第一類設(shè)計(jì)性研究性物理實(shí)驗(yàn)

1、復(fù)旦大學(xué)《文科物理實(shí)驗(yàn)》教學(xué)實(shí)踐介紹,馬 世 紅復(fù)旦大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)要求 三、課程的特點(diǎn)四、教學(xué)方法和教學(xué)效果五、結(jié)束語六、附錄－“文科物理實(shí)驗(yàn)”目 錄及說明七、物理實(shí)驗(yàn)之美八、設(shè)想和建議,－－ 物理學(xué)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的最主要源泉,一、引言,－－ 建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的

2、重要學(xué)科 －－物理概念的建立 －－物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn) －－－基于嚴(yán)格的科學(xué)實(shí)驗(yàn),－－通過今后的科學(xué)實(shí)驗(yàn)來證實(shí)。,－－文科物理實(shí)驗(yàn) －－實(shí)施綜合素質(zhì)教育的重要基礎(chǔ)課程之一 －－體現(xiàn)自然科學(xué)教育與人文科學(xué)教育融和的一個(gè)組成部分。,－－中學(xué)時(shí)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(shí)情況為：,－－大學(xué)階段： 文、理、工、農(nóng)、醫(yī)分科辦學(xué)，學(xué)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(gòu)和思維方式,一、引言,“文科物理實(shí)驗(yàn)”作為一門復(fù)旦大學(xué)的全校公共選修課，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生、尤其是文科類本科學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，進(jìn)而提高學(xué)生自身的自然科學(xué)素質(zhì)。,它要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中動腦動手，設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn)，在實(shí)踐中增長知識、能力和才干。,自1985年開設(shè)以來，這門課在教學(xué)實(shí)踐中不斷完善、充實(shí)、發(fā)展、提高,目前已成為一門深受廣大學(xué)生普遍歡迎的課程。該課程吸引了管理學(xué)院、經(jīng)濟(jì)學(xué)院、國際關(guān)系學(xué)院

4、、哲學(xué)、中文、歷史等各文科專業(yè)的學(xué)生,選修此課的學(xué)生比例平均為85%，最多時(shí)達(dá)到100%。,一、引言,物理實(shí)驗(yàn) 旨在幫助學(xué)生通過親手實(shí)踐，學(xué)習(xí)探索自然科學(xué)現(xiàn)象、規(guī)律的思維方式和研究方法,文科物理實(shí)驗(yàn) －－內(nèi)容上要體現(xiàn)科學(xué)性、趣味性和先進(jìn)性的特點(diǎn)－－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(xué)要求,課程的教學(xué)要求是：,l. 使文

5、科學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)的基本知識、基本方法和實(shí)驗(yàn)技能諸方面受到初步的科學(xué)訓(xùn)練。其中，主要學(xué)習(xí)如何根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)思想確定合理的實(shí)驗(yàn)方案，正確選擇和使用基本儀器，掌握一定的物理測量技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法，能初步掌握對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(包括有效數(shù)字運(yùn)算，誤差分析等)，判斷和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。,二、課程的教學(xué)要求,二、課程的教學(xué)要求,2. 學(xué)習(xí)用實(shí)驗(yàn)方法探求物理規(guī)律、觀察和分析物理現(xiàn)象，通過實(shí)驗(yàn)加深對一些重要的物理規(guī)律的認(rèn)識和理解，并分析實(shí)驗(yàn)中存在的問題。,3．

6、通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和工作作風(fēng)，以提高文科學(xué)生的科學(xué)文化素質(zhì)。,三、課程的特點(diǎn),物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在教師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行的一種實(shí)踐活動，因此在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)當(dāng)發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，有意識地培養(yǎng)他們的獨(dú)立工作能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。,與學(xué)生必修的傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)課相比，它有以下三個(gè)顯著特點(diǎn)：,1．與課堂教學(xué)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(xué)生從實(shí)驗(yàn)上深入理解物理規(guī)律。,傅科擺的制作與實(shí)驗(yàn),使學(xué)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(diǎn)－－舉例說明,三、課程的特點(diǎn)－－舉例說明,利用鋼尺的衍射光斑測量激光波長的實(shí)驗(yàn)使學(xué)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(zhǔn)確程度，不要求進(jìn)行系統(tǒng)的誤差分析或不確定度的嚴(yán)格評定。,例如,用壓電陶瓷元件測量音叉固有頻率的實(shí)驗(yàn)，我們讓學(xué)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(xué)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(diǎn)－－舉例說明,3．特別注意科學(xué)性與趣味性的結(jié)合，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新精神。我們認(rèn)為，學(xué)習(xí)興趣是學(xué)生自覺學(xué)習(xí)的強(qiáng)大動力。能否激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是一門選修課成敗的關(guān)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(dāng)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(diǎn)－－舉例說明,當(dāng)學(xué)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(dāng)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(shí)，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(shí)驗(yàn)，把收音機(jī)放在一個(gè)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(diǎn)－－舉例說明,一般在學(xué)生選修此課程前,教師要對全體學(xué)生介紹本課程的特點(diǎn)與要求，讓學(xué)生考慮是否選修此課。,教學(xué)方法的特點(diǎn)是學(xué)生自己選題、自己確定實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和深度、自己動手動腦去設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn)。,四、教學(xué)方法,選修后，按自愿原則分成兩人一組(這樣做的優(yōu)

10、點(diǎn)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(xué)工作中的合作精神)。,學(xué)生要自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，自行準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材、自行擬定實(shí)驗(yàn)步驟。只要沒有人身或儀器事故的危險(xiǎn)，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(shí)在無法解決時(shí)，教師也只作啟發(fā)性引導(dǎo)，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(dǎo)，在任何情況下都不代替學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。,分組后，發(fā)給參考教材和有關(guān)資料，讓他們選擇自己感

11、興趣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。參考教材不同于傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教材，其中，一般只有實(shí)驗(yàn)的目的、要求和可提供的儀器設(shè)備等，原理相當(dāng)簡單；具體的實(shí)驗(yàn)步驟則不全或完全沒有。,四、教學(xué)方法,學(xué)生在一次實(shí)驗(yàn)時(shí)間(3學(xué)時(shí))內(nèi)如不能完成預(yù)期的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以允許他們分幾次完成。當(dāng)然，如果完成順利，也可以一次實(shí)驗(yàn)時(shí)間做兩個(gè)實(shí)驗(yàn)選題。每個(gè)實(shí)驗(yàn)選題都有不同的深度、不同的要求，做到什么程度，也由學(xué)生自己決定。,四、教學(xué)方法,這門實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)理念是：允許失敗、

12、允許重做、鼓勵探索、鼓勵創(chuàng)新。,四、教學(xué)方法,對于一學(xué)期總共應(yīng)完成幾個(gè)實(shí)驗(yàn)及每個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)完成到什么程度，教師都不作硬性規(guī)定而讓學(xué)生自己考慮決定。,完成每階段實(shí)驗(yàn)后,都要寫一份小結(jié)；學(xué)期結(jié)束時(shí)，則讓他們進(jìn)行一次口頭的總結(jié)和交流。,我們根據(jù)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量、研究物理問題的深度、實(shí)驗(yàn)的作風(fēng)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(xué)生有如此巨大的吸引力，能長盛不衰，越辦越紅火，關(guān)鍵在于它有很好的教

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

14、起始階段，它完全不同于普通物理實(shí)驗(yàn)和近代物理實(shí)驗(yàn)，它著重于定性半定量的特點(diǎn),正好是文科學(xué)生素質(zhì)教學(xué)所需要的，因而我們深信它有十分廣闊的發(fā)展前景。－－同時(shí)，希望在教學(xué)實(shí)踐中不斷修改、充實(shí)、發(fā)展、提練實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，使其不斷完善起來，以適應(yīng)全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)的需要。,五、結(jié)束語,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 實(shí)驗(yàn)一 真空中的自由落體 實(shí)驗(yàn)二 水滴自由下落時(shí)的重力加速度的測量實(shí)驗(yàn)三 打靶實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四 加速度與

15、動摩擦系數(shù)的測量實(shí)驗(yàn)五 表面張力趣味實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)六 傅科擺實(shí)驗(yàn)七 “汽車”行駛速度的測量,六、附錄－“文科物理實(shí)驗(yàn)”目錄,實(shí)驗(yàn)八 聲波測距實(shí)驗(yàn)九 銅噴洗實(shí)驗(yàn)十 用激光測量水波振動頻率及傳播速度實(shí)驗(yàn)十一 人的發(fā)音頻率和脈搏頻率的測量實(shí)驗(yàn)十二 壓電陶瓷實(shí)驗(yàn)十三 蠟燭熄滅后水面升高原因的實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)十四 熱空氣發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)十五

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

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

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

19、只列出了最基本的實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生可根據(jù)要求提出增添或更換；－－“實(shí)驗(yàn)步驟”寫得相當(dāng)簡單，學(xué)生應(yīng)在了解原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)各自情況予以補(bǔ)充。在有些實(shí)驗(yàn)中，還列出了數(shù)據(jù)記錄表格，這只是供參考的，學(xué)生們是可以設(shè)計(jì)更適合自己情況的表格。,－－“思考題”是一些與該實(shí)驗(yàn)有關(guān)的問題，有些可在實(shí)驗(yàn)前考慮，大多只能在實(shí)驗(yàn)中或?qū)嶒?yàn)后考慮和解答。為了驗(yàn)證所考慮的結(jié)論是否正確，學(xué)生可提出自己設(shè)計(jì)的新實(shí)驗(yàn)，并在條件允許時(shí)進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，

20、并不要求每個(gè)學(xué)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(xué)生通過實(shí)驗(yàn)自己提出更多的問題來思考和解決。,六、附錄－“文科物理實(shí)驗(yàn)”目錄及說明,歡迎提問討論,最美麗的十大物理實(shí)驗(yàn),1. 用單電子作的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)（1961）2. 伽利略的落體實(shí)驗(yàn)（1600左右）3. 密立根油滴實(shí)驗(yàn)（1909）4. 牛頓用棱鏡將日光分解為七色的實(shí)驗(yàn)（1665—1666）5. 楊氏用光作的干涉實(shí)驗(yàn)（1801）6. 卡文迪許用

21、扭秤測定萬有引力常數(shù)的實(shí)驗(yàn)（1798）7. 埃拉托色尼測定地球周長的實(shí)驗(yàn)（約公元前300）8. 伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)（1600左右）9. 盧瑟福用? 粒子散射發(fā)現(xiàn)原子核的實(shí)驗(yàn)（1911）10. 佛科擺的實(shí)驗(yàn)（1851）,七、物理實(shí)驗(yàn)之美,埃拉托色尼是一位 杰出的數(shù)學(xué)家、天 文學(xué)家、運(yùn)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,確定大地的形狀,亞里士多德時(shí)期，他已經(jīng)

22、明確提出，大地是一個(gè)球體,地球是個(gè)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(gè)巨大的圓弧,月食時(shí)地球的陰影顯然是個(gè)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(yuǎn)鏡拍攝的地球照片,地球是個(gè)球形的直接證據(jù) －天體物理學(xué)的觀測結(jié)果,埃拉托色尼測定地球周長的實(shí)驗(yàn)（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(shí)驗(yàn)（約公元前300）,埃拉托色尼測定地球周長的實(shí)驗(yàn)（約公元前300）,L = 360? ? 800 / 7.2? 千米,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(shí)，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(shí)間間隔，你就可以估計(jì)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(shè) t = 11.1s, ? = 0.04625?,h = 1.70m,r ? 5.22?106m, 在公認(rèn)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(xué)雜志》, 47(2) (1979) p.126-128,利用現(xiàn)代化的傳感器技術(shù)開展物理實(shí)驗(yàn)。 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(jìn)行測量。,物 理 實(shí) 驗(yàn) 之 美,樸素之美 現(xiàn)代之美,四、幾點(diǎn)設(shè)

26、想與建議…,八、設(shè)想與建議,（1）第一種方案：開設(shè)一門“文科物理實(shí)驗(yàn)”課 （2）第二種方案：在“文科物理”（？）課程中適當(dāng)安排 一段時(shí)間，讓學(xué)生做文科物理實(shí)驗(yàn),1、如何進(jìn)行文科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),2、如何開發(fā)新的文科物理實(shí)驗(yàn),（1）幫助實(shí)驗(yàn)中心專職教師根據(jù)自己的特長和愛好， 開設(shè)文科物理實(shí)

27、驗(yàn) （2）鼓勵各專業(yè)教師結(jié)合自己的科研項(xiàng)目或興趣，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行文科物理實(shí)驗(yàn),3、搞好文科物理實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵,（1）第一種方案：開設(shè)一門“文科物理實(shí)驗(yàn)”課,第1周：全班講課（課程特點(diǎn)、目的意義，介紹各實(shí)驗(yàn)概況） 學(xué)生選實(shí)驗(yàn)第2－13周： 做實(shí)驗(yàn)（包括查資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、選擇儀器、 分析與研究實(shí)驗(yàn)結(jié)

28、果、寫階段小結(jié)報(bào)告等） 做實(shí)驗(yàn)的個(gè)數(shù)，完全由學(xué)生確定（至少2－4個(gè)）第14周：寫總結(jié)報(bào)告第15周：小組交流總結(jié)報(bào)告（每位教師一組，至多6人）第16周：全班交流總結(jié)報(bào)告,1、如何進(jìn)行文科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),（2）第二種方案：在“文科物理”課程中適當(dāng)安排 一 段時(shí)間，讓學(xué)生做文科物理實(shí)驗(yàn),1周： 全班講課（課程特點(diǎn)、

29、目的意義，介紹各實(shí)驗(yàn)概況） 學(xué)生選實(shí)驗(yàn)4-5周： 做實(shí)驗(yàn)（包括查資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、選擇儀器、 分析與研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果、寫總結(jié)報(bào)告等） 做實(shí)驗(yàn)1－2個(gè)1周： 全班交流總結(jié)報(bào)告,1、如何進(jìn)行文科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),2、如何開發(fā)新的文科物理實(shí)驗(yàn),（1）幫助實(shí)驗(yàn)中心專職教師根據(jù)自己的特長和愛好， 開設(shè)文科物理實(shí)驗(yàn),協(xié)商選題

30、——給每一個(gè)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(fèi)支持——力所能及，盡量支持解決困難——時(shí)間、精力、設(shè)備、資料算工作量——排實(shí)驗(yàn)、帶實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn),（2）鼓勵各專業(yè)教師結(jié)合自己的科研項(xiàng)目或興趣，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行文科物理實(shí)驗(yàn),是提高文科物理實(shí)驗(yàn)水平的重要舉措。,與學(xué)生的專業(yè)和畢業(yè)論文相結(jié)合，能成為一支人文科學(xué)研究的生力軍。,承認(rèn)專業(yè)教師從事基礎(chǔ)教學(xué)的工作