實驗的意義及實驗研究的意義

中學(xué)物理實驗教學(xué)

專題當(dāng)前1頁，總共35頁。Inthematterofphysics,thefirstlessonsshouldcontainnothingbutwhatisexperimentalandinterestingtosee.Aprettyexperimentisinitselfoftenmorevaluablethantwentyformulaeextractedfromourminds."

-AlbertEinstein

一物理實驗的重要性當(dāng)前2頁，總共35頁。ExperimentplaysmanyrolesinscienceOneofitsimportantrolesistotesttheories.Callforanewtheory:anacceptedtheoryisincorrect;anewphenomenonisinneedofexplanation.Experimentcanprovide:hintstowardthetheory;evidencefortheexistenceoftheories.Itmayalsohavealifeofitsown,independentoftheory.Suchexperimentsmayprovideevidenceforafuturetheorytoexplain.Asingleexperimentmayplayseveraloftheserolesatonce.

當(dāng)前3頁，總共35頁。物理實驗在物理學(xué)研究與發(fā)展中的作用從物理學(xué)史看物理實驗的重要性經(jīng)典物理學(xué)的建立：近代物理學(xué)的建立：力學(xué)（伽里略）電磁學(xué)（庫侖、法拉第、麥克斯韋）光學(xué)（楊氏、菲涅耳）三大發(fā)現(xiàn)（X光、放射性、電子）

—

從宏觀到微觀兩朵烏云（黑體輻射、邁－莫實驗）

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從經(jīng)典到近代取自周魯衛(wèi)ppt當(dāng)前4頁，總共35頁。材料：物性測試、新材料的發(fā)現(xiàn)（如C60、高溫超導(dǎo)材料等）新材料制備方法的研究（如離子束注入、激光蒸發(fā)等）三、

物理實驗對物理學(xué)在其他學(xué)科中應(yīng)用的意義化學(xué)：光譜分析、放射性測量、激光分離同位素、量子化學(xué)生物：各類顯微鏡雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)；DNA操縱、切割、重組醫(yī)學(xué)：診斷―X光、CT、核磁共振、超聲波治療―放射性、激光、微波、刀材料：物性測試、新材料的發(fā)現(xiàn)新材料制備方法的研究物理實驗對物理學(xué)在其他學(xué)科中應(yīng)用的意義取自周魯衛(wèi)ppt當(dāng)前5頁，總共35頁。百般呵護好奇心盡情釋放好奇心精心呵護青少年的好奇心全力釋放你的好奇心好奇心是引領(lǐng)推動科學(xué)前進的原動力好奇心是推動科學(xué)發(fā)展的動力--物理實驗在“全人教育”上有獨特作用取自周魯衛(wèi)ppt6當(dāng)前6頁，總共35頁。

好奇心 是每個健康

孩子天生就

有的，然而它常常過早地消失。

----AlbertEinstein取自周魯衛(wèi)ppt當(dāng)前7頁，總共35頁。

丁肇中： “科學(xué)很大一個 作用是滿足人的 好奇心，這是人和動物的最大區(qū)別?！薄盀榱嗣屠プ隹茖W(xué)是危險的?！比∽灾荇斝l(wèi)ppt當(dāng)前8頁，總共35頁。

埃拉托色尼測定地球周長的實驗（約公元前300年）

問題：給你一根直桿，你能否測出地球的周長？塞恩城亞歷山大城北回歸線亞歷山大城和塞恩城

地球是個球型的證據(jù)人們?nèi)绻麃淼胶＿吘湍芸吹降仄骄€本身便是個巨大的圓弧

確定大地的形狀

亞里士多德時期，他已經(jīng)明確提出，大地是一個球體

埃拉托色尼是一位杰出的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家、運動學(xué)家、詩人、地理學(xué)家

排名第二的全能學(xué)者

——故事的主角月食時地球的陰影顯然是個圓形

北京時間2008年2月21日（元宵節(jié)）上午9時43分-13時09分天空發(fā)生了一次月全食，由于這次月球食發(fā)生在中國的白天，因此中國公眾無緣直接目睹這次天象。右上圖為烏拉圭首都蒙得維的亞出現(xiàn)的月全食。（北回歸線。夏至，太陽能直射。亞里斯多德是第二聰明的人，他是第二聰明的人。）取自馬世紅ppt9當(dāng)前9頁，總共35頁。

埃拉托色尼測定地球周長的實驗（約公元前300）L=360

800/7.2千米取自馬世紅ppt10當(dāng)前10頁，總共35頁。

埃拉托色尼測定地球周長的實驗（約公元前300）7.2oC=(360o/7.2o)X800km取自周魯衛(wèi)ppt11當(dāng)前11頁，總共35頁。

問題2：當(dāng)你躺在海灘上看到太陽落下而消失在平靜的海面時，如果緊接著站起來，會再一次看到太陽落下。假如能測出這兩次太陽落下對應(yīng)的時間間隔，你就可以估計出地球的半徑。

那么，這樣的簡易觀察是如何能用來測量地球半徑？取自馬世紅ppt12當(dāng)前12頁，總共35頁。d2+r2=(r+h)2，d=HE,d2=2rh+h2，h<<r,d2=2rh/360=t/24h,d=rtan

，h<<r

2h/tan2

r

5.22106m,在公認(rèn)的地球（平均）半徑（6.37106m）的20％范圍之內(nèi)

DennisRawlins,Am.J.Phys.47(2),1979,126-128d經(jīng)周老師取自馬世紅pptpp設(shè)t=11.1s,=0.04625h

=1.70m,13當(dāng)前13頁，總共35頁?！霸鯓邮褂帽砗兔壮邅頊y量地球的大小”，Amer.J.Phys.47(2)(1979)126-128取自馬世紅ppt14當(dāng)前14頁，總共35頁。物理學(xué)家看物理實驗的重要性

牛頓：“探求事物屬性的準(zhǔn)確方法是從實驗中把他們推導(dǎo)出來?！疾煳业睦碚摰姆椒ň驮谟诳紤]我所提出的實驗是否確實證明了這個理論；或者提出新的實驗去驗證這個理論?！比~企孫：“對于象李政道這樣優(yōu)秀的學(xué)生，理論課可以免上，只參加考試；但實驗不能免，每個必做。”15當(dāng)前15頁，總共35頁。丁肇中：“我是一個做實驗的工程師。希望通過我的得獎，能提高中國人對實驗的認(rèn)識。沒有實驗就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。”

楊振寧：“象我這樣有了一點名氣的人也有不好的影響。在國內(nèi)有許多青年人都希望搞我這一行（指搞理論），但是，象我這樣的人，中國目前不是急需。要增加中國的社會生產(chǎn)力需要的是很多會動手的人。”16當(dāng)前16頁，總共35頁。結(jié)論：物理學(xué)是一門實驗科學(xué)。在物理學(xué)的發(fā)展過程中，實驗是決定性的因素。發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，尋找物理規(guī)律，驗證物理定律等等，都只能依靠實驗。離開了實驗，物理理論就會成為“無源之水，無本之木”，不可能得到發(fā)展。從諾貝爾獎看物理實驗的重要性1901年以來的100多年中，獲諾貝爾獎的理論物理學(xué)家與實驗物理學(xué)家的比為：1:2.2其中，1971年以來的30多年中，獲諾貝爾獎的理論物理學(xué)家與實驗物理學(xué)家的比為：1:6.517當(dāng)前17頁，總共35頁。荷蘭夜光公路主題:明年荷蘭將引入夜光公路..

明年荷蘭將引入夜光公路...這就是已開發(fā)國家!可提示天氣發(fā)佈時間：2012年11月01日電動車優(yōu)先車道：被提出的最具創(chuàng)意的想法之一，電動車專用車道可以讓汽車一邊行駛一邊充電能效節(jié)約性：在公路兩旁安裝節(jié)能燈，當(dāng)駕駛員駕駛著汽車駛近這些燈時，燈便漸漸點亮；當(dāng)駛離時，這些燈就會逐漸熄滅。落實將避免不必要的電能浪費夜光公路：明年荷蘭將引入夜光公路，使用光致冷粉末塗于道路分隔線，該材料可在陽光下進行充電，在夜晚就能發(fā)光照亮公路，維持時間高達10小時應(yīng)對惡劣天氣：溫度應(yīng)答動力學(xué)漆，能使透明的冰晶體變得可見據(jù)國外媒體報導(dǎo)，在黑夜中能發(fā)光的想法聽起來比較前衛(wèi)吧，這種公路還能夠為電動車充電，這種公路的部分概念將于明年引入荷蘭。智慧公路的概念在上周的荷蘭設(shè)計周活動中被提出，智慧高速公路將採用最新的技術(shù)，設(shè)計者表示，這種公路將會更可持續(xù)、更安全以及更為直觀。負責(zé)該工程的公司表示，他們的目標(biāo)是將傳統(tǒng)的運輸方式進行革新，將技術(shù)的應(yīng)用物件集中於高速公路，而不是具體的某種交通工具。那些對於未來之路最具大膽想法，都是設(shè)立一些專用車道，車道可以讓車輛在行駛的過程中進行充電。設(shè)計者還說明了另一項方案，即在公路兩旁安裝節(jié)能燈，當(dāng)駕駛?cè)藛T駕駛著汽車駛近這些燈時，燈便漸漸點亮；當(dāng)駛離時，這些燈又會逐漸熄滅。設(shè)計者表示，真正有意義上的智慧高速公路距人們的生活還比較遙遠。不過，荷蘭的公路將用一種光致冷光粉末塗上道路分隔線，該材料可在陽光下進行充電，在夜晚就能發(fā)光照亮公路，維持時間可高達10小時。明年將在荷蘭的公路系統(tǒng)中應(yīng)用的，另一項技術(shù)就是採用溫度應(yīng)答動力學(xué)漆，它能使透明的冰晶體在駕駛員面前無所遁形。由荷蘭設(shè)計工作室StudioRoosegaarde以及Heijmans提出了智慧公路的想法，該想法在荷蘭設(shè)計大獎賽上被授予了“最佳未來概念”稱號。然而，就汽車在公路上行駛?cè)绾芜M行充電的過程還沒有太多的資訊可供研究。StudioRoosegaarde公司在一份聲明中表示，“設(shè)計師DaanRoosegaarde與Heijmans正致力於對公路進行創(chuàng)新，一改先前人們集中在汽車駕駛體驗方面創(chuàng)新的思維?！逼鋭?chuàng)新設(shè)計概念包括：夜光公路、動力學(xué)漆、交互感應(yīng)燈以及感應(yīng)優(yōu)先車道這些想法都將在接下來五年內(nèi)逐一實現(xiàn)。該工作室還表示，設(shè)計目標(biāo)就是通過使用交互感應(yīng)燈來與車道進行互動，從而使車道更可持續(xù)更具交互活動，而且有利於解決特定的交通狀況。18當(dāng)前18頁，總共35頁。結(jié)論：物理學(xué)是一門實驗科學(xué)。在物理學(xué)的發(fā)展過程中，實驗是決定性的因素。發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，尋找物理規(guī)律，驗證物理定律等等，都只能依靠實驗。離開了實驗，物理理論就會成為“無源之水，無本之木”，不可能得到發(fā)展。19當(dāng)前19頁，總共35頁。改變輕視實踐的傳統(tǒng)觀念李約瑟之迷為什么資本主義和現(xiàn)代

科學(xué)起源于西歐而不是

中國或其他文明？20當(dāng)前20頁，總共35頁。

解答“李約瑟之迷”：

“儒家相信宇宙的道德秩序(‘天’)”，

“他們使用‘道’一詞，主要地——如果不是唯一地——是指人類社會里的理想道路或秩序。這在他們對待精神世界和知識的態(tài)度上表現(xiàn)得很明顯。他們固然沒有把個人與社會人分開，也沒有把社會人與整個自然界分開，可是他們向來主張，研究人類的唯一適當(dāng)對象就是人本身。因此，在整個中國歷史上，儒家反對對自然進行科學(xué)的探索，并反對對技術(shù)做科學(xué)的解釋和推廣?！?李約瑟《中國科學(xué)技術(shù)史,V.2,科學(xué)思想史》P8，

轉(zhuǎn)引自清華大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗A321當(dāng)前21頁，總共35頁。社會上輕視實踐現(xiàn)象----根深蒂固《論語》：樊遲請學(xué)稼，子曰：吾不如老農(nóng)。請學(xué)為圃，曰：吾不如老圃。樊遲出。子曰：小人哉，樊須也！物理學(xué)以實驗為本，但要重視實驗課程學(xué)習(xí)與科學(xué)實驗訓(xùn)練，就如逆水行舟。22當(dāng)前22頁，總共35頁。SamuelC.C.TingTheNobelPrizeinPhysics1976

EnglishChineseSamuelC.C.Ting'sspeechattheNobelBanquet,December10,1976FromLesPrixNobelen1976,EditorWilhelmOdelberg,[NobelFoundation],Stockholm,1977BanquetSpeech2323當(dāng)前23頁，總共35頁。國王，王后陛下，皇族們，各位朋友：

得到諾貝爾獎，是科學(xué)家最大的榮譽。我是在舊中國長大的，因此，想借這個機會向發(fā)展中國家的青年們強調(diào)實驗工作的重要性。中國有句話‘勞心者治人，勞力者治于人’，這種落后的思想對發(fā)展中國家的青年們有很大的害處。由于這種思想，很多發(fā)展中國家的學(xué)生都傾向于理論的研究，而避免實驗工作。

事實上，自然科學(xué)理論不能離開實驗的基礎(chǔ)，特別是物理學(xué)更是從實驗中產(chǎn)生的。

我希望由于我這次得獎，能夠喚起發(fā)展中國家學(xué)生們的興趣，而注意實驗工作的重要性。2424當(dāng)前24頁，總共35頁。最美的十大物理實驗

1.用單電子作的楊氏雙縫干涉實驗（1961）2.伽利略的落體實驗（1600左右）3.密立根油滴實驗（1909）4.牛頓用棱鏡將日光分解為七色的實驗（1665—1666）5.楊氏用光作的干涉實驗（1801）6.卡文迪許用扭秤測定萬有引力常數(shù)的實驗（1798）7.埃拉托色尼測定地球周長的實驗（約公元前300）8.伽利略的斜面實驗（1600左右）9.盧瑟福用粒子散射發(fā)現(xiàn)原子核的實驗（1911）10.佛科擺的實驗（1851）物理實驗之美/Physics/English/top10.htm（現(xiàn)代科學(xué)的奠基人伽利略–斜面實驗測重力加速度，困難在哪里？--時間；怎么辦？用什么：脈搏。為什么用斜面？為了使得過程變慢，彌補定時的不準(zhǔn)確。）在軌道的一邊釋放一顆鋼珠，如果忽略摩擦力帶來的影響，我們發(fā)現(xiàn)鋼珠從左邊滾下后，再從右邊的斜面滾上，鋼珠將上升到與左邊釋放高度相同的點；若將右邊的傾斜角減小，鋼珠還是上升到原來的高度，但通過的路程比原來更長；假設(shè)右邊的軌道為水平，鋼珠想要達到原來的高度，但是鋼珠無法達到原來的高度，鋼珠將永遠運動下去。注意事項1.三次實驗鋼珠都要從斜面相同的度滑下的目的是：保證鋼珠獲得相同的末速度。2.實驗得出得結(jié)論：在同樣條件下，平面越光滑，鋼珠走過的路程越遠。3.伽利略通過“理想斜面實驗”和科學(xué)推理，得出的結(jié)論是：力不是維持物體運動的原因。法國科學(xué)家笛卡爾補充和完善了伽利略的觀點，他提出：如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運動，既不停下來也不偏離原來的方向．伽利略在《兩門新科學(xué)》第三天中描述他是怎么做斜面實驗的，取長約12脕尺(1脕尺＝45.7cm)(注2)、寬約半脕尺、厚約三指的木板，在邊緣刻上一條一指多寬的槽，槽非常平直，經(jīng)過打磨，在直槽上貼羊皮紙，盡可能使之平滑，然后讓一個非常圓的、硬的光滑黃銅球沿槽滾下，我們將木板的一頭抬高一、二脕尺，使之略成傾斜，在讓銅球滾下，用下述方法記錄銅球滾下時間。我們不只一次重復(fù)這個實驗，使二次觀測的時間相差不超過脈搏的十分之一。在完成這一步驟并確證其可靠性之后，就讓銅球滾下全程的1/4，并測出下降時間，我們發(fā)現(xiàn)它正好是滾下全程所需時間的一半。接著我們對其他距離進行實驗，用滾下全程所需的時間和滾下一半距離、三分之二距離、四分之三距離或任何部分距離所用時間進行比較。這樣的實驗重復(fù)了整整一百次，我們往往發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過的空間距離恒與所用時間的平方成正比例這對于各種斜度都成立。為了測量時間，我們把一只盛水的大容器置于高處，在容器底部焊上一根口徑很細的管子，用小杯子收集每次球滾下來時由細管流出的水，不管是全程還是全程的一部份，都可以收集到。然后用極精密的天平稱水的重量；這些水重之差和比值就給出時間之差和比值。精密度如此之高，以致于重復(fù)許多遍，結(jié)果都沒有明顯的差別。p.s順帶一提伽利略透過斜面實驗研究了單擺理論p.s2在1638年出版的《兩種新科學(xué)的對話》中第一次詳細地敘述了落體定律，指出從靜止?fàn)顟B(tài)開始自由下落的物體，其經(jīng)過的距離同下落的時間平方成正比，實際上這個比值就是重力加速度。但是伽利略沒有給出過一個重力加速度的近似值p.s3第一個最先得出這個近似值是9.8米/秒2的是荷蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家惠更斯(ChristiaanHuygens,1629~1695)25當(dāng)前25頁，總共35頁。二、實驗教學(xué)的概念1、國外在使用美國英語的國家，實驗教學(xué)是“l(fā)aboratoryactivities”；在使用英國英語的國家，實驗教學(xué)被稱為“practicalactivities”。等人認(rèn)為學(xué)校實驗這一術(shù)語是指在學(xué)校環(huán)境中，學(xué)生接觸具體物體或二手的數(shù)據(jù)（例如天文照片和虛擬實驗等），來觀察和理解物質(zhì)世界的經(jīng)歷（Thetermshavemeantexperiencesinschoolsettingswherestudentsinteractwithmaterialstoobserveandunderstandthenaturalworld）。這些活動既包括學(xué)生個人的實驗、小組或班級的演示實驗，也包括持續(xù)數(shù)周的探究或項目研究（project），以及在校外進行的相關(guān)活動。在韋氏大詞典中，experiment的詞義是為了揭示未知事物所進行的活動或過程；laboratory的詞義是進行科學(xué)實驗或研究的地方或建筑物；demonstration的詞義是使事情變得明顯、易懂的活動、過程或手段。當(dāng)前26頁，總共35頁。2、國內(nèi)意大利人、耶穌會士利瑪竇（MatteoRicci,1552-1610）于明末（1582年）來華，以此為標(biāo)志，我國的西學(xué)東漸活動開始，西方的科學(xué)技術(shù)知識開始傳入中國，我國也進入近代科學(xué)的萌芽階段。在西學(xué)東漸的大背景下，大量的科學(xué)著作被帶到中國，并通過口授或者翻譯為國人了解。在這一過程中，科學(xué)術(shù)語也隨之翻譯過來。在我國物理學(xué)發(fā)展早期，對其影響最深的是由江南制造局翻譯的《物理學(xué)》。這本書是日本的物理學(xué)家飯盛挺造編著，騰田豐八和王季烈翻譯的。這是中國第一部全面系統(tǒng)的物理學(xué)書籍，我國的“物理學(xué)”這一術(shù)語也是在這本書中開始被使用的。在這本書中，experiment被譯為“試驗”。在洋務(wù)運動推動下，1862年清政府設(shè)立了京師同文館，1866年同文館增設(shè)天算館，1888年增設(shè)格致館，自此物理學(xué)在各級各類學(xué)校開始開課講授。在解放前，我國科學(xué)教學(xué)方法深受美國杜威的影響，陶行知的思想具有代表性。在此期間，自制簡單儀器的思想也已出現(xiàn)（解放后，這一思想由朱正元等推廣）。查找中國期刊全文數(shù)據(jù)庫和20世紀(jì)我國中小學(xué)物理學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)大剛發(fā)現(xiàn)，在解放前演示實驗被稱為“表演實驗”或“示教實驗”，直到解放后1956年，“演示實驗”這一術(shù)語才出現(xiàn)在中學(xué)物理教學(xué)大綱中，與此同時，其它的稱呼也隨之消失。雷樹人最早使用演示實驗這一術(shù)語。教學(xué)實驗術(shù)語的變化原因可能是在解放后，教育界全面學(xué)習(xí)蘇聯(lián)，“演示實驗”可能是由俄語翻譯而來的。在解放后對我國物理教育界影響較大的是前蘇聯(lián)的茲那敏斯基，他的著作《中學(xué)物理教學(xué)法》對我國教學(xué)論教材的結(jié)構(gòu)影響深遠。與此同時，在前蘇聯(lián)教育思想的影響下，課外實驗這種實驗類型也在教學(xué)中出現(xiàn)。當(dāng)前27頁，總共35頁。發(fā)現(xiàn)新事物和探索新規(guī)律驗證理論測定常數(shù)推廣應(yīng)用

實驗是有目的、有計劃地運用儀器、設(shè)備，在人為控制條件下，使現(xiàn)象反復(fù)再現(xiàn)，從而進行認(rèn)真觀測，獲取大量資料的一種科學(xué)研究方法。主要特點可控性可重復(fù)性主要作用