把对学生的机械训练转向实践素质的培养

1. 把对学生的机械训练转向实践素质的培养 －开发非常规物理实验的 素质教育功能 刘炳昇

2. 问题的提出 • 习题和练习是物理教学的一部分，但现实中，它的地位已经胜过概念、规律教学，而且是一种大运动量的、几乎都是脱离实际的笔试训练。它使大多数学生厌学，是在糟蹋学生的青春。 • 这种状况需要改变。

3. 解决实践问题的特点 • 1.更有利于激发学生的好奇心和求知欲。 • 2.需要通过自己的观察获取信息，发现问题，作为进一步思维的基础。 • 3.学生能直接从实践中获得及时、准确的反馈信息，有利于提高学生实践意识和评价能力。 • 4.实践中蕴藏着极其活跃的因素，有益于活化知识和训练思维。 • 5.实践活动内容丰富，形式多样，有利于发展学生的个性特长。

4. 寻找风铃管音调的经验规律 示波器软件 管径：2.5cm

5. 50 40 30 800 1000 1200 1400 600

6. 是否与管径有关？ • 管直径1.5cm

7. 50 40 d =2.5cm 30 d =1.5cm 20 800 1000 1200 1400 600

8. 寻找经验规律 • 频率与管长和管的截面积有关，管长越长，频率越低；截面积越大，频率越高。 • 频率与这两个因素某种关系的乘积，可能与声速有关。因此这两个因素关系的量纲应当是[m1]. • 由此或猜想：

9. 验证： • 管直径1.5cm • 误差在1%-2%间。

10. 逆风行舟 • 给你一个带帆的小车和电风扇，你能使小车在略倾的斜面上逆风行进吗？ • 试一试，你是怎样做到的？ • 你能说明逆风行车的原理吗？ • 能否用一把直尺、三角板和铅笔做一个模拟实验并说明它的原理？ • 说明在什么样的情况下小舟不能逆风而上。

11. 可调整的维度：航向、风向、帆向。 选择航向和风向在一条直线上，改变帆向； 时而改变风向，时而改变帆向； 固定风向与航向的夹角，调节帆向，由于合适的帆向只在已定的夹角范围内，尝试中很容易错过； 航向 风向 帆向 学生在实践中的表现

12. 少数同学开始转向画图分析； 少数同学用直尺和三角板实验； 然后回来做帆车的实验； 再进行理论分析。分析中多把风向当成对帆施力的方向。 航向 风向 帆向 学生在实践中的表现

13. 案例：滑板车靠什么前进？ • 在市民广场上有一些小孩站在一种特殊的滑板车上，不用脚来蹬地就能前行，前行的奥秘是什么？ • 观察小车的结构。 • 试一试，你是怎样使小车前行的？ • 分析一下，小车为什么能够前进？

14. 二轮滑板车的结构

15. 一脚踏滑板前部，另一脚踏滑板后部，使前后板绕纵轴往复扭转，滑板车就向前运动了。一脚踏滑板前部，另一脚踏滑板后部，使前后板绕纵轴往复扭转，滑板车就向前运动了。 • 为什么滑板车会向前运动呢？

16. 前方 F1 F F F2 F 俯视 滑车（后部）受力分析 前方 侧视 前视

17. 评析： • 它们都是户外运动中的实际问题，学生非常感兴趣，但对运动的原理却想不通，似乎违背常理，不依靠划桨（或发动机）产生的动力，小船岂能逆流而上？没有链条带动车轮，也不蹬地，小车还能前进？因此解决问题的动机很强。 • 通过探究使问题得到解决，过程中也许没有公式的推导和计算，但需要有思想，会解释不亚于做一个复杂的计算题！

18. 案例：逆风行舟 • 常言道，乘长风破万里浪，顺风破浪。但你见过逆风破浪，而不靠人力拼搏吗？这似乎不可想象，但事实上，只要把握一定的航向和适当控制帆面的位置，最终是可以达到逆风目标的。

19. 用手拉住摆绳的一端，让摆球先以小振幅摆起来，怎样通过你拉绳的手使摆球的振幅增大？用手拉住摆绳的一端，让摆球先以小振幅摆起来，怎样通过你拉绳的手使摆球的振幅增大？ 试一试。 你打算在什么位置拉绳，在什么位置松绳？ 为什么？ 手 案例：荡秋千的学问

20. 案例：荡秋千的学问 • 学生学了机械能守恒，就用机械能守恒定律来解决问题，但实际情况并不是那么一回事。 • 想一想，你是怎样打秋千的？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来？ • 回顾你学过的知识，你能提出什么问题吗？

21. 案例：荡秋千的学问 • 按照你打秋千的经验，再来拉动摆球，试一试，你能使摆球的振幅增大吗？ • 为什么我们不能用机械能守恒定律来解决这个打秋千的问题？因为人在做功改变了系统的能量。 • 通俗地解释一下原因（可以演示）：一个在光滑水平面内被线牵着的小球作圆周运动，半径变小时，小球转动的线速度会变大。原因是它要保持转动的动能不变。人在秋千的最低点站起来时，半径变小，线速度就要变大。

22. 评析 • 这是一种孩子喜欢玩的游戏，如果没有学过机械能守恒定律，也许他们会模拟荡秋千，但学过以后不会了。因为他们很少经历这种实践的训练，不知道真正解决实际问题的思考模式。 • 知道不知道角动量守恒并不重要，通俗地解释一下，可以使学生得到充实感，并唤起今后学习的动机。

23. 案例：静电散花

24. 静电飞花的解释

25. 器材：静电计，固定在静电计上的金属圆盘，带绝缘柄的金属圆盘，摩擦起电（或感应起电）的简单装置。器材：静电计，固定在静电计上的金属圆盘，带绝缘柄的金属圆盘，摩擦起电（或感应起电）的简单装置。 请演示说明平行板电容器的电容与平板间距离的关系。 案例：演示平行板电容的实验

26. 带电 案例：演示平行板电容的实验 • 距离减小，指针张角变大。 • 意味着电势差随距离减小而增大。 • 根据 • 可得：距离减小，电容也减小。为什么？ 地

27. 手持绝缘柄将金属盘接近静电计上的金属盘，指针张角几乎不减小。手持绝缘柄将金属盘接近静电计上的金属盘，指针张角几乎不减小。 这是为什么？ 案例：演示平行板电容的实验 让下板带电 地

28. 手接触金属盘，将其接近静电计上的金属盘，指针张角减小，移开上金属盘，指针张角变大。手接触金属盘，将其接近静电计上的金属盘，指针张角减小，移开上金属盘，指针张角变大。 意味着距离减小时，电势差变小，电容变大。说明平行板电容器的电容随两极板间距离减小而变大。 案例：演示平行板电容的实验 让下板带电 地

29. 为什么前两种做法带来错误的结论？ • 第一种：静电计测量的是下金属盘与地之间的电势差，下金属盘被感应的电量在随距离减小而增大。不等于电容两极的电势差。 • 第二种：上金属盘不接地，静电计测量的也不等于电容两极的电势差。它相当于测量平行板电容与上金属盘与地之间电容串联的电势差。总电容很小，几乎不变。 • 说明实践问题与解决笔头问题是大不相同的。

30. 案例：探究奇异的饮水鸟 饱和汽的特性

31. 课题：奇异的饮水鸟 • 有如图所示的玩具，称之为饮水鸟，在饮水鸟旁的小碗中注水近满，再把饮水鸟的头按低，使其嘴喙插入至水中， • 片刻后释放，仔细观察出现的现象。

32. 课题：奇异的饮水鸟 • 你见到哪些现象？ • 想象出它的内部结构，并分析饮水鸟连续动作的原因。你是怎样思考的？根据哪些现象提出假设的？ • 请你说明饮水鸟重心变化的初始原因是什么？为什么会引起重心变化？低头的力矩是怎样产生的？

33. 课题：奇异的饮水鸟 • 饮水鸟低头以后，为什么又会抬起头来？你是否观察到抬头前饮水鸟内发生的一些现象？这些现象与抬头有什么关系？ • 能否用另一种方式的实验来验证你提出的假说？ • 请分析说明这种“机器”能否看成是一种永动机？为什么？

34. 汽室 头泡 吸湿层 支点 乙醚 尾泡 尝试用下面的模型解释 • 模型1：

35. 饮水鸟的奥秘探索 • 伽里略气体温度计的启示： • 测温泡温度降低， • 泡内的饱和汽压减小， • 液柱上升。

36. 汽室2 头泡 吸湿层 汽室1 支点 乙醚 尾泡 对模型1的改造

37. 汽室2 吸湿层 头泡 汽室1 乙醚 支点 尾泡 饮水鸟的奥秘 • 杯中水吸入头泡的吸湿层

38. 汽室2 头泡 吸湿层 汽室1 支点 乙醚 尾泡 饮水鸟的奥秘 • 吸湿层中水份蒸发，使头泡温度下降

39. 汽室2 头泡 吸湿层 汽室1 支点 乙醚 尾泡 饮水鸟的奥秘 • 头泡温度降低——汽室2压强P2减小

40. 汽室2 头泡 吸湿层 汽室1 支点 乙醚 尾泡 饮水鸟的奥秘 • P2<P1汽室——尾泡中的乙醚沿管上升

41. 汽室2 汽室1 头泡 吸湿层 乙醚 尾泡 汽室2 头泡 吸湿层 汽室1 支点 支点 乙醚 尾泡 饮水鸟的奥秘 • 重心前移——低头，吸湿层与水接触

42. 饮水鸟低头后怎样才能抬起头来？ 怎样使头泡内的汽压增大？让尾泡里的汽能进入到头泡内。尾泡内的乙醚液面必须低于尾管。 汽室2 头泡 汽室1 吸湿层 尾泡 支点 乙醚 对模型2的改造

43. 汽室2 头泡 汽室1 吸湿层 乙醚 支点 尾泡 饮水鸟的奥秘 • 汽室1中的汽沿管上升——汽室2中的汽压增大——管中液体流回尾泡

44. 汽室2 头泡 吸湿层 汽室1 支点 乙醚 尾泡 饮水鸟的奥秘 • 饮水鸟重心后移——抬头——

45. 怎样验证上述分析是正确的？

46. 从黑箱到灰箱，再到白箱。

47. 评析 • 把一个有趣的玩具当成黑箱来探索，根据观察得到的信息，边猜想，边论证，边修改，再验证。 • 收获的不只是知识，过程中才感悟到什么是探究。

48. 小结 • 基础教育的性质是大众教育，高中也不例外，中学物理课程教给学生的应当是有思想的物理学，有生活的物理学，有文化的物理学，联系实际的物理学，以实验为基础的物理学。 • 多少年来，许多大师和教师一直在呼唤以实验为基础，但现实却非常不理想。

49. 为什么会这样困难呢？ • 轻视实践的观点和做法有其深刻的历史和社会原因。 • 中国是一个文明古国，有悠久的文化传统，但经历封建统治的时间很长，有一些封建的意识阻碍了社会的发展。 要摆脱这些陈旧观点的束缚不是一朝一夕的事。 • 最后，让我借用丁肇中先生在获诺贝尔物理学奖时的一段感言来结束我的讲座：

50. “中国有一句古话：劳心者治人，劳力者治于人。这种落后的思想，对发展中的青年们有很大的害处。由于这种思想，很多在发展国家的学生们都倾向于理论研究，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，物理学是从实验产生的……我希望由于我这次获奖，能够唤起在发展国家的学生们的兴趣，而注意实验工作的重要性。”“中国有一句古话：劳心者治人，劳力者治于人。这种落后的思想，对发展中的青年们有很大的害处。由于这种思想，很多在发展国家的学生们都倾向于理论研究，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，物理学是从实验产生的……我希望由于我这次获奖，能够唤起在发展国家的学生们的兴趣，而注意实验工作的重要性。” ──丁肇中