“實驗 專題分析及 實”驗 教學(xué)與信息技術(shù)融合

專題七、“實驗”專題分析及“實驗”教學(xué)與信息技術(shù)融合高中物理第一講“實驗”內(nèi)容梳理

及核心內(nèi)容專題分析

新一輪課程改革注重發(fā)展和培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗是物理學(xué)研究的重要方法。在中學(xué)物理教學(xué)中，闡述物理現(xiàn)象、形成物理概念、建立物理規(guī)律、測量物理常量等，都以實驗為基礎(chǔ)。一、必修及選修課程中的學(xué)生必做實驗及分類說明（一）學(xué)生必做實驗（二）學(xué)生必做實驗

1.應(yīng)用型實驗：如用多用電表測量電學(xué)中的物理量等。2.驗證型實驗：如驗證機(jī)械能守恒定律等。3.探究型實驗：如探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系等。4.測量型實驗：如測量金屬絲的電阻率等。（一）等效法（二）間接測量法（三）留跡法（四）累積法（五）控制變量法二、物理實驗中的基本物理方法三、誤差及誤差分析

（一）測量的有效數(shù)字：在直接測量中，讀出的測量值的有效數(shù)字的最后一位要與讀數(shù)誤差所在的一位取齊。最小分度是“1”的儀器，測量誤差出現(xiàn)在下一位。下一位按十分之一估讀。最小分度是“2”或“5”的儀器，測量誤差出現(xiàn)在同一位上，同一位分別按二分之一或五分之一本位估讀。（二）真值與誤差:

1．真值與誤差:測量值與真值之間總會存在或多或少的偏差，這種偏差就稱為誤差。

2．誤差的表示

（1）絕對誤差

（2）相對誤差

（3）最大絕對誤差

（三）測量誤差的分類1.系統(tǒng)誤差（1）系統(tǒng)誤差是指在一定條件下，實驗系統(tǒng)在測量過程中存在恒定的或按一定規(guī)律而變化的誤差。（2）系統(tǒng)誤差的來源：儀器誤差、環(huán)境誤差、方法或理論誤差、個人誤差和裝置誤差等。（3）減少系統(tǒng)誤差的方法：消除產(chǎn)生誤差的根源、找出修正值、從測量方法上或儀器設(shè)計上減小系統(tǒng)誤差的影響。2．隨機(jī)誤差（1）在測量過程中，即使排除了產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的因素（實際上不可能、也不必要），進(jìn)行了精心的觀測，仍有一定誤差存在。（2）減少隨機(jī)誤差的方法：測量次數(shù)越多，算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差越小。3．粗大誤差（1）粗大誤差是由于實驗者的過失而引起的誤差，粗大誤差簡稱粗差。（2）剔除粗大誤差的方法：可以借助數(shù)學(xué)工具加以評判，測量次數(shù)較多可以采用3σ準(zhǔn)則、測量數(shù)據(jù)較少可以借助格拉布斯準(zhǔn)則和t檢驗準(zhǔn)則進(jìn)行檢測。（四）數(shù)據(jù)處理方法1．列表法：最簡單、常用的普遍方法。2．圖示法：能較好地反映這些物理量之間的變化規(guī)律。

3．圖解法：采用圖解法可以得到圖像所對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系或經(jīng)驗公式。

4．最小二乘法：方法嚴(yán)謹(jǐn)，由于計算機(jī)技術(shù)的普及，大量的擬合計算工作由計算機(jī)完成。5．逐差法：逐差法不像圖解法擬合直線具有較大的隨意性，比最小二乘法計算簡單而結(jié)果近似。第二講“實驗”中的物理

學(xué)史與教學(xué)一、物理實驗與物理學(xué)的發(fā)展（一）物理實驗與古代物理實驗（公元1600年以前）（二）物理實驗與經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展(公元1600-1900年)（三）物理實驗與現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展（20世紀(jì)初至今）（一）物理實驗與古代物理實驗（公元1600年以前）1．我國古代物理實驗（1）計時工具的使用（2）浮力知識的應(yīng)用（3）光學(xué)知識的應(yīng)用與研究（4）磁學(xué)的應(yīng)用（5）縷懸法的應(yīng)用（一）物理實驗與古代物理實驗（公元1600年以前）2．西方古代物理實驗（1）盧克萊修在《物的本性》中對天然磁石吸鐵現(xiàn)象作出解釋。（2）古希臘歐幾里得對光學(xué)的研究。（二）物理實驗與經(jīng)典物理學(xué)的

發(fā)展(公元1600-1900年)

伽利略設(shè)計了斜面實驗和落體實驗

庫侖設(shè)計了扭秤實驗

奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)

法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象

布朗發(fā)現(xiàn)了布朗運動

托馬斯·楊設(shè)計雙縫干涉實驗

馬呂斯發(fā)現(xiàn)了反射時光的偏振

這一時期實驗研究方法和實驗科學(xué)思想的特點是：1．把實驗與數(shù)學(xué)結(jié)合起來2．實驗時有意識地拋開一些次要因素3．用實驗去驗證理論4．把實驗與理論聯(lián)系起來從觀察到實驗的歷史性轉(zhuǎn)變，從此物理學(xué)的發(fā)展建立在可靠的實驗基礎(chǔ)之上，物理學(xué)也從定性研究過渡到定量研究。（三）物理實驗與現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展（20世紀(jì)初至今）

電子的發(fā)現(xiàn)、X射線的發(fā)現(xiàn)和放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，以及邁克爾遜和莫雷關(guān)于以太漂移的“零結(jié)果”實驗、黑體輻射實驗、固體比熱容的測定、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等，經(jīng)典物理學(xué)理論與實驗事實的矛盾，引起了物理學(xué)的革命，導(dǎo)致了現(xiàn)代物理學(xué)的誕生，推動了現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展、完善。現(xiàn)代物理實驗的特點是：1．新技術(shù)的使用如電子顯微鏡、掃描顯微鏡、粒子加速器等。2．發(fā)展了有效地施加外部干擾和使研究對象處于極限條件。3．物理實驗由于規(guī)模越來越大，有些實驗需要全國甚至國際的力量才能完成。4．實驗研究對象遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們直觀經(jīng)驗的領(lǐng)域。二、物理實驗在物理學(xué)發(fā)展中的作用（一）產(chǎn)生新分支、開拓新領(lǐng)域（二）發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、探索新規(guī)律（三）證實基礎(chǔ)理論、駁斥錯誤假設(shè)（四）測定物理常數(shù)、促進(jìn)理論發(fā)展第三講“非常規(guī)”物理實驗及課外實驗一、“非常規(guī)”物理實驗的特點（一）材料易得、實施便利（二）貼近生活、親近感強（三）程式多變、新奇有趣（四）物具它用、體現(xiàn)自創(chuàng)（五）結(jié)構(gòu)簡單、體驗性強超重與失重普通可樂瓶，截去上下兩端，用普通吸水紙粘在可樂瓶子內(nèi)部。用一較小的水瓶，小水瓶底部側(cè)邊等距扎數(shù)個小眼，灌滿稀釋后的墨水。擰開水瓶蓋水從側(cè)面流出，之后使小水瓶做自由落體運動并從大可樂瓶中間穿過，觀察到吸水紙上并沒有水痕。力的合成與分解帆船在逆風(fēng)中航行的一個原因是風(fēng)對帆的作用力的一個分力提供動力。如圖所示，利用實驗室小車，在小車上固定一根電視天線，天線上粘一張卡紙當(dāng)做風(fēng)帆，電視天線便于調(diào)節(jié)角度，用吹風(fēng)機(jī)提供風(fēng)力，轉(zhuǎn)動天線姿態(tài)調(diào)整帆與風(fēng)向所成角度，實現(xiàn)逆風(fēng)航行。研究課題彈力方向

留痕法是一種重要的實驗方法，實驗塑料膜下涂抹一層薄薄的洗面奶，用刮板刮均勻。塑料膜上放置一個臺球，用一塑料斜劈撞擊臺球，臺球的運動軌跡可以反映其受到彈力方向。簡單操作、便于觀察，更利于分析，實驗效果極佳。

為了深層次探究不同接觸面彈力的方向的特點，進(jìn)一步開發(fā)為主要由鋁制襯板、磁性畫板、壓條邊框、幾何形體滑塊（30度左右、45度左右、90度和圓形）、圓片動子（圓片動子的圓心位置鑲嵌有直徑2毫米的磁鐵芯）構(gòu)成。磁性畫板附著在平面鋁制襯板上，鋁制襯板下裝有可以拉動的條形磁鐵，拉動一下可以擦掉磁跡。本教具用留跡的辦法讓學(xué)生在實驗探究中觀察到多種形式的點-點接觸、點-面接觸、面-面接觸作用下彈力的方向有著相同的特征，即總是趨于垂直于接觸面。通過拉桿可以很輕松抹去磁粉留下的痕跡，實驗可以反復(fù)進(jìn)行，便于探究。探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系如圖所示，在一圓形有機(jī)玻璃管上下兩端粘有圓形有機(jī)玻璃片做底面，下底面中心開孔。有機(jī)玻璃管側(cè)壁沿長度方向開3mm的縫，便于指針箭頭上下移動。管內(nèi)有一可以壓縮的彈簧，彈簧上端與橡皮膠墊相連，橡皮膠墊中心與帶鉤的鉛絲相固定，指針箭頭固定在橡皮膠墊上。第四講“實驗”教學(xué)與信息技術(shù)的深度融合一、信息技術(shù)與物理實驗教學(xué)深度整合的意義：信息技術(shù)更新實驗教學(xué)理念、改變實驗教學(xué)手段、優(yōu)化實驗教學(xué)方法、突破常規(guī)實驗儀器的局限、提高實驗教學(xué)效率。二、數(shù)字化技術(shù)在教學(xué)中的實例分析（一）動能和動能定理1．教材分析：“動能定理是在物體受恒力作用，并且做直線運動的情況下得到的。當(dāng)物體受變力作用，或做曲線運動時，我們可以采用把整個過程分成許多小段，認(rèn)為物體在每小段運動中受到的是恒力，運動的軌跡是直線，把這些小段中力做的功相加，這樣也能得到動能定理?！蹦芊駨膶嶒灥慕嵌葋眚炞C這種方法的正確性。傳統(tǒng)的的實驗方法無法解決這樣的問題。利用傳感器驗證動能定理適用于變力作用記錄變力作用下小車動能變化和功，并繪制成圖像，發(fā)現(xiàn)這個規(guī)律依然適用。由于運動傳感器、力傳感器的使用為教學(xué)工作帶來了方便和實驗支持，設(shè)想要是沒有信息技術(shù)手段做支撐，得到變力做功與動能變化的關(guān)系是多么的困難。由特殊到一般，使動能定理的適用范圍更加明確可信，加深了學(xué)生對動能定理的認(rèn)知。（二）氣體的等溫變化

傳統(tǒng)方法與數(shù)字化方法的對比室溫100ml注射器密閉氣體等溫變化p-V圖像數(shù)據(jù)反比例擬合圖100ml注射器密閉氣體等溫變化p-1/V數(shù)據(jù)擬合圖線

500ml注射器密閉氣體等溫變化p-1/V數(shù)據(jù)擬合圖兩組p-1/V數(shù)據(jù)圖像都呈現(xiàn)成線性變化，但是第一組不過遠(yuǎn)點，是不是實驗在哪有問題呢？帶著這樣的問題，可以反觀兩次實驗，兩次分別采用了100ml和500ml的注射器，分析發(fā)現(xiàn)注射器與連接管中的氣體我們沒有計入，導(dǎo)致了系統(tǒng)誤差，所以為了減小誤差，我們應(yīng)該選擇注射器盡量大的，與壓強傳感器連接管盡量短的。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灁?shù)據(jù)，告訴了實驗系統(tǒng)誤差的分析方法。100ml注射器封閉氣體在不同溫度下的等溫曲線利用數(shù)字化技術(shù)，輕松得出不同溫度下的等溫雙曲線，大大減輕了繪制數(shù)據(jù)圖的時間，提高了繪圖精度和圖片質(zhì)量，促進(jìn)實驗水平，也更便于觀察和分析數(shù)據(jù)。（三）帶電粒子在電場中的運動虛擬仿真實驗NOBOOK軟件模擬真實的場景，實現(xiàn)人機(jī)交互，可以按照自己的要求設(shè)置參數(shù)，還可以把稍縱即逝的現(xiàn)象放慢，便于觀察、對比，加深對規(guī)律的理解。環(huán)節(jié)一：氫的三種同位素氕、氘、氚的原子核，如圖所示，這三種粒子從同一位置無初速度地從左側(cè)板飄入電場線水平向右的加速電場并加速離開電場，它們在電場中的運動時間哪個最長？虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)場景再現(xiàn)，視頻截圖中紅色、黃色和綠色小球分別代表氕核、氘核、氚核（以下同）。環(huán)節(jié)二：利用虛擬仿真實驗得出氕、氘、氚的原子核以相同的初速度垂直進(jìn)入同一勻強電場，粒子離開電場的時間和縱向位移的比較。環(huán)節(jié)三：氕核、氘核、氚核三種粒子，從同一位置無初速度地飄入電場線水平向右的加速電場，之后進(jìn)入電場線豎直向下的勻強電場發(fā)生偏轉(zhuǎn)，落點位置相同，但在電場中的運動時間不同。（四）平拋運動的規(guī)律用數(shù)碼拍攝儀器記錄下平拋運動和自由落體運動信息，利用VisualBasic編寫對數(shù)據(jù)實現(xiàn)逐幀采集，并利用程序自帶計算功能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計算出瞬時速度等，得出平拋運動規(guī)律。實驗探究與理論分析在一節(jié)課內(nèi)很好地融合，深化了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。（五）用雙縫干涉測量廣的波長對實驗進(jìn)行改造，如圖所示，用二極管激光器作為光源（波長650nm）、用光敏傳感器測量光的相對強度，轉(zhuǎn)動傳感器測量位置變化，光強的變化與明、暗條紋變化是一致的，通過傳感器測量光強的變化，測量相鄰明（暗）條紋之間的距離。相鄰兩條紋間距通過光敏傳感器直接讀取，改變轉(zhuǎn)動傳感器位置，記錄傳感器移動距離數(shù)值測量更為準(zhǔn)確，很好地驗證光的干涉原理。圖示為光傳感器和位置傳感器記錄下來的圖像信息。（六）驗證機(jī)械能守恒定律

互聯(lián)網(wǎng)+教育迅速發(fā)展的時代，大量的優(yōu)質(zhì)教育資源和信息化學(xué)習(xí)環(huán)境為教育者和學(xué)生都提供了創(chuàng)新教學(xué)模式、改進(jìn)學(xué)習(xí)方式的思路和機(jī)會。在此背景下，翻轉(zhuǎn)課堂這種新的教學(xué)模式通過微課、任務(wù)單等信息化手段進(jìn)入師生視野。課堂翻轉(zhuǎn)：課前學(xué)生自主觀看教師利用屏幕錄制軟件CamtasiaStudio錄制的教材中設(shè)計的實驗視頻。使學(xué)生在短時間內(nèi)理解實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗注意事項及誤差來源等。結(jié)合視頻中學(xué)習(xí)到的方法，學(xué)生提出自己的驗證機(jī)械能守恒定律的方法，其中包括實驗方法、儀器、測量的物理量、數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)和分析處理方法、誤差來源及對本實驗的評價等。（七）拓展實驗：彈性勢能滑塊在氣墊導(dǎo)軌上的摩擦忽略不計，滑塊在彈簧拉力的作用下由靜止釋放，當(dāng)彈簧恢復(fù)原長時，彈簧初始狀態(tài)下的彈性勢能全部轉(zhuǎn)化為滑塊的動能，而此時遮光片