从磁悬浮导轨动力学实验简析大学生实验技能的培养

张 伦，于建勇，李 艳，郭三栋，渠立成

(中国矿业大学 理学院,江苏 徐州 221116)

从磁悬浮导轨动力学实验简析大学生实验技能的培养

张 伦，于建勇，李 艳，郭三栋，渠立成

(中国矿业大学 理学院,江苏 徐州 221116)

磁悬浮导轨动力学实验因涉及到先进的磁悬浮技术而受到大学生的青睐。文中以该实验为例，探讨大学生实验技能的培养。磁悬浮导轨动力学实验虽然原理简单，但实验内容丰富，有助于学生实验技能的训练。分析认为，可以从实验数据点的采集、实验思想的培养、实验结果的正误判断、错误实验结果的原因排查、误差的减小和数据的处理等方面来培养学生的实验技能。

磁悬浮导轨；动力学实验；实验技能

磁悬浮动力学实验是在以前气垫导轨实验的基础上研发的一个实验，因其涉及到先进的磁悬浮技术而受到大学生的青睐。1842年，英国物理学家Earnshow提出了磁悬浮的概念，自此，在世界各地科研人员近两个世纪的努力，磁悬浮技术已在列车、潜水电泵和离心式鼓风机等领域有所应用[1-2]。至2012年为止，世界上有常导电式磁悬浮、超导电动磁悬浮以及永磁悬浮三种类型的磁悬浮，其分别以德国、日本和中国为代表[3]。而本实验磁悬浮导轨属于永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持。

本文目的不是介绍和讨论磁悬浮技术，而是通过磁悬浮动力学实验简单探讨大学生实验技能的培养。该实验属于综合性实验，虽然原理简单，但实验内容却是很丰富，可以测量小车运动过程中所受阻力加速度(af)、研究速度(v)和位移(s)的关系、测量重力加速度(g)以及验证牛顿第二定律(F=ma，其中，F,m,a分别为外力、质量和加速度)等。从课堂上进行实验操作、数据记录到课后数据分析及处理，涉及到多方面的知识和能力，因此磁悬浮动力学实验有助于培养大学生的实验技能。通过该实验，从实验数据点的采集、分组实验思想的培养、实验结果的正误判断、错误实验结果的原因排查、误差的减小和数据的处理等方面来讨论大学生实验技能的培养。

1 如何培养大学生的实验技能

大学生实验技能的培养和提高是大学物理实验教学的一个重要目标。针对这一目标，磁悬浮导轨动力学实验不失为一个好的实验项目[5-6]。分析认为，在该实验教学中，可以从以下几个方面对学生进行系列的实验技能训练：

(1)培养学生如何采集实验数据点

如果所研究的两个物理量之间的关系是非线性的，又该如何采集数据点呢？以pn结正向特性的研究实验为例，所研究的电压和电流两个量是非线性关系，那么在实验中就不能简单地让电压等间隔的变化，而是应该先在实验中找到电流突然增加的临界点，然后在接近拐点时应该相对密集地采集数据点。不同的数据点采集方法在不同的实验教学中应该有所侧重。

(2)重点培养学生一种实验思想

图1 小车不受拉力时在倾斜的磁悬浮导轨上运动示意图

上面提到的这一实验思想不仅在简单验证性实验中(学生知道v2-s在理论上是线性关系)显示其重要性，而且也渗透到探索性科研实验中。笔者研究过纳米半导体催化剂Cu2O的形貌调控，虽然实验难度和实验参量数目远远超过v2-s的研究实验，但同样用到这一实验思想。笔者使用氮氮二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂合成了不同形貌的Cu2O纳米晶，如图2所示，Cu2O纳米晶的形貌变化虽然很大，但合成样品时也只是改变了其中的一个参量，即醋酸根离子的浓度，其它参量和实验条件都未变化。因此，这一思想的培养有重要意义，对学生的影响深远。

图2 不同形貌Cu2O纳米晶的SEM图像，(a)-(c)分别对应在30，60和90 mL DMF中合成的样品[4] 。

(3)培养学生如何判断实验结果的正误

笔者在大学物理实验教学中发现，少数学生会积极主动判断实验结果的正误，大多数同学则是做完实验请老师判断正误。因此，在课堂教学中，教师要想办法引导学生主动分析自己实验结果的对错。比如，讲课时加一个问题：“同学们，随着位移的增加，速度将怎样变化？”，学生都会从理论上做出推断，速度应该增加，做实验时，他们就会自己判断实验结果，并且多数同学得到不合理结果时，会主动请老师帮忙分析。

此外，授课时还要引导同学如何快速判断自己的实验结果对不对。比如，学生测量重力加速度时，要求学生测量5次取平均值。有两种方法来做此实验，其一，在5次测量中，改变释放小车的位置，改变两个光电门的距离(如图3所示)，并且每次倾角的改变量不同(或大或小)。其二，在5次测量中，释放小车的位置相同，两个光电门的距离保持不变，并且每次倾角的改变量相同。显然，两种方法都能测量计算得到g值。但第二种方法能够更快地检查实验结果的对错，因为随着倾角的增加，速度越来越大，而且近似线性增加。第一种方法因为实验条件变化很多，不能一眼看出实验结果对错，只能计算出结果才能判断出对错，而且有可能因倾角改变量太小导致速度变化不明显。在F-a关系的研究中，也同样存在这样的问题，作为教师应该引导学生快速检查实验对错，好及时修正。

这种理念在探索性实验中也常常需要，上文提到笔者是做纳米材料形貌调控研究的，通常对材料做透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)表征，其实如果在材料制备过程中细心观察，抓住关键特征，就可以知道样品合成是否成功，不一定非等到TEM/SEM检测了才知道。比如，观察材料合成过程的颜色变化，有时就能判断出实验已经失败，没有进行TEM/ SEM表征的必要了。

图3 小车受拉力时在倾斜的磁悬浮导轨上运动示意图

(4)培养学生分析导致错误实验结果的原因

部分同学在实验中会得到与事实截然相反的实验结果，教师可以指导学生查找错误的原因。例如，小车的阻力加速度的测量是在水平导轨上进行的，如图4所示，在这项内容中，向导轨外侧拉动手柄压缩弹簧A，将小车弹出去，小车获得一初速度之后即做减速运动。但笔者时而会发现学生得到加速运动结果，什么原因呢？观看学生的操作就能发现真相，原来学生通过压缩小车上的弹簧B将小车弹出去，此后系统的弹性势能逐渐转变为小车的动能，所以小车做了加速运动。虽然理论课上，学生也用过这个模型分析过弹性势能转变为动能的过程，但在实验中有时想不起来用此理论来分析，所以实验教师可以有意识的加以引导。再比如，在验证牛顿第二定律时，随着砝码的增加(即外力的增大)，小车做加速运动，速度越来越大。有时，学生会一脸困惑地来问砝码增加了，小车怎么做减速运动呢？让其做一遍给笔者看看，原来小车没经过光电门2之前，砝码已经落地了，砝码落地意味着外力的撤除，此时因为轨道的阻力，小车的速度开始减小。通过这些生动的事例，可以教会学生如何理论联系实际和提高敏锐的观察能力，学会排查错误。

图4 小车在水平磁悬浮导轨上运动示意图

(5)培养学生如何减小实验误差

尽可能地减小实验误差是每次实验的一个重要目标。因此，教师一方面可以在学生实验过程中指导学生如何操作才能减小误差，另方面在讲解数据处理时告诉同学如何处理可以减小误差。其一，测量小车的阻力加速度时让两光电门的距离稍稍大一些，记下两光电门之间的距离，并且在重力加速度的测量和牛顿第二定律的验证实验中保持该距离不变，这样利于系统误差的消除。其二，在v2-s关系研究和测重力加速度测量这两个实验项目中让位移和倾角相对变化大一点，可以减小实验误差。其三，验证牛顿第二定律时，系在小车和砝码之间的绳子各段不能打结，因为结点通过定滑轮时会增加阻力引起误差。至于如何通过数据处理减小实验误差将在下文进行详细的分析探讨。

(6)培养学生如何处理实验数据

最后，训练学生用作图法处理实验数据。例如，v2-s关系图以及F-a关系图可以让学生用坐标纸或origin软件作图。用坐标纸作图求直线斜率时，给学生强调选取直线上相距较远的两点且不是实验数据点进行计算。origin软件常用于科研实验中的数据处理，具有很强的数据处理功能，可以建议学生尝试应用，比如，让学生使用软件进行线性拟合给出直线的斜率。

2 结 论

综上所述，以磁悬浮动力学实验为例，探讨了如何培养大学生的实验技能。其方法可以归纳为以下几点：一、培养学生如何采集实验数据点；二、重点培养学生一种实验思想；三、培养学生如何判断实验结果的正误；四、培养学生分析造成错误实验结果的原因；五、培养学生如何减小实验误差；六、培养学生如何处理实验数据。所以，综合性实验能够多方面地培养大学生的实验技能，期待开发更多受学生欢迎的综合性实验用于课堂教学。

[1] 徐晓美，朱思洪.磁悬浮技术及其工程应用[J].农机化研究，2005,11(6):192-194.

[2] 海波.磁悬浮直线运动系统的设计与控制研究.[博士学位论文].长沙：中南大学，2010:237-284.

[3] 毛保华，黄荣，贾顺平.磁悬浮技术在中国的应用前景分析[J].交通运输系统工程与信息，2008,8(1):30-39.

[4] Zhang L,Yu B,Ying P Z*,Wu L,Chen S L,Wang J R,Gu X Q,Zhou R,Ni Z H*.Studies on Formation Mechanism of 3D Cu2O Nanospheres through Self-assembly of 0D Nanodots [J].Superlattice Microst,2015,(84): 181-191.

[5] 汪六九.基本技能训练在大学物理实验中的重要性探析[J].大学物理实验，2016(1)：20-27.

[6] 张凤琴.构建大学物理实验低年级创新实验物理平台探究[J].大学物理实验，2015(6)：21-27.

Simply Talking about the Cultivation of Experimental Skill for University Students through Dynamic Experiments on Magnetic Levitation Guideway

ZHANG Lun,YU Jian-yong,LI Yan,GUO San-dong,QU Li-cheng

(China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116)

Dynamic experiments on magnetic levitation guideway have attracted increasing interests of university students due to its advanced technology.In this paper,it is discussed how to train experimental skills for university students through this experiment.Although the principle of the experiment is simple,it is good to cultivate experimental skills for the students.It is studied that the experimental technique of students can be trained by collecting experiment datum,cultivating experiment thought,judging the results correct or not,investigating reasons for wrong results,reducing experiment errors and processing experiment datum.

magnetic levitation guideway；dynamic experiments；experimental skill

2016-07-14

国家自然科学基金(11404391)

1007-2934(2016)06-0117-04

G642.0

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.032