從一類研討數字觀試驗儀器儀表組配的必須性
超聲波聲速測定儀測量聲速實驗,實驗原理簡單,既能反映物理學理論體系的多個知識點,所用的儀器設備價格又較低。所以,在國內各高校普遍開設,一些研究人員還對此實驗作了改進和補充,使其更易于使用或功能更加豐富< 5 - 6>。
該實驗所用的儀器包括超聲速度測定儀、低頻信號發生器和示波器。實驗的內容有兩個:第一是用共振干涉法測量超聲波波長,具體做法是在駐波共振狀態下,緩慢移動游標卡尺上接收器S2的位置,每當示波器上顯示振幅最大時,記錄一次游標卡尺上S2的讀數x i。共測16組數據。第二是用相位比較法測量超聲波波長,具體做法是仍在駐波共振狀態下,緩慢移動游標卡上接-收器S2的位置,每當示波器上出現直線時,記錄一次游標卡尺上S2的讀數x i共測16組數據。然后回去按逐差法進行數據處理。得出超聲波的波長。
為了了解同學們對這個實驗的體會,我們設計了一個問卷調查,參與調查的同學為40人,實際回收表格40份。1是問卷調查的內容和結果。
從該表中可以看出,同學們認為最容易的環節是聲波性質的理解和低頻信號發生器的使用,這跟我們的意料一致,同時也說明同學們對這次調查是認真的,結果會有比較高的可靠性。
而最困難的環節集中在3個地方,分別是相位法原理的理解,示波器的使用和聲速測定儀的使用。這三者當中,聲速測定儀的使用成為最困難的環節出乎我們的意料,因為聲速測定儀在整個實驗中的作用就是極大值位置或異、同相位置的確定,其操作也很簡單,只是轉動螺旋器,經進一步詢問后才了解到,同學們之所以認為相位法原理的理解和聲速測定儀的使用最困難,是因為在相位法測波長時,異、同相位置的判定比較困難。從深層次來看,這實際上是反映示波器在顯示李薩如圖形時,對兩個信號位相差反應的敏感度不合適。
收獲最小的環節主要集中在聲波性質的理解、低頻信號發生器的使用和實驗報告的撰寫上。前兩個環節也是同學們認為最容易的環節,這說明同學們自認為在以往的理論和實驗過程中已掌握了這兩個環節的知識或本實驗對聲波性質的理解幫助不大。同時也進一步說明了調查結果的一致性。至于實驗報告的撰寫這個環節被一部分同學認為收獲最小,說明現有的實驗報告撰寫規定有值得商榷的地方,一個可能的改進方向是減少實驗原理的抄寫,加強對實驗結果的討論。
收獲最大的環節是超聲波產生和接收方法的理解,最不合理的環節是低頻信號發生器的使用和實驗報告的撰寫,最合理的環節是干涉法原理的理解。這三個數據說明這個實驗的設置是有意義的,通過這個實驗同學們理解和基本掌握了超聲波的產生和接收、干涉法測波速的原理和方法。
用時最多和最希望改進的環節基本一致,主要包括示波器的使用、聲速測定儀的使用及實驗數據的正確記錄和處理。聲速測定儀的使用會成為用時最多和最希望改進的環節,其深層次原因與最困難的環節中的解釋一樣,都是因為在顯示李薩如圖形時,示波器對兩個信號位相差反應的敏感度不合適。而實驗數據的正確記錄和處理,本來就是一個用時較多的環節,也是我們所期待的結果。
總結來說,我們得到一個印象,就是聲波性質的理解和低頻信號發生器的使用是同學們已基本掌握的知識。超聲波產生和接收方法的理解是收獲最大的,而干涉法原理的理解是最合理的。示波器的使用和聲速測定儀的使用最困難、用時最多也最希望改進,相位法原理的理解雖然困難,但費時不多也不要求改進。作深一步的了解后,發現聲速測定儀的使用上的問題仍可以歸因為示波器上的問題。
分析與結論
在這個實驗中,示波器的使用之所以成為最困難、用時最多也最希望改進的環節。主要的原因就是所配用的示波器功能過于復雜。我們實驗室所用的示波器是SS- 7802A.該示波器的測量模式就有4種,而且觸發信號來源和觸發耦合模式方面又各有4種。在輸入通道方面,兩個通道( Ch1和Ch2)有多種組合,且每一通道有接通與否,是否反相,是否接地和是否交流的選擇,對初學者來說,確實會眼花繚亂。是示波器的主要性能。
從表中可發現,該示波器的功能十分豐富,相應的操作也比較復雜。統計表明,示波器上的接線點、旋鈕、按鍵有40個之多。其技術參數也十分豐富和精確。但在本實驗中,對示波器的要求是能正確地反映信號的極大值和李薩如圖形即可,其余的功能并不需要。而期望同學們通過完成本實驗,進一步熟悉示波器的使用的想法,由于存在數據測量的壓力,一般也難于達到。
正是由于在示波器上的操作用時太多,導致在整個實驗中,同學們忙于調節儀器,缺乏時間對物理現象進行仔細的觀察、分析,表現在聲波性質的理解這一環節,同學們認為最容易和收獲最小。因此,很明顯,在該實驗中配置很高級的示波器不僅沒有必要,而且還有負面的作用。作進一步的推論,我們還可以確認,在物理實驗課程中,除了實驗內容的設置要合理之外,實驗儀器的正確配置也是很重要的一個環節,儀器配置不當,將嚴重影響實驗的順利完成,從而影響到實驗目的的實現。實驗儀器越高檔,實驗就越先進,實驗效果也越好的觀念是不正確的。
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