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1、中学物理实验教学专题,In the matter of physics,the first lessons should contain nothing but what is experimental and interesting to see.A pretty experiment is in itself often more valuable than twenty formulae extracted from our minds.-Albert Einstein,http:/www.hazelwood.k12.mo.us/grichert/sciweb/applets.html,
2、一 物理实验的重要性,Experiment plays many roles in science,One of its important roles is to test theories.Call for a new theory:an accepted theory is incorrect;a new phenomenon is in need of explanation.Experiment can provide:hints toward the theory;evidence for the existence of theories.It may also have a l
3、ife of its own,independent of theory.Such experiments may provide evidence for a future theory to explain.A single experiment may play several of these roles at once.,物理实验在物理学研究与发展中的作用,从物理学史看物理实验的重要性,经典物理学的建立：,近代物理学的建立：,力学（伽里略）,电磁学（库仑、法拉第、麦克斯韦）,光学（杨氏、菲涅耳）,三大发现（X光、放射性、电子）从宏观到微观,两朵乌云（黑体辐射、迈莫实验）从经典到近代,
4、取自 周鲁卫ppt,材料：物性测试、新材料的发现（如C60、高温超导 材料等）新材料制备方法的研究（如离子束注入、激 光蒸发等）,三、物理实验对物理学在其他学科中应用的意义,化学：光谱分析、放射性测量、激光分离同位素、量子化学,生物：各类显微镜 双螺旋结构的发现；DNA操纵、切割、重组,医学：诊断X光、CT、核磁共振、超声波 治疗放射性、激光、微波、刀,材料：物性测试、新材料的发现 新材料制备方法的研究,物理实验对物理学在其他学科中应用的意义,取自 周鲁卫ppt,百般呵护好奇心尽情释放好奇心,精心呵护青少年的好奇心全力释放你的好奇心好奇心是引领 推动 科学前进的原动力好奇心是推动科学发展的动力
5、-,6,物理实验在“全人教育”上有独特作用,取自 周鲁卫ppt,好奇心是每个健康 孩子天生就 有的，然而它常常过早地消失。-Albert Einstein,取自 周鲁卫ppt,丁肇中：“科学很大一个作用是满足人的好奇心，这是人和动物的最大区别。”“为了名和利去做科学是危险的。”,取自 周鲁卫ppt,埃拉托色尼测定地球周长的实验（约公元前300年）,问题：给你一根直杆，你能否测出地球的周长？,塞恩城,亚历山大城,北回归线,亚历山大城和塞恩城,地球是个球型的证据,人们如果来到海边就能看到地平线本身便是个巨大的圆弧,确定大地的形状,亚里士多德时期，他已经明确提出，大地是一个球体,埃拉托色尼是一位 杰
6、出的数学家、天 文学家、运动学家、诗人、地理学家,排名第二的全能学者 故事的主角,月食时地球的阴影显然是个圆形,北京时间2008年2月21日（元宵节）上午9时43分-13时09分天空发生了一次月全食，由于这次月球食发生在中国的白天，因此中国公众无缘直接目睹这次天象。右上图为乌拉圭首都蒙得维的亚出现的月全食。,9,（北回归线。夏至，太阳能直射。亚里斯多德是第二聪明的人，他是第二聪明的人。）,取自 马世红ppt,埃拉托色尼测定地球周长的实验（约公元前300）,L=360 800/7.2 千米,10,取自 马世红ppt,埃拉托色尼测定地球周长的实验（约公元前300）,11,7.2o,C=(360o/
7、7.2o)X800km,取自 周鲁卫ppt,问题2：当你躺在海滩上看到太阳落下而消失在平静的海面时，如果紧接着站起来，会再一次看到太阳落下。假如能测出这两次太阳落下对应的时间间隔，你就可以估计出地球的半径。那么，这样的简易观察是如何能用来测量地球半径？,12,取自 马世红ppt,d 2+r2=(r+h)2，d=HE,d 2=2rh+h2，h r,d 2=2rh,/360=t/24h,d=r tan，h r 2h/tan2,r 5.22106m,在公认的地球（平均）半径（6.37106m）的20范围之内,Dennis Rawlins,Am.J.Phys.47(2),1979,126-128,d,
8、13,经周老师取自马世红ppt,p,p,设 t=11.1s,=0.04625h=1.70m,“怎样使用表和米尺来测量地球的大小”，,Amer.J.Phys.47(2)(1979)126-128,14,取自 马世红ppt,物理学家看物理实验的重要性,牛顿：“探求事物属性的准确方法是从实验中把他们推导出来。考察我的理论的方法就在于考虑我所提出的实验是否确实证明了这个理论；或者提出新的实验去验证这个理论。”,叶企孙：“对于象李政道这样优秀的学生，理论课可以免上，只参加考试；但实验不能免，每个必做。”,15,丁肇中：“我是一个做实验的工程师。希望通过我的得奖，能提高中国人对实验的认识。没有实验就没有现
9、代科学技术。”,杨振宁：“象我这样有了一点 名气的人也有不好的影响。在国内有许多青年人都希望搞我这一行（指搞理论），但是，象我这样的人，中国目前不是急需。要增加中国的社会生产力需要的是很多会动手的人。”,16,结论：物理学是一门实验科学。在物理学的发展过程中，实验是决定性的因素。发现新的物理现象，寻找物理规律，验证物理定律等等，都只能依靠实验。离开了实验，物理理论就会成为“无源之水，无本之木”，不可能得到发展。,从诺贝尔奖看物理实验的重要性,1901年以来的100多年中，获诺贝尔奖的理论物理学家与实验物理学家的比为：1:2.2其中，1971年以来的30多年中，获诺贝尔奖的理论物理学家与实验物理
10、学家的比为：1:6.5,17,18,荷兰夜光公路,主题:明年荷蘭將引入夜光公路.明年荷蘭將引入夜光公路.這就是已開發國家!可提示天氣發佈時間：2012年11月01日電動車優先車道：被提出的最具創意的想法之一，電動車專用車道可以讓汽車一邊行駛一邊充電能效節約性：在公路兩旁安裝節能燈，當駕駛員駕駛著汽車駛近這些燈時，燈便漸漸點亮；當駛離時，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 就能發光照亮公路，維持時間高達10小時 應對惡劣天氣：溫度應答動力學漆，能使透明的冰晶體變得可見 據國外媒體報導
11、，在黑夜中 能發光的想法聽起來比較前衛吧，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 在上周的荷蘭設計周活動中被提出，智慧高速公路將採用最新的技術，設計者表示，這種公路將會更可持續、更安全以及更為直觀。負責該工程的公司表示，他們的目標是將傳統的運輸方式進行革新，將技術的應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。設計者還說明了另一項方案，即在公路兩旁安裝節能燈，當駕駛人員駕駛著汽車駛近這些燈時，燈便漸漸點亮；當駛離時，這些燈又會逐漸熄滅。設計者表示，真正 有意義
12、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中應用的，另一項技術就是採用 溫度應答動力學漆，它能使透明的冰晶體在駕駛員面前無所遁形。由荷蘭設計工作室Studio Roosegaarde以及Heijmans提出了智慧公路的想法，該想法在荷蘭設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如何進行充電的過程還沒有太多的資訊可供研究。Studio Roosegaarde公司在一份聲明中表示，“設計師Daan Roosegaarde與Hei
13、jmans正致力於對公路進行創新，一改先前人們集中在汽車駕駛體驗方面創新的思維。”其創新設計概念包括：夜光公路、動力學漆、交互感應燈 以及感應優先車道這些想法 都將在接下來五年內逐一實現。該工作室還表示，設計目標就是 通過使用交互感應燈來與車道進行互動，從而使車道更可持續更具交互活動，而且 有利於解決特定的交通狀況。,结论：物理学是一门实验科学。在物理学的发展过程中，实验是决定性的因素。发现新的物理现象，寻找物理规律，验证物理定律等等，都只能依靠实验。离开了实验，物理理论就会成为“无源之水，无本之木”，不可能得到发展。,19,改变轻视实践的传统观念,李约瑟之迷 为什么资本主义和现代 科学起源于
14、西欧而不是 中国或其他文明？,20,解答“李约瑟之迷”：“儒家相信宇宙的道德秩序(天)”，“他们使用道一词，主要地如果不是唯一地是指人类社会里的理想道路或秩序。这在他们对待精神世界和知识的态度上表现得很明显。他们固然没有把个人与社会人分开，也没有把社会人与整个自然界分开，可是他们向来主张，研究人类的唯一适当对象就是人本身。因此，在整个中国历史上，儒家反对对自然进行科学的探索，并反对对技术做科学的解释和推广。”,-李约瑟中国科学技术史,V.2,科学思想史P8，转引自清华大学基础物理实验A3,21,社会上轻视实践现象-根深蒂固,论语：樊迟请学稼，子曰：吾不如老农。请学为圃，曰：吾不如老圃。樊迟出。
15、子曰：小人哉，樊须也！,物理学以实验为本，但要重视实验课程学习与科学实验训练，就如逆水行舟。,22,Samuel C.C.TingThe Nobel Prize in Physics 1976,Samuel C.C.Tings speech at the Nobel Banquet,December 10,1976,From Les Prix Nobel en 1976,Editor Wilhelm Odelberg,Nobel Foundation,Stockholm,1977,Banquet Speech,23,23,国王，王后陛下，皇族们，各位朋友：得到诺贝尔奖，是科学家最大的荣誉。我是
16、在旧中国长大的，因此，想借这个机会向发展中国家的青年们强调实验工作的重要性。中国有句话劳心者治人，劳力者治于人，这种落后的思想对发展中国家的青年们有很大的害处。由于这种思想，很多发展中国家的学生都倾向于理论的研究，而避免实验工作。事实上，自然科学理论不能离开实验的基础，特别是物理学更是从实验中产生的。我希望由于我这次得奖，能够唤起发展中国家学生们的兴趣，而注意实验工作的重要性。,24,24,最美的十大物理实验,1.用单电子作的杨氏双缝干涉实验（1961）2.伽利略的落体实验（1600左右）3.密立根油滴实验（1909）4.牛顿用棱镜将日光分解为七色的实验（16651666）5.杨氏用光作的干涉
17、实验（1801）6.卡文迪许用扭秤测定万有引力常数的实验（1798）7.埃拉托色尼测定地球周长的实验（约公元前300）8.伽利略的斜面实验（1600左右）9.卢瑟福用 粒子散射发现原子核的实验（1911）10.佛科摆的实验（1851）,物理实验之美,http:/physics-,25,（现代科学的奠基人伽利略 斜面实验 测重力加速度，困难在哪里？-时间；怎么办？用什么：脉搏。为什么用斜面？为了使得过程变慢，弥补定时的不准确。）在轨道的一边释放一颗钢珠，如果忽略摩擦力带来的影响，我们发现钢珠从左边滚下后，再从右边的斜面滚上，钢珠将上升到与左边释放高度相同的点；若将右边的倾斜角减小，钢珠还是上升到
18、原来的高度，但通过的路程比原来更长；假设右边的轨道为水平，钢珠想要达到原来的高度，但是钢珠无法达到原来的高度，钢珠将永远运动下去。注意事项1.三次实验钢珠都要从斜面相同的度滑下的目的是：保证钢珠获得相同的末速度。2.实验得出得结论：在同样条件下，平面越光滑，钢珠走过的路程越远。3.伽利略通过“理想斜面实验”和科学推理，得出的结论是：力不是维持物体运动的原因。法国科学家笛卡尔补充和完善了伽利略的观点，他提出：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向,伽利略在两门新科学第三天中描述他是怎么做斜面实验的，取长约12脕尺(1脕尺45.7cm)(注
19、2)、宽约半脕尺、厚约三指的木板，在边缘刻上一条一指多宽的槽，槽非常平直，经过打磨，在直槽上贴羊皮纸，尽可能使之平滑，然后让一个非常圆的、硬的光滑黄铜球沿槽滚下，我们将木板的一头抬高一、二脕尺，使之略成倾斜，在让铜球滚下，用下述方法记录铜球滚下时间。我们不只一次重复这个实验，使二次观测的时间相差不超过脉搏的十分之一。在完成这一步骤并确证其可靠性之后，就让铜球滚下全程的1/4，并测出下降时间，我们发现它正好是滚下全程所需时间的一半。接着我们对其他距离进行实验，用滚下全程所需的时间和滚下一半距离、三分之二距离、四分之三距离或任何部分距离所用时间进行比较。这样的实验重复了整整一百次，我们往往发现，经
20、过的空间距离恒与所用时间的平方成正比例这对于各种斜度都成立。为了测量时间，我们把一只盛水的大容器置于高处，在容器底部焊上一根口径很细的管子，用小杯子收集每次球滚下来时由细管流出的水，不管是全程还是全程的一部份，都可以收集到。然后用极精密的天平称水的重量；这些水重之差和比值就给出时间之差和比值。精密度如此之高，以致于重复许多遍，结果都没有明显的差别。p.s顺带一提伽利略透过斜面实验研究了单摆理论p.s2在1638年出版的两种新科学的对话中第一次详细地叙述了落体定律，指出从静止状态开始自由下落的物体，其经过的距离同下落的时间平方成正比，实际上这个比值就是重力加速度。但是伽利略没有给出过一个重力加速
21、度的近似值p.s3第一个最先得出这个近似值是9.8米/秒2的是荷兰物理学家、数学家和天文学家惠更斯(Christiaan Huygens,16291695),二、实验教学的概念,1、国外 在使用美国英语的国家，实验教学是“laboratory activities”；在使用英国英语的国家，实验教学被称为“practical activities”。等人认为学校实验这一术语是指在学校环境中，学生接触具体物体或二手的数据（例如天文照片和虚拟实验等），来观察和理解物质世界的经历（The terms have meant experiences in school settings where stu
22、dents interact with materials to observe and understand the natural world）。这些活动既包括学生个人的实验、小组或班级的演示实验，也包括持续数周的探究或项目研究（project），以及在校外进行的相关活动。在韦氏大词典中，experiment的词义是为了揭示未知事物所进行的活动或过程；laboratory的词义是进行科学实验或研究的地方或建筑物；demonstration的词义是使事情变得明显、易懂的活动、过程或手段。,2、国内 意大利人、耶稣会士利玛窦（Matteo Ricci,1552-1610）于明末（1582年）来
23、华，以此为标志，我国的西学东渐活动开始，西方的科学技术知识开始传入中国，我国也进入近代科学的萌芽阶段。在西学东渐的大背景下，大量的科学著作被带到中国，并通过口授或者翻译为国人了解。在这一过程中，科学术语也随之翻译过来。在我国物理学发展早期，对其影响最深的是由江南制造局翻译的物理学。这本书是日本的物理学家饭盛挺造编著，腾田丰八和王季烈翻译的。这是中国第一部全面系统的物理学书籍，我国的“物理学”这一术语也是在这本书中开始被使用的。在这本书中，experiment被译为“试验”。在洋务运动推动下，1862年清政府设立了京师同文馆，1866年同文馆增设天算馆，1888年增设格致馆，自此物理学在各级各类
24、学校开始开课讲授。在解放前，我国科学教学方法深受美国杜威的影响，陶行知的思想具有代表性。在此期间，自制简单仪器的思想也已出现（解放后，这一思想由朱正元等推广）。查找中国期刊全文数据库和20世纪我国中小学物理学科课程标准和教学大刚发现，在解放前演示实验被称为“表演实验”或“示教实验”，直到解放后1956年，“演示实验”这一术语才出现在中学物理教学大纲中，与此同时，其它的称呼也随之消失。雷树人最早使用演示实验这一术语。教学实验术语的变化原因可能是在解放后，教育界全面学习苏联，“演示实验”可能是由俄语翻译而来的。在解放后对我国物理教育界影响较大的是前苏联的兹那敏斯基，他的著作中学物理教学法对我国教学
25、论教材的结构影响深远。与此同时，在前苏联教育思想的影响下，课外实验这种实验类型也在教学中出现。,发现新事物和探索新规律验证理论测定常数推广应用,实验是有目的、有计划地运用仪器、设备，在人为控制条件下，使现象反复再现，从而进行认真观测，获取大量资料的一种科学研究方法。,主要特点,可控性可重复性,主要作用,科学实验与教学实验的比较,实验在教学中的作用1、激发学生的兴趣和求知欲2、创设有效学习环境、促进学生对知识的掌握3、训练学生的科学方法4、培养学生的各种能力5、培养学生的科学态度和情感,实验教学的主要任务1.获取和巩固科学的理论知识，学会测量某些量。2.学会使用基本仪器。3.明确进行实验的一般规
26、范。4.能按要求正确完成实验操作，分析和处理所得实验数据。5.学习操作实验仪器、观察现象的基本技能、技巧。6.学习和初步运用误差理论。7.明了观察和实验手段研究现象的基本程序。8.培养学生在实验中的观察、思维和操作能力。9.使学生端正实验态度，养成良好习惯，培养探索精神。10.使学生感受学习物理的乐趣，激发求知欲和动手操作兴趣。,物理实验教学的基本形式,演示实验学生分组实验边教边实验课外实验与制作,物理实验教学的研究内容,物理疑难实验存在的理由 物理实验教学具有特殊性；实验的难度是相对于教师的知识、能力和经验而言；,物理实验教学的研究内容,中学物理实验教学的目的要求与教育功能的研究 物理实验教学原理、方案及其改革的研究；实验教学心理研究实验研究的方法、实验设计、自制教具与学具研制多种实验手段的研究物理实验教学的测量个评价研究,3、我国实验教学研究的优点和存在的不足,优点,在实践中探索出多种实验类型 对实验教学功能进行了翔实的研究研究内容从笼统到具体 文章类型从经验总结到理论研究,不足之处,实验教学策略缺乏细致的研究忽视对学生学习、教学效果的研究教师专业化发展研究不足中外实验研究交流缺乏,
