第一類設計性研究性物理實驗

1、復旦大學《文科物理實驗》教學實踐介紹,馬 世 紅復旦大學物理實驗教學中心http://phylab.fudan.edu.cn2007年08月11日,福建武夷山,OUTLINES,一、引言二、課程的教學要求 三、課程的特點四、教學方法和教學效果五、結(jié)束語六、附錄－“文科物理實驗”目 錄及說明七、物理實驗之美八、設想和建議,－－ 物理學是當代科學技術的最主要源泉,一、引言,－－ 建立在實驗基礎上的

2、重要學科 －－物理概念的建立 －－物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn) －－－基于嚴格的科學實驗,－－通過今后的科學實驗來證實。,－－文科物理實驗 －－實施綜合素質(zhì)教育的重要基礎課程之一 －－體現(xiàn)自然科學教育與人文科學教育融和的一個組成部分。,－－中學時期： 文理分班帶來了人才成長中思維的偏頗和綜合素質(zhì)的先天不足,現(xiàn)實情況為：,－－大學階段： 文、理、工、農(nóng)、醫(yī)分科辦學，學生接受的

3、是過窄的專業(yè)教育，又影響了人才的知識結(jié)構和思維方式,一、引言,“文科物理實驗”作為一門復旦大學的全校公共選修課，其目的在于培養(yǎng)學生、尤其是文科類本科學生的實踐能力和創(chuàng)新精神，進而提高學生自身的自然科學素質(zhì)。,它要求學生在實驗室中動腦動手，設計和完成實驗，在實踐中增長知識、能力和才干。,自1985年開設以來，這門課在教學實踐中不斷完善、充實、發(fā)展、提高,目前已成為一門深受廣大學生普遍歡迎的課程。該課程吸引了管理學院、經(jīng)濟學院、國際關系學院

4、、哲學、中文、歷史等各文科專業(yè)的學生,選修此課的學生比例平均為85%，最多時達到100%。,一、引言,物理實驗 旨在幫助學生通過親手實踐，學習探索自然科學現(xiàn)象、規(guī)律的思維方式和研究方法,文科物理實驗 －－內(nèi)容上要體現(xiàn)科學性、趣味性和先進性的特點－－選題上要顧及到一般的物理規(guī)律的觀測 －－所使用的儀器也是較為簡單而基本的,二、課程的教學要求,課程的教學要求是：,l. 使文

5、科學生在物理實驗的基本知識、基本方法和實驗技能諸方面受到初步的科學訓練。其中，主要學習如何根據(jù)物理實驗思想確定合理的實驗方案，正確選擇和使用基本儀器，掌握一定的物理測量技術和實驗方法，能初步掌握對實驗數(shù)據(jù)進行處理(包括有效數(shù)字運算，誤差分析等)，判斷和分析實驗結(jié)果等。,二、課程的教學要求,二、課程的教學要求,2. 學習用實驗方法探求物理規(guī)律、觀察和分析物理現(xiàn)象，通過實驗加深對一些重要的物理規(guī)律的認識和理解，并分析實驗中存在的問題。,3．

6、通過實驗培養(yǎng)嚴肅認真、實事求是的科學態(tài)度和工作作風，以提高文科學生的科學文化素質(zhì)。,三、課程的特點,物理實驗是學生在教師指導下獨立進行的一種實踐活動，因此在實驗過程中應當發(fā)揮學生的主觀能動性，有意識地培養(yǎng)他們的獨立工作能力和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L。,與學生必修的傳統(tǒng)物理實驗課相比，它有以下三個顯著特點：,1．與課堂教學結(jié)合較緊密，著重對物理現(xiàn)象的觀察、分析和研究,幫助學生從實驗上深入理解物理規(guī)律。,傅科擺的制作與實驗,使學生對科里奧利力的存在和

7、特征有了更明確、更深入的理解；,三、課程的特點－－舉例說明,三、課程的特點－－舉例說明,利用鋼尺的衍射光斑測量激光波長的實驗使學生對激光的單色性和反射光柵的衍射原理有了非常深刻的印象,2．以定性和半定量研究為主，不過分追求測量的準確程度，不要求進行系統(tǒng)的誤差分析或不確定度的嚴格評定。,例如,用壓電陶瓷元件測量音叉固有頻率的實驗，我們讓學生自己把壓電陶瓷貼在音叉上去測量，貼的位置不同測得的結(jié)果也不同，讓學生自己分析怎樣貼才能得到正確的結(jié)果

8、。,三、課程的特點－－舉例說明,3．特別注意科學性與趣味性的結(jié)合，充分調(diào)動學生的學習積極性和創(chuàng)新精神。我們認為，學習興趣是學生自覺學習的強大動力。能否激發(fā)學生的學習興趣，是一門選修課成敗的關鍵。,例如，“魚洗”是我國古代勞動人民的優(yōu)秀科技創(chuàng)造。用手適當摩擦特制銅盆的環(huán)耳，盆上的魚嘴就會噴出很高的水珠來，美麗而有趣。,三、課程的特點－－舉例說明,當學生把壓電陶瓷片貼在普通燒杯邊上，和壓電陶瓷片相連的信號發(fā)生器通電后，適當調(diào)節(jié)其頻率，也能使

9、燒杯中出現(xiàn)類似魚洗的水珠噴射時，他們已在愉快的笑聲中深刻地掌握了產(chǎn)生“駐波”的基本原理。,又如“激光監(jiān)測”模擬實驗，把收音機放在一個密閉玻璃盒內(nèi)，讓一束氦氖激光在玻璃壁上反射。,三、課程的特點－－舉例說明,一般在學生選修此課程前,教師要對全體學生介紹本課程的特點與要求，讓學生考慮是否選修此課。,教學方法的特點是學生自己選題、自己確定實驗的內(nèi)容和深度、自己動手動腦去設計和完成實驗。,四、教學方法,選修后，按自愿原則分成兩人一組(這樣做的優(yōu)

10、點是一方面可以相互照顧與討論，防止人身或儀器的事故；另一方面則有利于培養(yǎng)科學工作中的合作精神)。,學生要自行設計實驗裝置，自行準備實驗器材、自行擬定實驗步驟。只要沒有人身或儀器事故的危險，教師一般不予干涉，只是從旁觀察和了解。如果他們遇到困難或問題實在無法解決時，教師也只作啟發(fā)性引導，指出問題的癥結(jié),鼓勵他們克服困難,幫助他們樹立信心；但不作具體的指導，在任何情況下都不代替學生完成實驗。,分組后，發(fā)給參考教材和有關資料，讓他們選擇自己感

11、興趣的實驗內(nèi)容。參考教材不同于傳統(tǒng)的物理實驗教材，其中，一般只有實驗的目的、要求和可提供的儀器設備等，原理相當簡單；具體的實驗步驟則不全或完全沒有。,四、教學方法,學生在一次實驗時間(3學時)內(nèi)如不能完成預期的實驗內(nèi)容，可以允許他們分幾次完成。當然，如果完成順利，也可以一次實驗時間做兩個實驗選題。每個實驗選題都有不同的深度、不同的要求，做到什么程度，也由學生自己決定。,四、教學方法,這門實驗課的教學理念是：允許失敗、

12、允許重做、鼓勵探索、鼓勵創(chuàng)新。,四、教學方法,對于一學期總共應完成幾個實驗及每個實驗應完成到什么程度，教師都不作硬性規(guī)定而讓學生自己考慮決定。,完成每階段實驗后,都要寫一份小結(jié)；學期結(jié)束時，則讓他們進行一次口頭的總結(jié)和交流。,我們根據(jù)學生完成實驗的質(zhì)量、研究物理問題的深度、實驗的作風和態(tài)度以及他們的小結(jié)和總結(jié)來綜合評定他們的成績。,對學生有如此巨大的吸引力，能長盛不衰，越辦越紅火，關鍵在于它有很好的教

13、學效果。,這些效果主要是:（1）激發(fā)了學生學習物理知識、探索物理規(guī)律的熱情和積極性；（2）加深了學生對物理規(guī)律的切身感受和實際體會,使物理知識成為有血有肉的活知識；,四、教學效果,（3）提高了學生的動手動腦能力,激勵了他們的創(chuàng)新精神。 普通物理實驗的教師普遍反映，選修過“文科物理實驗”的學生無論在儀器使用上、獨立工作能力上，還是在實驗的思路與技巧上，都明顯比其他同學強。,四、教學效果,－－物理實驗在文科物理教學中的實踐還處于

14、起始階段，它完全不同于普通物理實驗和近代物理實驗，它著重于定性半定量的特點,正好是文科學生素質(zhì)教學所需要的，因而我們深信它有十分廣闊的發(fā)展前景。－－同時，希望在教學實踐中不斷修改、充實、發(fā)展、提練實驗的教學內(nèi)容，使其不斷完善起來，以適應全面提高學生綜合素質(zhì)的需要。,五、結(jié)束語,實驗數(shù)據(jù)處理 實驗一 真空中的自由落體 實驗二 水滴自由下落時的重力加速度的測量實驗三 打靶實驗實驗四 加速度與

15、動摩擦系數(shù)的測量實驗五 表面張力趣味實驗實驗六 傅科擺實驗七 “汽車”行駛速度的測量,六、附錄－“文科物理實驗”目錄,實驗八 聲波測距實驗九 銅噴洗實驗十 用激光測量水波振動頻率及傳播速度實驗十一 人的發(fā)音頻率和脈搏頻率的測量實驗十二 壓電陶瓷實驗十三 蠟燭熄滅后水面升高原因的實驗探究實驗十四 熱空氣發(fā)動機實驗十五

16、 紅外檢測實驗十六 “溫差電效應”制冰,六、附錄－“文科物理實驗”目錄,實驗十七 靜電“電動機”與靜電“乒乓球”的系列實驗實驗十八 電風車與靜電除塵等的系列實驗實驗十九 水與靜電的系列實驗實驗二十 基本電工安裝實驗二十一電源頻率可調(diào)單相旋轉(zhuǎn)磁場實驗實驗二十二電磁懸浮實驗二十三自制“無線電發(fā)射臺”實驗二十四光源閃爍揭秘,六、附錄－

17、“文科物理實驗”目錄,實驗二十五海市蜃樓實驗二十六光的干涉、衍射及偏振實驗實驗二十七奇妙的圓孔與圓盤衍射實驗二十八激光監(jiān)測實驗二十九小魔術：“變色”水 實驗三十白光分解系列實驗實驗三十一“旋光效應”測糖溶液的濃度實驗三十二“五彩繽紛”的液晶,六、附錄－“文科物理實驗”目錄,實驗三十三使用計算機測量轉(zhuǎn)盤的角速度 實驗三十四數(shù)碼照相

18、在物理實驗中的應用 實驗三十五趣味小實驗閱讀材料： “歷史上最美的”物理實驗簡介,六、附錄－“文科物理實驗”目錄,六、附錄－“文科物理實驗”目錄及說明,所編實驗教材中的大多數(shù)實驗都分為“概述”、“實驗器材”、“實驗步驟”、“思考題”和“討論”五部分。－－“概述”介紹該實驗的背景、原理及有關輔助知識；－－“討論”是可從該實驗得到的一些啟示和它的某些現(xiàn)代應用。－－“實驗器材”中

19、只列出了最基本的實驗器材，學生可根據(jù)要求提出增添或更換；－－“實驗步驟”寫得相當簡單，學生應在了解原理的基礎上，根據(jù)各自情況予以補充。在有些實驗中，還列出了數(shù)據(jù)記錄表格，這只是供參考的，學生們是可以設計更適合自己情況的表格。,－－“思考題”是一些與該實驗有關的問題，有些可在實驗前考慮，大多只能在實驗中或?qū)嶒灪罂紤]和解答。為了驗證所考慮的結(jié)論是否正確，學生可提出自己設計的新實驗，并在條件允許時進行這些實驗。當然，

20、并不要求每個學生回答所有的思考題，只要挑選那些有興趣的問題即可。更希望學生通過實驗自己提出更多的問題來思考和解決。,六、附錄－“文科物理實驗”目錄及說明,歡迎提問討論,最美麗的十大物理實驗,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

21、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）,七、物理實驗之美,埃拉托色尼是一位 杰出的數(shù)學家、天 文學家、運動學家、 詩人、地理學家,排名第二的全能學者 ——故事的主角,確定大地的形狀,亞里士多德時期，他已經(jīng)

22、明確提出，大地是一個球體,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,月食時地球的陰影顯然是個圓形,如果一直 朝南走， 熟悉的北 方天空星 座會漸漸 下沉,哈勃望遠鏡拍攝的地球照片,地球是個球形的直接證據(jù) －天體物理學的觀測結(jié)果,埃拉托色尼測定地球周長的實驗（約公元前300）,問題1：給你一根直桿，你能否測出地球的周

23、長？,,塞恩城,,亞歷山大城,,,,北回歸線,亞歷山大城和塞恩城,埃拉托色尼測定地球周長的實驗（約公元前300）,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,問題2：當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的？,d 2

24、+ r2 = (r + h)2，式中d = HE,d 2 =2rh + h2， h << r,d 2 =2rh,? / 360? = t / 24h,d = r tan? ， h <<,r ? 2h / tan2?,設 t = 11.1s, ? = 0.04625?,h = 1.70m,r ? 5.22?106m, 在公認的地球（平均）半徑（ 6.37?106m ）的20％范圍之內(nèi),De

25、nnis Rawlins, Am. J. Phys. 47(2), 1979, 126-128,d,“怎樣使用表和米尺來測量地球的大小”，,《美國物理學雜志》, 47(2) (1979) p.126-128,利用現(xiàn)代化的傳感器技術開展物理實驗。 許多物理量，如距離、位移、力、速度、溫度、電壓、電流等，都可用Sensor進行測量。,物 理 實 驗 之 美,樸素之美 現(xiàn)代之美,四、幾點設

26、想與建議…,八、設想與建議,（1）第一種方案：開設一門“文科物理實驗”課 （2）第二種方案：在“文科物理”（？）課程中適當安排 一段時間，讓學生做文科物理實驗,1、如何進行文科物理實驗教學,2、如何開發(fā)新的文科物理實驗,（1）幫助實驗中心專職教師根據(jù)自己的特長和愛好， 開設文科物理實

27、驗 （2）鼓勵各專業(yè)教師結(jié)合自己的科研項目或興趣，帶領學生進行文科物理實驗,3、搞好文科物理實驗的關鍵,（1）第一種方案：開設一門“文科物理實驗”課,第1周：全班講課（課程特點、目的意義，介紹各實驗概況） 學生選實驗第2－13周： 做實驗（包括查資料、設計實驗方案、選擇儀器、 分析與研究實驗結(jié)

28、果、寫階段小結(jié)報告等） 做實驗的個數(shù)，完全由學生確定（至少2－4個）第14周：寫總結(jié)報告第15周：小組交流總結(jié)報告（每位教師一組，至多6人）第16周：全班交流總結(jié)報告,1、如何進行文科物理實驗教學,（2）第二種方案：在“文科物理”課程中適當安排 一 段時間，讓學生做文科物理實驗,1周： 全班講課（課程特點、

29、目的意義，介紹各實驗概況） 學生選實驗4-5周： 做實驗（包括查資料、設計實驗方案、選擇儀器、 分析與研究實驗結(jié)果、寫總結(jié)報告等） 做實驗1－2個1周： 全班交流總結(jié)報告,1、如何進行文科物理實驗教學,2、如何開發(fā)新的文科物理實驗,（1）幫助實驗中心專職教師根據(jù)自己的特長和愛好， 開設文科物理實驗,協(xié)商選題

30、——給每一個人選1－2道題百花齊放——如何排如何帶均給以充分的自由經(jīng)費支持——力所能及，盡量支持解決困難——時間、精力、設備、資料算工作量——排實驗、帶實驗均優(yōu)惠幫助總結(jié)——寫教材、教案、論文,2、如何開發(fā)新的文科物理實驗,（2）鼓勵各專業(yè)教師結(jié)合自己的科研項目或興趣，帶領學生進行文科物理實驗,是提高文科物理實驗水平的重要舉措。,與學生的專業(yè)和畢業(yè)論文相結(jié)合，能成為一支人文科學研究的生力軍。,承認專業(yè)教師從事基礎教學的工作