫生，要充分調動學生的非智力因素參入學習，只有結合教學內容適度地潤色、得體地發揮，才會收到良好的效果。恰當地運用比喻，既有助于學生理解、記憶知識內容，又能引起學生的學習興趣，使學生在輕松愉快的氣氛中掌握了知識，我們又何樂而不為呢？如果一堂物理課講得學生愿意聽并且聽得懂，學生就會喜形于色，學生的興奮情緒反饋給教師，教師也會陶醉于成功的喜悅當中，促進教師產生更好的教學情緒，使教學進入更佳的狀態。

二、比喻教學法在高中物理教學中的常見形式

1.模型教學中的比喻

有人曾給電荷下定義：電荷是一種類似于法國香水的東西，敷上了它就能夠吸引異性。這個比喻用一個奇妙的聯想，把要說明的知識要點用一個極為常見的生活實例表達出來，給人留下生動而深刻的印象。

2.過程解析中的比喻

愛因斯坦在談到動能和勢能的轉化時說：“動能和勢能加起來的全部能，舉例來說，可以跟總數不變的錢相比，它們不斷地按照固定的兌換率由一種貨幣兌換成另一種。例如，由英鎊兌換成美元，再由美元兌換成英鎊。”這是多么棒的一個比喻！

再如，振動圖像和波動圖像的物理意義，可用“一個人一生的身高情況”和“某一時刻各個人的身高情況”進行比喻，指出它們描述的是“一個質點在各個時刻的位移”和“多個質點在同一時刻的位移”。

學生初次接觸到“加速度減小，速度卻可能在增大”的辯證關系時，可形象地比喻成“人從出生到成年，身高的增長越來越慢，但畢竟在增長”。這個比喻形象直觀，通俗易懂，可使學生對加速度與速度的關系豁然開朗。

3.規律展現中的比喻

楞次定律是電磁感應中的重要定律，由于定律文字敘述概括，理論意義豐富且深奧，學生常常理解錯誤，不少學生把“阻礙磁通量的變化”理解為和原磁場方向相反，混淆了“阻礙”和“阻止”的含義。當磁極來時，線圈的近端產生同性磁極，抗拒磁極的接近，顯得冷酷無情；當磁極走時，線圈的近端又產生異性磁極，吸引原磁極，顯得多情好客。線圈的個性是“來拒去留”，該比喻準確地描述了定律的含義，又使定律擬人化，降低了教學難度，既講了物中之理，又講了理中之趣，有效地調動了學生學習的積極性。

4.性質講解中的比喻

靜電場的性質可用試探電荷來檢驗，但試探電荷的線度和電量必須足夠小，電場的存在和強弱并不因檢驗電荷的有無和電量大小而改變。這一性質與“人的體溫可用體溫計來測量，體溫計很小，放入人體不致引起體溫變化；即使沒有體溫計，人的體溫也照樣存在并基本保持不變”非常類似。

描繪電場線時，可把正點電荷的電場線比喻成“光芒四射的太陽”，負點電荷的電場線像“眾矢之的的靶心”；等量異種點電荷的電場線“攜手合作”；等量同種點電荷的電場線則“勢不兩立”。

三、物理教學中比喻藝術的基本要求

1.同構性――防止牽強附會

所謂同構性，就是喻體和本體從性質、特征上要盡可能相似，不能生拉硬搬，用格格不入的事物、現象來做比喻。如用足球場上運動員的奔跑和沖撞來比喻分子運動，一來數目相差過于懸殊，二來足球比賽很難說是“無規則運動”，而這一點正是分子運動的關鍵特征，比喻運用極不恰當，不如用鋼球模擬法更清楚。

2.簡化性――避免得不償失

所謂簡化性，就是運用簡單和學生熟知的客觀事實、現象做比喻化解知識難點，使得所學知識通俗易懂，從而提高教學效率。下列事例是不宜用作比喻的：教師熟悉學生不熟悉的；涉及過多的背景知識，消耗大量時間的；有可能節外生枝、產生新的疑點的。

3.德育性――避免低格調

所謂德育性，就是運用比喻時要注重思想教育作用和美育熏陶作用，避免低格調、庸俗化。如講解作用力和反作用力時，舉例說有個孩子落水，你沖上去救他，你向上拉的力和他向下拉的力大小相等、方向相反，但我們還是會義無反顧地去救他。這樣就在無意中宣揚了救人于危難之中的雷鋒精神。倘若舉例說明甲打乙一拳，實際上乙同時以同樣的力也還了甲一拳云云，那就無異是在教室里宣揚打架斗毆了。比喻的美育熏陶作用也是不可忽視的，不能把比喻庸俗化。如講解能量守恒觀點，一種形式的能增加了，必然有其他形式的能減少了，不可能使得所有形式的能量都增加時，倘若舉例說“打麻將時，有人贏了多少錢，就有人輸了多少錢，總量是不變的”，這樣的比喻不僅不科學，而且十分庸俗。

恰當的比喻能化解教學難點，提高教學效率，有時甚至能在笑聲中一勞永逸地解決那些原本很難說清楚的問題，起到事半功倍的作用。

總之，在物理課堂教學中，選用恰當的具體事物，以不失科學性為前提，用比喻說明抽象的道理，最大限度地揭示自然界客觀事物的本質，用已知來開拓未知，是一種簡單而有效的教學方法。當然，應用比喻，并不是以淺顯的道理代替較深的理論，更不是濫用玩笑代替耐心細致的講解，而是要求教師緊密結合教材內容，根據具體情況，做到言之有理，言之有物，言之有據。物理教師要深入理解教材，對教材中適宜用比喻的地方做到心中有數，從日常生活、從學生已學過的知識中找到恰當的比喻用于課堂，這樣日積月累，從實踐中不難掌握運用比喻的技巧，最后達到妙喻連篇、精彩紛呈的境界！學生會在歡笑的氛圍中學到知識，快樂成長。

參考文獻：

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關鍵詞：物理實驗室；實驗室建設；教學改革。

在高校人才培養過程中，高校物理實驗課占有十分重要的地位。大學物理實驗課程是一種實踐性和創新性很強的教學環節。為了提高物理實驗水平，以下介紹我院在物理實驗室建設過程中所采取的一些改革措施。

一、注重儀器設備配置的合理性

當今科學技術日新月異，儀器更新換代頻繁，為保證學生接觸到新儀器、新技術，掌握先進的實驗技能，作出前沿水平的實驗結果，必須保證儀器的先進性，才能保證實驗手段的先進性。合理配置實驗項目和儀器的套數。一般高檔、先進的儀器設備花錢較多，購買的套數少，而花錢較少的設備則多上幾套。這樣，既讓學生接觸到了先進的儀器設備，又完成了正常的教學任務，并且還節省了寶貴的建設資金。

充分注意實驗儀器的教學作用。高校物理實驗的目的之一是要培養學生的動手能力和觀察分析能力，有些自動化程度較高的儀器設備并不利于學生的動手能力和觀察分析能力的培養。因此，我們在選擇儀器設備時，不僅要注重儀器的先進性，而且要注意它的教學效果和對學生動手能力的培養。

二、更新物理實驗內容，加強學生創造能力的培養

實驗室是高校教學、科研的主要基地。但長期以來重理論、輕實踐，重知識、輕能力的教學模式，使培養出來的大多數學生缺乏創造性，缺乏分析問題和解決問題的能力。

多少年來，在傳統的實驗教學中，教師的主要任務時傳授知識，學生是教學活動中的被動者，做實驗只是按照標準的程序驗證原理和定律，實驗教材對所需儀器設備、線路連接、操作步驟、觀察內容等均已詳細說明，學生做的只是試一下與教材內容是否相符及分析實驗結果。原有物理實驗課的這一現狀已經不能適應當今科學技術的發展和社會對創新型人才的需要，因此，物理實驗教學內容必須進行改革。

我們根據《高等學校工科物理實驗課程教學基本要求》的目標和要求，開設了轉動慣量測定、測量金屬絲的楊氏模量、導熱系數測定、聲速的測量、光的干涉、分光計的調整、電位差計、靜電場描繪等“力、熱、光、電”20多個基本實驗，同時還開設了光電效應、非平衡直流電橋的應用、示波器測量鐵磁材料的磁滯回線等現代高新技術綜合實驗。讓學生親身體驗到高新技術，通過學生親手完成實驗使他們不再感到科學的神秘，這對培養高素質的創新型人才是非常有幫助的。

學生在做完一些基礎實驗之后，就具備了一定的實驗能力，這時候就有必要讓學生自己去設計實驗。設計性實驗是教師根據當堂課的實驗儀器提出設計性實驗的目的和要求，以及要完成的實驗內容，讓學生根據眼前的實驗儀器，設計實驗方案，擬定實驗步驟，最后自己完成實驗。這種設計性實驗的能力是現在大學生需要的。

目前，我們設計性、綜合性物理實驗的開設數量已經滿足了教育部對物理實驗課程的基本要求。由于設計性、綜合性實驗注重培養學生創造性思維的能力和方法，能培養學生綜合運用所學的知識，提高解決問題的能力，因此我們今后在訓練學生基本實驗技能的基礎上，相應減少一些驗證性的實驗，提高基本實驗的起點，適當增加對學生科學思維和動手能力有幫助的設計性、綜合性、創造性實驗。根據現有的儀器設備中選一些內容恰當、符合現代化科技的設計性實驗題目，供學生選做。

三、改進教學方法，改善教學手段

學生對普通物理實驗不夠重視是一個比較普遍的問題，究竟是什么原因使學生對如此重要的環節不予重視？究其原因是多方面的，其主要因素之一在于教學方式過于陳舊、呆板，課堂教學過細，實驗過程控制比較死，學生發揮不了主觀能動性。為了激發學生的主觀能動性，我們除了更新實驗教學內容，增加學生感興趣的設計性、綜合性、創造性實驗外，還對教學方法做了改進。基礎課在科技進步的時代，更應該強調以人為本。高校更要解放思想，轉變觀念，實行以學生為主體，教師為主導。要多給學生一些自由發揮的空間，提高學生的學習興趣和主動性，培養學生的創新意識和能力。理論與實踐、課堂教學與實驗教學緊密結合已成為現代教育的趨勢，加強實驗教學是構建培養創新人才體系的重點，也是提高學生創新精神和能力、促進學生個性發展的重要途徑。

四、改革考試方式，指導學生向創新型發展

以往的物理實驗考試方法只有筆試和操作兩種，但都離不開教材。學生只要熟讀教材，就能夠通過筆試；按照教材操作，就能通過操作考試。這種方式實際上在物理實驗方面容易誤導學生死讀書，不能提高學生的創造性思維，所以必須采用新的考試方式取而代之。

新的考試方式要求學生在特定的時間內，設計一個小實驗。這個實驗要以學過的試驗中發揮自己的創新能力，這種考試的答案并非唯一。教師根據學生設計方案的好壞、完成過程的正確與否、是否具有創造性等因素來評定成績。對于筆試的試題，我們要求每位授課老師出6-10張試題卷，這些試題卷將進入我們的試題庫。考試前隨機抽取一套試題。這樣的考試方法雖然大大的增加了教師的工作量，但能夠真正的提高學生獨立自主解決實際問題的能力。

以上就是我們在物理實驗室的創新和建設中的一點嘗試和體會，由于我們這一工作剛剛開始，難免會有一些不妥之處。總之，我們將培養與社會相適應的人才，為深化改革，強化素質教育，作出應有的貢獻。

參考文獻：

[1] 宋克威. 建立設計性物理實驗室為教學改革創新路[J].大學物理實驗，1994，（2）

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這里的“模擬”是指通過設計與原型相似的模型，并利用該模型來間接地研究原型規律和過程的方法。此法應用于物理教學可使事過境遷或稍縱即逝的自然現象或過程在實驗中重現，可將現象簡化或進行時間、空間的放大或縮小，甚至可對那些既不能打開，又不能從外部直接觀察其內部狀態的系統進行研究。特別是解決那些尚無簡單有效的儀器可演示的實驗，模擬實驗成了一種重要的教學輔助手段。

物理實驗中的模擬法，根據它的特點和主要功能，我在此粗略地把它分為以下四類。

1　研究主體模擬

在這里把可以用放大或縮小的，相似的，而又能反映事物某方面規律的客觀實體來代替研究對象的方法稱為研究主體模擬。

研究主體模擬的設計思想主要在于下述兩種情況：其一是為了突出客觀實體的主要矛盾和本質特征，摒棄次要的非本質因素，使研究對象從客觀實體中直接抽象出來。如物理中的多種理想模型，以及天體運動模型，微觀結構等幾何相似模型。在研究二極管的單向導電性時，我在實驗基礎上，運用研究主體模擬法，用自行車氣門和進水閥門來模擬單向門。如此，不但加深對“單向性”認識，而且激發了興趣，開闊了思路。

其二是為了解釋某些行為和特征而建立起來的模擬。如地球因自轉而產生的科里奧利力、南北半球的氣旋、旋渦方向等，在地理課中亦有提及。方法：我們可以取一只舊的橡皮籃球(或地球儀)來模擬地球自轉，然后將紅墨水從上往下滴落在轉動的“地球”表面。此時可明顯看到水痕向西邊呈擴散狀，從而令人信服的說明北半球向南的水流沖刷西岸這一自然現象。

我市慈溪中學物理組自制的波的形成演示儀，也是對研究主體——繩波中的繩用小球進行了模擬。把小球用彈性橡皮筋豎直懸掛，每個小球間也用彈性橡皮筋連接，這樣就用小球模擬了繩中的各個質點。每個小球間的彈性橡皮筋表示各個質點間是有相互作用的彈力的，任意一個質點所做的振動都是受迫振動。

2　物理相似模擬

在科學研究和工程技術的許多領域中，人們常常希望利用模擬試驗來代替對實際現象的研究，以便使我們可能在一定程度上預言某些在目前尚無法達到的條件下出現的情況。例如用水代替石油研究其在管道中的運動。其特點是模擬與原型遵循同樣的物理規律，故稱之為物理相似模擬。

物理教學中的“失重和超重”，我們用類似航天員訓練的方法模擬。一種是測力計與物體一起自由下落(實驗室有成套實驗器材)，另一種利用物體在液體中所受的浮力等于重力去模擬物體在失重下的物理狀態。

海市蜃樓是一種罕見的自然現象，教學中一般只作介紹，至多不過看看錄像，不能滿足學生的好奇心和求知欲，如果能在實驗室加以模擬，則不僅可激發學生探求自然奧秘的濃厚興趣，還可加深對有關知識的理解。首先，我們可以在三面透明的玻璃箱中放人若干白糖而不加攪拌，使糖水造成折射率隨深度而變化，而最大折射率出現在含糖較多的容器底部，以此來模擬大氣折射率隨高度而變化。當用氦氖激光光束從側面射入此溶液時，即可看到光束彎曲現象。然后再以某些景物作海市蜃樓模擬，使之起到突破時空限制，重現自然奇景之目的。另外，用帶電的肥皂泡在豎直電場中的平衡進行“密立根油滴實驗”的模擬(比較困難)，以及十分壯觀的“可樂瓶水火箭”等，均是物理相似模擬的范例。

3　過程模擬

如果把具體物理過程純粹化、理想化，并根據其本質特征而設計的一種模擬叫過程模擬。其特點是過程簡化，易于控制。

例如，氣體壓強的分子運動論觀點，通常采用雨滴打傘面來類比。這種大量分子對器壁連續碰撞的過程，書本介紹用豆(或沙)落在電子稱上來模擬，就顯得直觀生動了。裝有鐵屑的試管模擬鐵棒的磁化和退磁等都是過程模擬的成功例子。

又如布朗運動的模擬，用一個裝有小彈球的容器，小彈球可以被底部彈射裝置無規則攪動，分別放入小球，相對較大的球，分析放入球的運動及受力情況，從而更好地理解布朗運動的特點。

我們在分析曲線運動時，有一個重要的思想方法——運動的合成和分解是個難點，在此我們以平拋運動為例，在演示有關實驗后，用“慢鏡頭”的方法，手持粉筆頭邊走(模擬水平勻速直線運動)邊從上向下加速下移粉筆頭(相對于自己)，以此模擬平拋運動，既簡單明了，又便于分析。

熱學中的統計方法和光本性概念，由于受課堂教學方法和時間的限制，怎樣從個別事件的無規律過渡到大量事件的有規律，成了模擬實驗的設計難點，在教學中可采用這樣的替換，把在不同時刻的物體空間分布規律等效變換成同一時刻不同狀態規律的比較的方法，讓全班同學同時擲硬幣若干次，然后統計比較下列情況“國徽”朝上的次數：(1)某同學，(2)某小組同學，(3)全班同學。從而使學生既突破了難點又受到一次生動的方法論教育。

4　模擬放大

在物理概念和規律教學中，學生往往對那些不易觀察或不能從外部直接觀察其內部狀態的規律，因缺乏形象的感性材料而引起思維障礙。模擬放大就是采用空間放大和時間放大的方式，抓住本質特征，展現實驗，使其生動、直觀、形象。從而促進思維順利進行。

液體表面張力實驗中的“水面浮針”，學生感到新奇，但在分析受力時往往錯誤認為表面張力與重力平衡，經指出后又不理解沿液體表面作用的力并沒有作用在針上。究其原因是學生在形成概念過程中缺乏直觀材料。為此。我用一只較大的氣球，充入少量氣體，然后在上面放一根小鐵棒，以此來模擬放大液面浮針，并指出液體表面張力同橡皮膜的張力，只作用在它們的表面，并沒有作用在針(或棒)上，作用在針上的是因液體表面張力而產生的液面對針的支持力。通過令人信服的實驗還使學生進一步明確：表面張力的作用是保持液面不分裂。

力的分解，關鍵是根據力產生的效果來確定分力的方向。斜面上物體的重力的分解是其中的典型，我們教師在教學中用長毛板刷來模擬放大物體的運動趨勢，用吹塑紙(或海綿)模擬斜面擋板，則斜面被壓和物體向下滑動趨勢一目了然。這樣，學生也能用類似方法分析其他力產生的效果。

教材里有一個固體形變演示實驗：用手捏壓裝滿水的圓柱體玻璃瓶(瓶蓋中心開孔并插一玻璃細管)，玻璃細管中水面上升，松開手，水面又降回原位，這說明瓶子受捏壓時發生了形變。其實這個實驗，我們需稍加改進。因為有的學生提出水面上升不是因為瓶子形變，而是由于手的溫度較高，瓶中的水吸熱升溫體積膨脹所致，為了消除學生的誤解，可將圓柱體玻璃瓶換為橢圓柱體玻璃瓶，先沿短軸方向捏壓，細管中水面上升，后沿玻璃瓶長軸方向捏壓，細管中水面不但沒有上升，反而還下降了。從而使學生確信水面的升降是玻璃瓶形變的結果。這樣一來，不僅效果依然明顯，而且使實驗可信度大增。