- 附件 1： 全國優(yōu)秀教育碩士專業(yè)學(xué)位論文 推薦表 單位名稱： 西華師范大學(xué) 填表日期： 2014 年 4 月 17 日 論文題目 中學(xué)物理實驗改進創(chuàng)新 作者姓名 論文答辯日期 學(xué)科專業(yè)方向 蔣玙潞 2013 年 6 月 2 日 學(xué)科教學(xué)（物理） 攻碩期間及獲得碩士學(xué)位后一年內(nèi)獲得與碩士學(xué)位論文有關(guān)的成果 發(fā)表學(xué)術(shù)論文 (題目，刊名 ,時間，社會影響 ) 1、 蔣玙潞 ，曾體賢 J2012. 2、蔣玙潞，曾體賢 方式 J2013. 3. 蔣玙潞 ，曾體賢 J, 實驗教學(xué)與儀器， 2014. 4、曾體賢， 蔣玙潞 國，P文所產(chǎn)生的實際影響 (對作者工作及所在單位工作 ) 1、在讀研究生期間所發(fā)表的論文是我最后論文的主要組成板塊，是我完成畢業(yè)論文的重要鋪墊。 2、每篇論文都是一種實驗儀器的設(shè)計方案，提出的創(chuàng)新之處對中學(xué)物理教學(xué)有重要意義。 3、論文選擇涉及內(nèi)容為探究式 教學(xué)提供了一個新的研究方向，開闊一線教師視野，增強學(xué)生的探究能力。 出版專著(名稱、出版社、出版時間 ) 獲獎項目(名稱、等級及時間） 2012 年 9 月獲研究生校級三等獎學(xué)金 - 中文論文摘要(論文選題的意義 ,論文運用的主要研究方法 ,主要研究成果 ,主要參考文獻 ) 物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，物理教學(xué)過程與實驗過程密切相關(guān)，實驗的設(shè)計、演示、數(shù)據(jù)處理和得出結(jié)論的過程就是學(xué)生理解物理概念、領(lǐng)會物理規(guī)律的過程。本文提出 4 種實驗儀器改進方案：多功能單擺、穩(wěn)度實驗儀、向心力公式探究、驗證氣 體實驗定律。設(shè)計和改進的核心思想是將計算機輔助畫圖計算、傳感器、單片機等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)融入實驗儀器，使實驗過程更簡便，數(shù)據(jù)處理更快捷，結(jié)果更精確。 主要參考文獻 1 中華人民共和國教育部普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn) M北京：人民教育出版社， 2003. 2 廖伯琴，張大昌普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)解讀 M武漢：湖北教育出版社， 2004. 3 閻金鐸 . 中學(xué)物理新課程教學(xué)概論 M. 北京： 北京師范大學(xué)出版社 ， 2008. 4 魯剛 . 物理實驗 M. 北京 : 化學(xué)工業(yè)出版社 ,2007. 5 仲新 元 . 物理實驗指導(dǎo)用書 M 蘇州大學(xué)出版社 ,2008. 專家推薦理由 論文中所提出的多功能單擺，穩(wěn)度試驗儀，向心力公式探究，驗證氣體實驗定律四種實驗設(shè)計方案新穎，很好地做到了理論與實踐相結(jié)合，完全可以應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)實踐。 同意推薦該論文參加全國優(yōu)秀專業(yè)碩士學(xué)位論文評選。 專家簽字： 單位推薦意見 學(xué)位評定委員會分會主席（簽章）： 單位公章 年 月 日 說明：學(xué)科專業(yè)方向包括教育管理、教育技術(shù)、小學(xué)教育、學(xué)前教育、特殊教育、心理健康教育、科學(xué)與技術(shù)教育和學(xué)科教學(xué)，其中學(xué)科教學(xué)要說明具體方向，如學(xué)科教學(xué)（數(shù)學(xué)）。本表可復(fù)印、附頁。 - 分 類 號： 密 級： 學(xué)校代碼： 10638 學(xué) 號： 311045105005 碩 士 學(xué) 位 論 文 中學(xué) 物理實驗改進創(chuàng)新 多功能單擺，穩(wěn)度實驗儀，探究向心力公式，氣體實驗定律 姓 名 蔣玙潞 指 導(dǎo) 教 師 曾體賢 副教授 技能指導(dǎo)教師 彭孝勇 高級教師 培 養(yǎng) 單 位 物理與電子信息學(xué)院 學(xué) 科 專 業(yè) 學(xué)科教學(xué)（物理） 研 究 方 向 中學(xué)物理實驗儀器 申請學(xué)位類別 教育碩士 論文提交日期 二一三 年 四 月 論文答辯日期 二一三 年 六 月 西華師范大學(xué)學(xué)位評定委員會 四川南充 二一三年六月 - of of A to n of or y n of 2013目 錄 - 目 錄 摘 要 . I . 1章 前言 . 1 究實驗對物理教學(xué)的意義 . 1 內(nèi)物理實驗儀器研究情況 . 1 外物理實驗儀器研究情況 . 2 論文的主要工作 . 3 第 2章 中學(xué)物理教育中實驗的基本方式 . 4 證型實驗 . 4 究型實驗 . 5 放型實驗 . 6 種實驗的關(guān)系 . 7 第 3章 四種實驗儀器的改進和創(chuàng)新 . 8 種封閉式多功能的單擺實驗儀器設(shè)計 . 8 . 13 . 15 . 20 . 21 . 22 第 4章 創(chuàng)新型實驗儀器應(yīng)用于教學(xué)實踐 . 23 . 23 . 23 . 23 單擺測量重力加速度 . 23 度實驗儀應(yīng)用 . 23 . 24 想 氣體狀態(tài)方程的實驗儀應(yīng)用 . 24 第 5章 展望 . 25 目 錄 - 參 考 文 獻 . 謝 . i 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 . .于學(xué)位論文原創(chuàng)性的聲明 . 學(xué)期間的科研情況 . 5 摘 要 I 摘 要 物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，物 理教學(xué)過程與實驗過程密切相關(guān)，實驗的設(shè)計、演示、數(shù)據(jù)處理和得出結(jié)論的過程就是學(xué)生理解物理概念、領(lǐng)會物理規(guī)律的過程。本文提出 4 種實驗儀器改進方案：多功能單擺、穩(wěn)度實驗儀、向心力公式探究、驗證氣體實驗定律。設(shè)計和改進的核心思想是將計算機輔助畫圖計算、傳感器、單片機等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)融入實驗儀器，使實驗過程更簡便，數(shù)據(jù)處理更快捷，結(jié)果更精確。 本文總共分五個章節(jié)，第一章分析中學(xué)物理實驗儀器研究現(xiàn)狀、優(yōu)點與不足之處；第二章介紹驗證型實驗、探究型實驗、開放型實驗三種實驗的基本情況與聯(lián)系；第三章提出多功能單擺、穩(wěn)度實驗儀、 向心力公式探究、驗證氣體實驗定律 4 種實驗儀器具體改進措施及其實驗方案，為本文重點研究內(nèi)容；第四章將設(shè)計方案應(yīng)用于教學(xué)實踐，做到理論與實踐的結(jié)合。第五章是對本研究內(nèi)容的總結(jié)和展望。 關(guān)鍵詞： 中學(xué)物理；探究教學(xué)；實驗儀器；改進創(chuàng)新。 I is a on is to of is on is to of is of is is is is is at to of of of is of is is of 第 1 章 前言 1 第 1 章 前言 究實驗對物理教學(xué)的意義 近年來，隨著新課程改革的不斷深入，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力 和實踐能力為主的素質(zhì)教育成為課程改革的基本方向 1，探究也就成為新課程改革實施以來頻繁出現(xiàn)在教育中的新興詞匯 2。探究式教學(xué)是教育工作者不斷研究的重點課題，是發(fā)現(xiàn)式教學(xué)的重要理念，也是當(dāng)今國內(nèi)外使用的主要教學(xué)方式。對探究的研究已成為對教育教學(xué)研究的重要部分。物理教學(xué)作為科學(xué)教學(xué)的重要分支，貫穿于整個中學(xué)教育階段，將探究的思想融入教學(xué)中是物理教學(xué)的主要方式，也是決定物理教學(xué)發(fā)展的重要因素之一 3。物理作為以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，對實驗的探究過程是物理探究式教學(xué)中最重要的環(huán)節(jié)。物理實驗的設(shè)計，演示，數(shù)據(jù)處理和 得出結(jié)論的過程就是學(xué)生理解物理概念，領(lǐng)會物理規(guī)律的過程 4。因此探究實驗成功與否成為決定物理教學(xué)成敗的重要因素之一。 中學(xué)生正處于感性思維向理性思維過度，抽象概括能力逐步形成的時期，直觀教學(xué)原則應(yīng)貫穿于整個中學(xué)物理教學(xué)中。因此用具體形象演示來進行科學(xué)教育更有利于他們對物理知識的掌握，而物理實驗的過程正是物理知識最好的演示方式，也是學(xué)生最直接獲得知識的過程 5。精確度高，操作簡單，現(xiàn)象明顯的實驗可以讓學(xué)生更好的掌握和理解物理知識。因此中學(xué)物理實驗儀器的研究對中學(xué)物理教學(xué)具有重要意義。設(shè)計出適合中學(xué)物理演示 和探究的新型實驗儀器，不僅能豐富課堂教學(xué)，更能提高學(xué)生的探究意識和創(chuàng)新能力 6。 內(nèi)物理實驗儀器研究情況 隨著新課程理念的實施，中國大陸地區(qū)的中小學(xué)教育逐步將探究融入其中。特別是在課程改革較早，成果較好的上海，廣東等地區(qū)，對探究性學(xué)習(xí)和探究式教學(xué)的應(yīng)用已取得較好成績。不少研究新課程改革的教育教學(xué)工作者在理論上強調(diào)實驗創(chuàng)新的必要性 7，如華東師范大學(xué)朱敏教授提出虛擬物理實驗與教學(xué)結(jié)合的重要性；湖南師范大學(xué)的彭知文教授提出物理實驗創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)該便于問題情境創(chuàng)設(shè)、為探究活動提供良好平臺、讓學(xué)生獲得成功 體驗三個理念；廣西師范學(xué)院王海波老師提出開放物理實驗室的想法；福建師范大學(xué)黃樹清教授提出課外簡單實驗儀器設(shè)計思想。 第 1 章 前言 2 與此同時也有很多一線中學(xué)物理教育工作者提出了對中學(xué)物理教學(xué)實驗的改革和創(chuàng)新具體方案 8。如 浙江省溫嶺市大溪中學(xué) ， 趙加忠 老師對安培力演示實驗的改進； 山東諸城市西郊學(xué)校 ， 董國榮 老師設(shè)計的 簡易力的合成演示器 ；黃梅一中張流注老師用可見光演示磁通量，幫助學(xué)生形象理解物理概念。 香港從 2009 年開始逐步實施高中科學(xué)課程改革 9， 新課程將以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力為其重點項目，明晰了進行科學(xué)探究的應(yīng)有技能。 提出三種科學(xué)課程模式：傳統(tǒng)分科模式，組合模式和綜合模式，將物理、化學(xué)、生物學(xué)科結(jié)合起來，統(tǒng)稱科學(xué)課程。確定 270 小時的探究學(xué)習(xí)時間，并將探 究學(xué)習(xí)作為校本評核的重要評估方式。強調(diào)從小培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力，對于家庭小發(fā)明和科學(xué)實驗不僅老師可設(shè)計完成，學(xué)生也可設(shè)計創(chuàng)造。例如香港開展的“常識百搭”科學(xué)專題探究展覽，中小學(xué)生科學(xué)創(chuàng)造層出不窮。 但國內(nèi)對中學(xué)物理實驗創(chuàng)新仍存在以下問題： （ 1）在實驗儀器改進提出的方案很多，但應(yīng)用于實際的方案卻較少； （ 2）實際物理實驗教學(xué)以教師講解實驗為主，實驗儀器緊張和教學(xué)時間不足是制 約實驗教學(xué)的主要因素 10； （ 3）教師自制創(chuàng)新型實驗儀器積極性不高，教學(xué)以傳統(tǒng)實驗儀器為主； （ 4）對力學(xué)實驗儀器的改進遠多于電磁學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)。 外物理實驗儀器研究情況 從國外的情況來看，美國科學(xué)教育注重發(fā)現(xiàn)知識的探究過程，強調(diào)對知識的應(yīng)用能力，強調(diào)學(xué)生應(yīng)該 通過分析科學(xué)探究技能和科學(xué)探究的本質(zhì)的要素，把實驗內(nèi)容與某些要素有機結(jié)合進行實驗設(shè)計 11。從實驗儀器的規(guī)范程度來看，美國中學(xué)物理實驗器材沒有規(guī)范的分類，實驗儀器要求學(xué)生和教師共同制作，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。 英國物理教學(xué)大部分時間都在實驗 中進行，實驗過程要求學(xué)生自選實驗儀器安裝、設(shè)計實驗過程、完成實驗、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論。特別注重學(xué)生能力培養(yǎng)和評價目標(biāo)實現(xiàn)，改進實驗儀器在評價目標(biāo)中有具體說明，促進學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理知識的過程，對教師在實驗儀器上的把握提出較高要求。 日本和德國實驗創(chuàng)新主要體現(xiàn)在實驗數(shù)量和類型上，從總數(shù)量上看德國中學(xué)物理實驗個數(shù)是中國的 ，其中學(xué)生設(shè)計實驗是中國的 3 倍，而中國的演示第 1 章 前言 3 實驗是德國的 ，這說明我國實驗以傳授物理知識為主，而德國重視操作能力。日本注重學(xué)生生存教育，強調(diào)以生活用品設(shè)計創(chuàng)新型實驗，加強科學(xué)教學(xué)與生活實 際聯(lián)系，把間接知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生直接經(jīng)驗，培養(yǎng)學(xué)生動手制作能力、科學(xué)實驗態(tài)度和探究科學(xué)規(guī)律興趣。 總的來說國外的物理實驗器材設(shè)計不僅僅是教師的工作，更是學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)，更有利于培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)造性思維 12。而對于探究的考查具有具體考評方式，完善的考評制度也是促成探究教育落到實處的有利措施。對于這一點我國對學(xué)生探究的考評仍停留在紙筆考核的傳統(tǒng)方式上，這不免讓教學(xué)停留在題海戰(zhàn)術(shù)上，不利于將學(xué)生探究過程落到實處。 論文的主要工作 針對國內(nèi)探究物理實驗教學(xué)的不足，本文主要做了以下幾個方面的工作： （ 1）總結(jié)中學(xué)物理教學(xué)中各種實驗類型的特點。 （ 2）針對實際中學(xué)物理實驗儀器不足，提出改革方案。 （ 3）提出四種創(chuàng)新型實驗設(shè)計，其高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。 （ 4）將四種創(chuàng)新實驗應(yīng)用在物理教學(xué)中的具體方案。 第 2 章 中學(xué)物理教育中實驗的基本方式 4 第 2 章 中學(xué)物理教育中實驗的基本方式 中學(xué)物理教學(xué)中對實驗的分類有很多種，本文就實驗進行方式的不同將實驗分為驗證型實驗、探究型實驗和開放型實驗三種類型，以下將對三種實驗進行具體闡述。 證型實驗 證型實驗的概念 驗證性實驗 是指對研究對 象有了一定了解 ， 并形成了一定認識或提出了某種假說 ， 為驗證這種認識或假說是否正確而進行的一種實驗 13。在中學(xué)物理教學(xué)中常見的驗證型實驗有驗證力的平行四邊形定則、驗證牛頓第二定律、驗證機械能守恒定律、驗證動量守恒定律、驗證單擺周期公式等。 證型實驗的目的 驗證型實驗的目的是在完整的實驗框架下驗證實驗結(jié)果，讓學(xué)生學(xué)會從理論到實踐研究物理規(guī)律的方法 14。在實驗過程中學(xué)生運用所學(xué)知識對實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)、圖像進行分析，驗證已學(xué)過的相關(guān)理論的正確性 ,從而加深對知識的理解 ,培養(yǎng)學(xué)生的推理能力、分 析能力 , 訓(xùn)練其實驗技能。 證型實驗的特點 驗證型實驗過程受實驗步驟驅(qū)使，學(xué)生在已知實驗結(jié)果情況下進行實驗 15，實驗操作過程強調(diào)行為與規(guī)則的統(tǒng)一。實驗設(shè)計 通常有這樣一些特點：一是注重實驗預(yù)設(shè)，也即實驗所應(yīng)用的儀器、操作步驟、實驗結(jié)論都是由教材或者教師進行預(yù)先設(shè)計，學(xué)生沒有太多自主權(quán)，也不需要教師和學(xué)生的創(chuàng)造性。 以驗證機械能守恒定律為例，實驗所用器材打點計時器、只帶、重物、鐵架臺等在教材中以圖示的方法展現(xiàn)，具體實驗步驟也有說明。 二是重視教師的示范與引導(dǎo)作用，學(xué)生通常是按部就班地進行驗證實驗，嚴 格按照教師示范步驟和規(guī)定的實驗程序進行；三是關(guān)注學(xué)生的求同思維，實驗之前要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)，使學(xué)生對實驗的目標(biāo)、要求，實驗得出的數(shù)據(jù)都有一明確的指向；四是實驗成功與否的評判標(biāo)準(zhǔn)唯一，即實驗結(jié)論與物理理論是否一致，如果有所偏頗，則要求學(xué)生從自身查找原因，改進實驗，以達到預(yù)設(shè)效果。 驗證型實驗常常與教學(xué)過程緊密結(jié)合，其組織策略主要分為教師演示實驗、學(xué)生的隨堂分組實驗兩種。演示實驗由教師進行實驗操作示范，教給學(xué)生正確的第 2 章 中學(xué)物理教育中實驗的基本方式 5 實驗方法和過程。不僅包括了儀器使用、實驗步驟、操作、讀數(shù)和記錄數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、分析和推理，還包括實 驗結(jié)果的分析等。在分組實驗中，要充分發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用，先介紹實驗?zāi)康?、方法及注意事項，學(xué)生在教師的步步指導(dǎo)下，逐步完成實驗，驗證科學(xué)結(jié)論，幫助學(xué)生理解物理概念，靈活運用物理知識解決相關(guān)問題。 究型實驗 究型實驗的概念 探究型實驗是指實驗者在不知道實驗結(jié)果的前提下，進行實驗探索分析，得出結(jié)論。以發(fā)現(xiàn)科學(xué)內(nèi)容，形成科學(xué)概念的認識活動 16。實驗方案可由教師提供，也可由學(xué)生自己設(shè)計完成。中學(xué)物理中常見的探究型實驗有探究力加速度質(zhì)量的關(guān)系、探究小燈泡的伏安特性曲線、探究全反射產(chǎn)生條件等。 究型實驗的目的 探究型實驗通過讓學(xué)生獨立完成實驗設(shè)計、操作、得出結(jié)論的過程，讓學(xué)生學(xué)會科學(xué)探究的方法，從而培養(yǎng)學(xué)生 發(fā)現(xiàn)問題的能力、制定計劃的能力和解決問題的能力 ，提高 學(xué)生的問題意識和創(chuàng)新精神 17。 究型實驗的特點 從探究型實驗的過程上看，完整的探究實驗過程有 觀察思考、提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗、進行實驗、 數(shù)據(jù)處理、 分析論證、得出結(jié)論 等過程，但具體的情況要按實際操作設(shè)計。例如探究全反射產(chǎn)生條件這一實驗中由于探究的結(jié)果僅為一種現(xiàn)象，因此就沒有數(shù)據(jù)處理和分析論證環(huán)節(jié)。在探究型實驗 過程中學(xué)生處于主體地位，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生進行自主探究、合作探究 18。 從實驗方法上看，探究型實驗主要有一下一些方法 19 20： 1模型法 ， 即將抽象的物理現(xiàn)象用簡單易懂的具體模型表示 ，在實驗設(shè)計和報告中用模型的方法展示實驗現(xiàn)象。 如用太陽系模型代表原子結(jié)構(gòu)，用簡單的線條代表杠桿等 。 2控制變量法 ， 自然界發(fā)生的各種現(xiàn)象，往往是錯綜復(fù)雜的 ，而 決定某一個現(xiàn)象的產(chǎn)生和變化的因素常常也很多 ， 為了弄清事物變化的原因和規(guī)律，必須設(shè)法把其中的一個或幾個因素用人為的方法控制起來，使它保持不變，然后來比較兩個變量之間的關(guān)系 ，這種研究問題的科學(xué)方法就是 “ 控制變量法 ” 。如通過導(dǎo)體的電流和它兩端電壓 研究電流 的關(guān)系時，需第 2 章 中學(xué)物理教育中實驗的基本方式 6 要保持電壓 研究電流 的關(guān)系時，需要保持電阻 3轉(zhuǎn)換法 ， 一些看不見，摸不著的物理現(xiàn)象，不好直接認識它， 可 根據(jù)它表現(xiàn)出來的看的見、摸的著的現(xiàn)象來間接認識它們。如根據(jù)電流的熱效應(yīng)來 探究功能轉(zhuǎn)化 ，根據(jù)磁場對磁體有力的作用來 探究磁場強弱等。 4等效法 ， 在研究物理問題時 ，有時為了 讓 問題簡化，常用一個物理量來代替其他所有物理量，但不會改變物理效果。如用合力替代各個分力，用 總電阻替代各部分電阻，浮力替代液體對物體的各個壓力等。 5 類比法 ， 在認識一些物理概念時常將它與生活中熟悉且有共同特點的現(xiàn)象進行類比，以幫助我們理解它。如認識電壓時，用水壓進行類比 ，認識電流大小時，用水流進行類比 。 6比值法 ，有時由于實驗條件限制我們無法得到定量的物理關(guān)系時，可以用比值法分析物理量的關(guān)系。如探究氣體實驗定律時，中學(xué)器材無法精確測量氣體體積 V,壓強 P，溫度 驗者可以利用控制變量法探究其比值關(guān)系，得出結(jié)論。 放型實驗 放型實驗概念 開放型實驗是指實驗室對學(xué)生完全開 放，改變過去學(xué)生只能定時在實驗室的“封閉”實驗方法 21。學(xué)生可以根據(jù)自己的實際情況選擇實驗時間，根據(jù)自己的興趣選擇實驗類型。改變了傳統(tǒng)實驗中學(xué)生被動的狀態(tài)，提高學(xué)生實驗的積極性和主動性。由于開放型實驗對學(xué)校設(shè)備、教師素質(zhì)和學(xué)生技能要求很高，所以一般中學(xué)很難實施，有條件實施的中學(xué)常以選修內(nèi)容實驗作為開放型實驗要求學(xué)生自選完成 22。如探究影響穩(wěn)度的因素、探究碰撞中的不變量等。 放型實驗的目的 開放 型 實驗 的目的是在 實驗過程中培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、創(chuàng)新意識、動手能力、分析解決問題的能力，使學(xué)生始終 處于主動探索的狀態(tài)，養(yǎng)成獨立思考和積極進取的科學(xué)精神，為培養(yǎng) 具有 創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維和實踐能力的跨世紀高素質(zhì)人才服務(wù)，是驗證 型 、演示 型 實驗的 進一步 發(fā)展 23。 放型實驗的過程 提出實驗方案 第 2 章 中學(xué)物理教育中實驗的基本方式 7 這一過程要求學(xué)生通過查閱有關(guān)書籍、文獻資料，了解和掌握與課題有關(guān)的技術(shù)狀況、發(fā)展動態(tài)，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實驗課題要求和實驗室條件，提出具體的書面實驗方案，包括實驗技術(shù)路線、實驗條件要求、實驗計劃進度等 24 2實驗 方案的討論與確定 指導(dǎo)教師在對實驗方案審議的基礎(chǔ)上，與學(xué)生開展討論。由 學(xué)生介紹實驗方案，指導(dǎo)教師根據(jù)可行性、實驗室條件等因素對方案進行修正，使之具有可操作性，滿足實驗?zāi)康囊?，在尊重學(xué)生的創(chuàng)造性思維和基本要求的前提下，確定實驗方案。 3實 驗 過程 按照確定的實驗方案，在實驗室由學(xué)生自己動手預(yù)備必要的實驗材料、配置實驗裝置。開展具體的試驗和測試工作。指導(dǎo)教師負責(zé)現(xiàn)場指導(dǎo)，解答學(xué)生試驗中遇到的難題，啟發(fā)學(xué)生深入思考，創(chuàng)造必要的試驗條件，如分析條件、必要的設(shè)備材料等。 4 實驗 數(shù)據(jù)處理，得出結(jié)論 由學(xué)生自主對實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析、總結(jié)，教師對結(jié)果的分析方法、具體的分析問題進行指導(dǎo)， 使學(xué)生分析問題的能力得到鍛煉和提高，最 后 按要求編寫出實驗報告 ，得出結(jié)論。 種實驗的關(guān)系 驗證型實驗、探究型實驗和開放型實驗并沒有嚴格的界定，教師可根據(jù)教學(xué)需要選擇實驗方法。針對學(xué)生不同的基礎(chǔ)實施不同的實驗方案更有利于學(xué)生發(fā)展。以牛頓第二定律為例，對于基礎(chǔ)知識和操作能力較好的學(xué)生可選擇探究加速度與力和質(zhì)量的探究型實驗，對于基礎(chǔ)水平一般的學(xué)生應(yīng)選擇驗證牛頓第二定律的驗證型實驗。不同版本的教材在實驗內(nèi)容和方法上要求也不相同，例如滬科版初中物理教材要求學(xué)生探究液體表面張力，而人教版沒有此節(jié)內(nèi)容。實 驗器材、實驗條件與學(xué)校硬件設(shè)施有很大關(guān)系，因此具體實驗過程還是要根據(jù)實際情況來安排。 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 8 第 3 章 四種實驗儀器的改進和創(chuàng)新 種封閉式多功能的單擺實驗儀器設(shè)計 統(tǒng)實驗儀器 現(xiàn)階段中學(xué)物理教學(xué)采用的實驗儀器如圖 1 和圖 2 所示。圖 1 所示的單擺實驗，是機械能守恒的驗證實驗，具體過程是讓兩個身高一樣的同學(xué)站在擺球兩端，進行“碰鼻實驗”。放開擺球后當(dāng)擺球上升到另一端的最高點時，將碰到另一個同學(xué)的鼻子，從而驗證擺球在擺動過程中機械能守恒。但由于空氣阻力 的影響，擺球振幅減小，造成小球最高點位置很難判斷，實驗誤差大。圖 2 是教材中驗證機械能守恒定律的實驗儀器 26。紙帶與打點計時器的摩擦?xí)绊憣嶒灳?，且需要兩人以上進行操作。測量當(dāng)?shù)刂亓铀俣?27，利用圖 1 所示單擺儀，用秒表計時，測出單擺周期，算出加速度。但用秒表計時誤差大，實驗過程復(fù)雜不利于用于演示實驗，且此實驗內(nèi)容很單一。 基于以上實驗的誤差大，操作復(fù)雜，可見性不高等不足，特提出一種新型多功能單擺實驗儀： 增加了真空封閉系統(tǒng)，控制擺球角度的電磁鐵，和方便計數(shù)的紅外線傳感器的模塊，該儀器既可以 可用于驗證 機械能守恒定律，動能定理，以及探究單擺周期與擺長，重力加速度定量關(guān)系， 讓實驗操作簡單，數(shù)據(jù)收集和處理智能化，實驗結(jié)果更加精確 。 驗設(shè)計 實驗設(shè)計如圖 3 圖 4 所示：圖 3 是儀器正面圖，圖 4 是擺球裝置放大圖。具體部件功能介紹如下： 圖 1：單擺 圖 2：機械能守恒定律的實驗儀器 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 9 1底座，固定支架； 2紅外線傳感器，記錄擺球通過最低點的速度、時間、次數(shù)； 3支架，固定擺線、橫桿、角度版； 4橫桿，改變擺球通過最低點時的擺長； 5角度版 28，讀取擺球偏離角度； 6抽氣閥門，定量抽取玻璃罩中的空氣；7有機玻璃罩 ，隔絕空氣，讓實驗過程形成封閉系統(tǒng)； 8電磁鐵 ,通電后吸引擺球，等效減小重力加速度 g； 9氣壓表，測量封閉系統(tǒng)中氣壓； 10擺線； 11電磁鐵 ,通電后吸引擺球，調(diào)節(jié)電流大小可改變擺球偏離角度； 12鐵質(zhì)金屬 擺球；13電磁鐵 ,通電后吸引擺球，等效于增加重力加速度 g29； 14手動柄，從外部改變玻璃罩內(nèi)擺線長度； 15帶孔針，擺線穿過針孔后固定擺點，便于讀取擺長；16刻度尺，讀取擺長，其中零刻線與帶孔針齊平。 驗方案 1實驗一：驗證機械能守恒和動能定理 （ 1）按圖 3，將實驗所用的設(shè)備放置好，將螺絲釘 固定好并圖上真空脂以密閉實驗裝置。 （ 2）打開電動抽氣機開關(guān)，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當(dāng)壓力表的讀數(shù)為 10000，關(guān)閉電動抽氣機開關(guān)并放下抽氣閥門。 （ 3）確定擺線長度 l （ 4）閉合電磁鐵的開關(guān)，從角度版中讀出偏離角度 ，根據(jù)擺長可算出小球8 7 6 5 3 1 13 10 11 9 4 12 2 圖 3：新型單擺儀器正面圖 14 16 15 圖 4：擺球裝置放大圖 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 10 上升高度 ) 斷開電磁鐵開關(guān)讓小球自由下落，觀察小球擺動的振幅變化，由紅外線傳感器自動記錄小球下落至最低點時的速度。 （ 5）打開抽氣閥門再打開電動抽氣機開關(guān)，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當(dāng)壓力表的讀數(shù)分別為 100010010，關(guān)閉電動抽氣機開關(guān)并放下抽氣閥門，重復(fù) 4。 （ 6）改變偏離角度 和擺長 l 重復(fù) 4、 5。 （ 7）將記錄數(shù)據(jù)輸入 過計算機計算比較下降的重力勢能 與增加的動能221 k 的大小關(guān)系，從而驗證機械能守 恒和動能定理。 2實驗二：改變擺長下的機械能守恒 （ 1）按圖 3，將實驗所用的設(shè)備放置好，在支架上任意一小孔中插入一根木條，小球下落到最低時擺長會改變。將螺絲釘固定好并圖上真空脂以密閉實驗裝置。 （ 2）打開電動抽氣機開關(guān)，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當(dāng)壓力表的讀數(shù)為 10000，關(guān)閉電動抽氣機開關(guān)并放下抽氣閥門。 （ 3）確定擺球在左側(cè)擺動時擺線長度 1l ，右側(cè)擺動時擺線長度 2l （ 4）閉合電磁鐵開關(guān)，從角度 版中讀出左側(cè)最大偏離角度 1 ，根據(jù)擺長可算出擺球左側(cè)上升高度 )111 斷開電磁鐵開關(guān)讓自由下落，觀察小球擺動的振幅變化，從角度版中讀出右側(cè)最大偏離角度 2 ，根據(jù)擺長可算出擺球右側(cè)上升高度 )222 （ 5）打開抽氣閥門再打開電動抽氣機開關(guān)，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當(dāng)壓力表的讀數(shù)分別為 100010010，關(guān)閉電動抽氣機 開關(guān)并放下抽氣閥門，重復(fù) 4。 （ 6）改變偏離角度 1 ，擺線長度 1l ，木條位置重復(fù) 4、 5。 （ 7）將記錄數(shù)據(jù)輸入 過計算機計算比較左側(cè)下降的重力勢能1與右側(cè)增加的重力勢能2p 的大小關(guān)系，從而驗證擺長改變過程中小球機械能守恒。 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 11 3實驗三：用單擺測量重力加速度 （ 1）按圖 1，將實驗所用的設(shè)備放置好，將螺絲釘固定好并圖上真空脂以密閉次 實驗裝置。 （ 2）打開電動抽氣機開關(guān)，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當(dāng)壓力表的讀數(shù)為 10000，關(guān)閉電動抽氣機開關(guān)并放下抽氣閥門。 （ 3） 確定擺線長度 l （ 4）閉合電磁鐵開關(guān)，讓小球擺動角度小于 5 度，形成單擺。斷開電磁鐵開關(guān)，讓小球自由下落，用紅外線傳感器記錄小球通過最低點的時間 1t 、2t 次數(shù) 1、 2 n ，可算出單擺周期。根據(jù) 2 可得 224T ，由此可算出當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?（ 5） 打開抽氣閥門再打開電動抽氣機開關(guān)，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當(dāng)壓力表的讀數(shù)分別為 100010010，關(guān)閉電動抽氣機開關(guān)并放下抽氣閥門，重復(fù) 3、 4。 （ 6）改變擺長 l 重復(fù)以上步驟。 （ 7） 將記錄數(shù)據(jù)輸入 算出重力加速度大小， 進而可研究空 氣阻力對單擺周期的影響。 4實驗四：探究單擺周期與擺長的關(guān)系 （ 1）按圖 3，將實驗所用的設(shè)備放置好，將螺絲釘固定好并圖上真空脂以密閉次實驗裝置。 （ 2）打開電動抽氣機開關(guān)，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當(dāng)壓力表的讀數(shù)為 10000，關(guān)閉電動抽氣機開關(guān)并放下抽氣閥門。 （ 3） 確定擺線長度 l （ 4）閉合電磁鐵開關(guān)，讓小球擺動角度小于 5 度，形成單擺。斷開電磁鐵開關(guān)，讓小球自由下落，用紅外線傳感器記錄小球通過最低點的時間 1t 、2t 次數(shù) 1、 2 n ，算出單擺周期。 （ 5）改變擺長 l ，重復(fù) 3 （ 6）記錄擺長與周期，數(shù)據(jù)處理。 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 12 5實驗五：探究單擺周期與重力加速度的關(guān)系 （ 1）按圖 3，將實驗所用的設(shè)備放置好，將螺絲釘固定好并圖上真空脂以密閉次實驗裝置。 （ 2）打開電動抽氣機開關(guān)，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當(dāng)壓力表的讀數(shù)為 10000，關(guān)閉電動抽氣機開關(guān)并放下抽氣閥門。 （ 3）閉合電磁鐵開關(guān)，讓小球擺動角度小于 5 度，形成單擺。斷開電磁鐵開關(guān)，讓小球自由下落振動，用紅外線傳感器記錄小球下落到最低點的時間1t 、 2t 次數(shù) 1、 2 n ，算出單擺周期。 （ 4）閉合電磁鐵開關(guān)（由于電磁鐵對小球吸引相當(dāng)于增加重力加速度），用紅外線傳感器記錄小球此時通過最低點的時間和 次數(shù)，將所得單擺周期與未閉合電磁鐵時比較。 （ 5）斷開電磁鐵開關(guān)，閉合電磁鐵開關(guān)（由于電磁鐵對小球吸引相當(dāng)于減小重力加速度），用紅外線傳感器記錄小球此時通過最低點的時間和次數(shù)，將所得單擺周期與未閉合電磁鐵時比較。 （ 6）改變電磁鐵和電磁鐵中電流大小，重復(fù)步驟 4、 5。 （ 7）記錄電磁鐵中電流大小關(guān)系可得重力加速度與單擺周期的關(guān)系。 驗方案總結(jié) 本實驗儀器設(shè)計理念緊貼中學(xué)物理教學(xué)，操作簡單，現(xiàn)象明顯。其中加入了紅外線傳感儀和計算機輔助工具等智能化模塊，減小實驗誤差，提高了數(shù)據(jù)處理精度和速 度。實驗設(shè)計了抽真空模塊，做到讓學(xué)生在不同空氣密度下驗證機械能守恒定律。支架上加裝橫桿，可在最低點改變擺長，進一步驗證機械能守恒定律。采用可調(diào)節(jié)電流大小的電磁鐵吸引金屬擺球，從外部控制磁力大小。手動柄可在不拆開有機玻璃罩的情況下從外部調(diào)節(jié)擺線長度，帶孔針可以精確擺點，兩者結(jié)合使用可更好的固定擺長。在擺球上方和下方安置電磁鐵，實現(xiàn)控制重力加速度大小改變單擺周期，彌補教材探究實驗的不足 30。 此實驗設(shè)計方案既可作演示實驗，又可作學(xué)生探究實驗，實驗操作簡單，實驗現(xiàn)象容易觀察，實驗過程智能化，實驗結(jié)果精確。是適 合中學(xué)物理教學(xué)的創(chuàng)新型實驗儀器。 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 13 驗背景 物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，物理實驗是物理教學(xué)中重要的組成部分。注重科學(xué)探究是物理新課程標(biāo)準(zhǔn)理念之一，實驗探究作為物理科學(xué)探究的主要方式，對學(xué)生獲得物理知識起到至關(guān)重要的作用。新教材增加了不同系列的選修模塊，為興趣不同的學(xué)生提供更多選擇的機會。 例如平衡穩(wěn)定性這一課題中提到的穩(wěn)度 31，即介紹物體的穩(wěn)定程度。物體處于平衡狀態(tài)，物體的穩(wěn)度與重力，重心高度，穩(wěn)距（重心垂足到某一邊界點或線的距離，某方向上最小的穩(wěn)距叫易傾距） 有關(guān)。從影響穩(wěn)度的單一因素看，重力越大，穩(wěn)度越大；重心越低，穩(wěn)度越大；穩(wěn)距越大，穩(wěn)度越大 32 33。中學(xué)物理教材中未提及穩(wěn)距這一概念，而是用承重面積來初略描述影響穩(wěn)度因素之一，并說明承重面積越大，穩(wěn)度越大。教材通過豎放的磚比平放的磚更容易翻到，直接得出重心越低，承重面積越大的物體穩(wěn)度越大。然用肉眼很難判斷磚翻轉(zhuǎn)時的臨界偏轉(zhuǎn)角，導(dǎo)致實驗結(jié)論缺少科學(xué)探究過程。針對穩(wěn)度，目前還沒有合適的配套實驗儀器。 本文設(shè)計出一種 由輪軸、轉(zhuǎn)動軸、轉(zhuǎn)動板部件組成的 穩(wěn)度實驗儀， 可 探究物體的穩(wěn)度和破壞平衡穩(wěn)定被的因素。此實驗 儀器制作容易，操作簡單，現(xiàn)象明顯，不僅可以定性探究影響穩(wěn)度的單一因素，也可以探究平衡穩(wěn)定被破壞的原因。 驗設(shè)計方案 實驗設(shè)計方案如圖 5所示，具體部件功能介紹如下： 1 2 4 3 5 6 圖 5 平衡穩(wěn)定儀正視圖 7 8 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 14 1 厚木板，固定配件； 2 滑輪，使細線可平穩(wěn)拉動； 3 輪軸，固定轉(zhuǎn)動軸使之轉(zhuǎn)動； 4 轉(zhuǎn)動軸，轉(zhuǎn)動木塊； 5 木條，防止物體在木塊上滑動； 6 轉(zhuǎn)動板，放置物體； 7細線，拉動木板，使之偏轉(zhuǎn)角改變； 8 量角器，測量木板轉(zhuǎn)動角度。 驗步驟及其結(jié)果分析 1 實驗步驟 （ 1）選擇底面積相同重心高度不同和重心高度相同底 面積不同的三個的長方體木塊，如圖 6 所示： 1 和 2 底面積相同，重心高度不同； 1 和 3 重心高度相同，底面積不同。 （ 2）將木塊 1 放到儀器木板上，置于木條后面緊靠木條（保證每次放置木塊的位置相同）。 （ 3）緩緩拉動細線，使木板傾斜。到木塊翻倒時停止，記錄木板此時偏轉(zhuǎn)角度，如圖 7。 （ 4）用木塊 2、 3重復(fù)步驟 2、 3。 （ 5）比較三個木塊翻倒時木板偏轉(zhuǎn)角度，偏轉(zhuǎn)角度越大的木塊其穩(wěn)度越高。 （ 6）控制質(zhì)量，接觸材料，形狀等單一變量，重復(fù)以上過程，可以探究其他因素對物體穩(wěn)度的影響。 （ 7）標(biāo)記木塊的 重錘線可看出：木塊翻倒時，也就是平衡穩(wěn)定性被破壞時，物體重錘線 正好離開接觸面的邊界 線，如圖 8。 圖 6 重心 與底面積 不同的木塊 1 2 3 圖 7 木塊翻倒時的圖示 圖 8 木塊翻倒時重錘線的圖示 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 15 2 實驗結(jié)果 （ 1）通過 1得出：重心高度是影響穩(wěn)度的因素之一，且重心高度越高的物體穩(wěn)度越?。怀兄孛娣e（不是接觸面積）是影響穩(wěn)度的因素之一，且承重面積越大的物體穩(wěn)度越大。 （ 2） 通過 6可得出：質(zhì)量是影響穩(wěn)度的因素之一，且質(zhì)量越大的物體穩(wěn)度越大；穩(wěn)距（主要通過形