開發(fā)非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)(劉炳升)

1、把對學(xué)生的機(jī)械訓(xùn)練轉(zhuǎn)向?qū)嵺`素質(zhì)的培養(yǎng)把對學(xué)生的機(jī)械訓(xùn)練轉(zhuǎn)向?qū)嵺`素質(zhì)的培養(yǎng)開發(fā)非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)的開發(fā)非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)的素質(zhì)教育功能素質(zhì)教育功能劉炳昇劉炳昇NJNJ問題的提出n習(xí)題和練習(xí)是物理教學(xué)的一部分，但現(xiàn)習(xí)題和練習(xí)是物理教學(xué)的一部分，但現(xiàn)實(shí)中，它的地位已經(jīng)勝過概念、規(guī)律教實(shí)中，它的地位已經(jīng)勝過概念、規(guī)律教學(xué)，而且是一種大運(yùn)動(dòng)量的、幾乎都是學(xué)，而且是一種大運(yùn)動(dòng)量的、幾乎都是脫離實(shí)際的筆試訓(xùn)練。它使大多數(shù)學(xué)生脫離實(shí)際的筆試訓(xùn)練。它使大多數(shù)學(xué)生厭學(xué)，是在糟蹋學(xué)生的青春。厭學(xué)，是在糟蹋學(xué)生的青春。n這種狀況需要改變。這種狀況需要改變。解決實(shí)踐問題的特點(diǎn)n1.更有利于激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。更有利于激發(fā)

2、學(xué)生的好奇心和求知欲。n2.需要通過自己的觀察獲取信息，發(fā)現(xiàn)問題，需要通過自己的觀察獲取信息，發(fā)現(xiàn)問題，作為進(jìn)一步思維的基礎(chǔ)。作為進(jìn)一步思維的基礎(chǔ)。n3.學(xué)生能直接從實(shí)踐中獲得及時(shí)、準(zhǔn)確的反饋學(xué)生能直接從實(shí)踐中獲得及時(shí)、準(zhǔn)確的反饋信息，有利于提高學(xué)生實(shí)踐意識(shí)和評(píng)價(jià)能力。信息，有利于提高學(xué)生實(shí)踐意識(shí)和評(píng)價(jià)能力。n4.實(shí)踐中蘊(yùn)藏著極其活躍的因素，有益于活化實(shí)踐中蘊(yùn)藏著極其活躍的因素，有益于活化知識(shí)和訓(xùn)練思維。知識(shí)和訓(xùn)練思維。n5.實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容豐富，形式多樣，有利于發(fā)展實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容豐富，形式多樣，有利于發(fā)展學(xué)生的個(gè)性特長。學(xué)生的個(gè)性特長。尋找風(fēng)鈴管音調(diào)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律L /cm48.5 45.5 40.5

3、 35.5 33 f /Hz 656 741 920 1180 1380 Lf3180033700373004189045500示波器軟件示波器軟件管徑：管徑：2.5cm304050600100012001400800是否與管徑有關(guān)？n管直徑1.5cmL /cm 30.028.5 26.5 24.5 22.5 20.5 f /Hz990 1108 1291 1507 1765 2131 30405060010001200140080020d =2.5cmd =1.5cm 尋找經(jīng)驗(yàn)規(guī)律n頻率與管長和管的截面積有關(guān)，管長越長，頻率越低；截面積越大，頻率越高。n頻率與這兩個(gè)因素某種關(guān)系的乘積，可能與

4、聲速有關(guān)。因此這兩個(gè)因素關(guān)系的量綱應(yīng)當(dāng)是m1.n由此或猜想：定值kvSlf2驗(yàn)證：n管直徑1.5cmn誤差在1%-2%間。L /cm30.028.5 26.5 24.5 22.5 20.5 f /Hz990 1108 1291 1507 1765 2131 5940599960446030595659701022dLf逆風(fēng)行舟逆風(fēng)行舟n給你一個(gè)帶帆的小車和電風(fēng)扇，你能使小車在給你一個(gè)帶帆的小車和電風(fēng)扇，你能使小車在略傾的斜面上逆風(fēng)行進(jìn)嗎？略傾的斜面上逆風(fēng)行進(jìn)嗎？n試一試，你是怎樣做到的？試一試，你是怎樣做到的？n你能說明逆風(fēng)行車的原理嗎？你能說明逆風(fēng)行車的原理嗎？n能否用一把直尺、三角板和鉛筆

5、做一個(gè)模擬實(shí)能否用一把直尺、三角板和鉛筆做一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)并說明它的原理？驗(yàn)并說明它的原理？n說明在什么樣的情況下小舟不能逆風(fēng)而上。說明在什么樣的情況下小舟不能逆風(fēng)而上。學(xué)生在實(shí)踐中的表現(xiàn)學(xué)生在實(shí)踐中的表現(xiàn)n可調(diào)整的維度：航向、風(fēng)向、帆可調(diào)整的維度：航向、風(fēng)向、帆向。向。n選擇航向和風(fēng)向在一條直線上，選擇航向和風(fēng)向在一條直線上，改變帆向；改變帆向；n時(shí)而改變風(fēng)向，時(shí)而改變帆向；時(shí)而改變風(fēng)向，時(shí)而改變帆向；n固定風(fēng)向與航向的夾角，調(diào)節(jié)帆固定風(fēng)向與航向的夾角，調(diào)節(jié)帆向，由于合適的帆向只在已定的向，由于合適的帆向只在已定的夾角范圍內(nèi)，嘗試中很容易錯(cuò)過；夾角范圍內(nèi)，嘗試中很容易錯(cuò)過；航向風(fēng)向帆向?qū)W生在實(shí)踐

6、中的表現(xiàn)學(xué)生在實(shí)踐中的表現(xiàn)n少數(shù)同學(xué)開始轉(zhuǎn)向畫圖少數(shù)同學(xué)開始轉(zhuǎn)向畫圖分析；分析；n少數(shù)同學(xué)用直尺和三角少數(shù)同學(xué)用直尺和三角板實(shí)驗(yàn)；板實(shí)驗(yàn)；n然后回來做帆車的實(shí)驗(yàn)；然后回來做帆車的實(shí)驗(yàn)；n再進(jìn)行理論分析。分析再進(jìn)行理論分析。分析中多把風(fēng)向當(dāng)成對帆施中多把風(fēng)向當(dāng)成對帆施力的方向。力的方向。航向風(fēng)向帆向案例：滑板車靠什么前進(jìn)？n在市民廣場上有一些小孩站在一種特殊的滑板車上，不用腳來蹬地就能前行，前行的奧秘是什么？n觀察小車的結(jié)構(gòu)。n試一試，你是怎樣使小車前行的？n分析一下，小車為什么能夠前進(jìn)？二輪滑板車的結(jié)構(gòu)n一腳踏滑板前部，另一腳踏滑板后部，使前后板繞縱軸往復(fù)扭轉(zhuǎn)，滑板車就向前運(yùn)動(dòng)了。n為什么滑板

7、車會(huì)向前運(yùn)動(dòng)呢？滑車（后部）受力分析FF前方F1FF2俯視俯視前方前視前視側(cè)視側(cè)視評(píng)析：n它們都是戶外運(yùn)動(dòng)中的實(shí)際問題，學(xué)生非常感興趣，但對運(yùn)動(dòng)的原理卻想不通，似乎違背常理，不依靠劃槳（或發(fā)動(dòng)機(jī)）產(chǎn)生的動(dòng)力，小船豈能逆流而上？沒有鏈條帶動(dòng)車輪，也不蹬地，小車還能前進(jìn)？因此解決問題的動(dòng)機(jī)很強(qiáng)。n通過探究使問題得到解決，過程中也許沒有公式的推導(dǎo)和計(jì)算，但需要有思想，會(huì)解釋不亞于做一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算題！案例：逆風(fēng)行舟案例：逆風(fēng)行舟 n常言道，乘長風(fēng)破萬里浪，順常言道，乘長風(fēng)破萬里浪，順風(fēng)破浪。但你見過逆風(fēng)破浪，風(fēng)破浪。但你見過逆風(fēng)破浪，而不靠人力拼搏嗎？這似乎不而不靠人力拼搏嗎？這似乎不可想象，但事實(shí)上

8、，只要把握可想象，但事實(shí)上，只要把握一定的航向和適當(dāng)控制帆面的一定的航向和適當(dāng)控制帆面的位置，最終是可以達(dá)到逆風(fēng)目位置，最終是可以達(dá)到逆風(fēng)目標(biāo)的。標(biāo)的。案例：蕩秋千的學(xué)問n用手拉住擺繩的一端，讓擺球先以小振幅擺起來，怎樣通過你拉繩的手使擺球的振幅增大？n試一試。n你打算在什么位置拉繩，在什么位置松繩？n為什么？手案例：蕩秋千的學(xué)問n學(xué)生學(xué)了機(jī)械能守恒，就用機(jī)械能守恒定律來解決問題，但實(shí)際情況并不是那么一回事。n想一想，你是怎樣打秋千的？如果你站在秋千板上，在什么位置你要蹲下去？在什么位置你要站起來？n回顧你學(xué)過的知識(shí)，你能提出什么問題嗎？案例：蕩秋千的學(xué)問n按照你打秋千的經(jīng)驗(yàn)，再來拉動(dòng)擺球，試

9、一試，你能使擺球的振幅增大嗎？n為什么我們不能用機(jī)械能守恒定律來解決這個(gè)打秋千的問題？因?yàn)槿嗽谧龉Ω淖兞讼到y(tǒng)的能量。n通俗地解釋一下原因（可以演示）：一個(gè)在光滑水平面內(nèi)被線牽著的小球作圓周運(yùn)動(dòng)，半徑變小時(shí)，小球轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度會(huì)變大。原因是它要保持轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能不變。人在秋千的最低點(diǎn)站起來時(shí)，半徑變小，線速度就要變大。評(píng)析n這是一種孩子喜歡玩的游戲，如果沒有學(xué)過機(jī)械能守恒定律，也許他們會(huì)模擬蕩秋千，但學(xué)過以后不會(huì)了。因?yàn)樗麄兒苌俳?jīng)歷這種實(shí)踐的訓(xùn)練，不知道真正解決實(shí)際問題的思考模式。n知道不知道角動(dòng)量守恒并不重要，通俗地解釋一下，可以使學(xué)生得到充實(shí)感，并喚起今后學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)。案例：靜電散花靜電飛花的解釋靜

10、電飛花的解釋案例：演示平行板電容的實(shí)驗(yàn)n器材：靜電計(jì)，固定在靜電計(jì)上的金屬圓盤，帶絕緣柄的金屬圓盤，摩擦起電（或感應(yīng)起電）的簡單裝置。n請演示說明平行板電容器的電容與平板間距離的關(guān)系。案例：演示平行板電容的實(shí)驗(yàn)n距離減小，指針張角變大。n意味著電勢差隨距離減小而增大。n根據(jù)n可得：距離減小，電容也減小。為什么？ UQC 地帶電案例：演示平行板電容的實(shí)驗(yàn)n手持絕緣柄將金屬盤接近靜電計(jì)上的金屬盤，指針張角幾乎不減小。n這是為什么？地讓下板帶電案例：演示平行板電容的實(shí)驗(yàn)n手接觸金屬盤，將其接近靜電計(jì)上的金屬盤，指針張角減小，移開上金屬盤，指針張角變大。n意味著距離減小時(shí)，電勢差變小，電容變大。說明平

11、行板電容器的電容隨兩極板間距離減小而變大。地讓下板帶電為什么前兩種做法帶來錯(cuò)誤的結(jié)論？n第一種：靜電計(jì)測量的是下金屬盤與地之間的電勢差，下金屬盤被感應(yīng)的電量在隨距離減小而增大。不等于電容兩極的電勢差。n第二種：上金屬盤不接地，靜電計(jì)測量的也不等于電容兩極的電勢差。它相當(dāng)于測量平行板電容與上金屬盤與地之間電容串聯(lián)的電勢差?？傠娙莺苄?，幾乎不變。n說明實(shí)踐問題與解決筆頭問題是大不相同的。案例：探究奇異的飲水鳥飽和汽的特性課題：奇異的飲水鳥課題：奇異的飲水鳥 n有如圖所示的玩具，稱之為飲水鳥，在飲水鳥旁的小碗中注水近滿，再把飲水鳥的頭按低，使其嘴喙插入至水中，n片刻后釋放，仔細(xì)觀察出現(xiàn)的現(xiàn)象。 課題

12、：奇異的飲水鳥課題：奇異的飲水鳥n你見到哪些現(xiàn)象？ n想象出它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并分析飲水鳥連續(xù)動(dòng)作的原因。你是怎樣思考的？根據(jù)哪些現(xiàn)象提出假設(shè)的？n請你說明飲水鳥重心變化的初始原因是什么？為什么會(huì)引起重心變化？低頭的力矩是怎樣產(chǎn)生的？n 課題：奇異的飲水鳥課題：奇異的飲水鳥n飲水鳥低頭以后，為什么又會(huì)抬起頭來？你是否觀察到抬頭前飲水鳥內(nèi)發(fā)生的一些現(xiàn)象？這些現(xiàn)象與抬頭有什么關(guān)系？n能否用另一種方式的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證你提出的假說？ n請分析說明這種“機(jī)器”能否看成是一種永動(dòng)機(jī)？為什么？ 嘗試用下面的模型解釋n模型1：乙醚尾泡頭泡吸濕層汽室支點(diǎn)飲水鳥的奧秘探索n伽里略氣體溫度計(jì)的啟示：n測溫泡溫度降低，n泡內(nèi)

13、的飽和汽壓減小，n液柱上升。對模型1的改造乙醚尾泡汽室1頭泡吸濕層汽室2支點(diǎn)飲水鳥的奧秘n杯中水吸入頭泡的吸濕層尾泡吸濕層汽室2乙醚汽室1頭泡支點(diǎn)飲水鳥的奧秘n吸濕層中水份蒸發(fā)，使頭泡溫度下降乙醚尾泡汽室1頭泡吸濕層汽室2支點(diǎn)飲水鳥的奧秘n頭泡溫度降低汽室2壓強(qiáng)P2減小乙醚尾泡汽室1頭泡吸濕層汽室2支點(diǎn)飲水鳥的奧秘nP2P1汽室尾泡中的乙醚沿管上升乙醚尾泡汽室1頭泡吸濕層汽室2支點(diǎn)飲水鳥的奧秘n重心前移低頭，吸濕層與水接觸乙醚尾泡吸濕層汽室2支點(diǎn)汽室1頭泡乙醚尾泡吸濕層汽室2支點(diǎn)汽室1頭泡對模型2的改造n飲水鳥低頭后怎樣才能抬起頭來？n怎樣使頭泡內(nèi)的汽壓增大？讓尾泡里的汽能進(jìn)入到頭泡內(nèi)。尾泡內(nèi)

14、的乙醚液面必須低于尾管。尾泡乙醚吸濕層汽室2支點(diǎn)汽室1頭泡飲水鳥的奧秘n汽室1中的汽沿管上升汽室2中的汽壓增大管中液體流回尾泡尾泡吸濕層汽室2乙醚汽室1頭泡支點(diǎn)飲水鳥的奧秘n飲水鳥重心后移抬頭乙醚尾泡汽室1頭泡吸濕層汽室2支點(diǎn)怎樣驗(yàn)證上述分析是正確的？從黑箱到灰箱，再到白箱。評(píng)析n把一個(gè)有趣的玩具當(dāng)成黑箱來探索，根據(jù)觀察得到的信息，邊猜想，邊論證，邊修改，再驗(yàn)證。n收獲的不只是知識(shí)，過程中才感悟到什么是探究。小結(jié)n基礎(chǔ)教育的性質(zhì)是大眾教育，高中也不例外，中學(xué)物理課程教給學(xué)生的應(yīng)當(dāng)是有思想的物理學(xué)，有生活的物理學(xué)，有文化的物理學(xué)，聯(lián)系實(shí)際的物理學(xué)，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的物理學(xué)。n多少年來，許多大師和教師一直在呼喚以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，但現(xiàn)實(shí)卻非常不理想。為什么會(huì)這樣困難呢？n輕視實(shí)踐的觀點(diǎn)和做法有其深刻的歷史和社會(huì)原因。n中國是一個(gè)文明古國，有悠久的文化傳統(tǒng)，但經(jīng)歷封建統(tǒng)治的時(shí)間很長，有一些封建的意識(shí)阻礙了社會(huì)的發(fā)展。