競賽與教學(xué)相融合的開放式物理實驗教學(xué)探索-鐘菊花

競賽與教學(xué)相融合的開放式物理實驗教學(xué)探索鐘菊花，顧英俊，章登宏，房毅，朱云霞華東理工大學(xué)2023.8.24桂林2023年全國高等學(xué)校物理根底課程教育學(xué)術(shù)研討會匯報內(nèi)容引言開放式實驗教學(xué)，激發(fā)思維CUPT競賽，探索未知競賽與教學(xué)的融合，培養(yǎng)能力更新教學(xué)觀念，改進教學(xué)方法，提高教學(xué)效果。以學(xué)生為中心，為學(xué)生創(chuàng)立學(xué)習(xí)情境，充分發(fā)揮學(xué)生作為學(xué)習(xí)過程主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性。激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)具有科技創(chuàng)新素質(zhì)的人才。一、引言如何引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新？教師如何進行教育創(chuàng)新？理論與實踐結(jié)合能力較弱，不能用所掌握的理論指導(dǎo)完成實驗；對儀器設(shè)備的工作原理不清楚；只會硬性按照操作步驟執(zhí)行，不明白每步含義，習(xí)慣于墨守成規(guī)，對創(chuàng)新能力培養(yǎng)不利。受課堂時間和實驗地點的制約，課前預(yù)習(xí)無法接觸實驗儀器；實驗教學(xué)模式相對封閉，學(xué)生獲得的往往只是對課本知識的加深及根本技能的鍛煉；學(xué)生將養(yǎng)成循規(guī)蹈矩的思維模式，缺乏想象力和創(chuàng)造力。大學(xué)物理實驗教學(xué)中存在的問題二、開放式實驗教學(xué)，激發(fā)思維開展以學(xué)生興趣為導(dǎo)向、學(xué)術(shù)競賽為載體開放式物理實驗教學(xué)模式大學(xué)物理實驗CUPT競賽有機融合每年17個貼近實際生活的開放性物理問題涵蓋大學(xué)物理根底知識，實驗研究內(nèi)容豐富，沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，可自由發(fā)揮，極富挑戰(zhàn)性與創(chuàng)造性！這里有汗水，這里有收獲。銅板鋁板玻璃板大理石板冷凍水滴

Freezingdroplets氣泡晶體

bubblecrystal油星星oilstar題目：當(dāng)一根線(如尼龍)的自由端系上一個小重物，并繞另一端旋轉(zhuǎn)的時候，會發(fā)出明顯的響聲。請研究這個聲音的來源以及相關(guān)參數(shù)。Cuttingtheair2----IYPT2023案例1－－課題分析距離維持一定案例1--實驗裝置搭建裝置以44.1kHz的采樣率采樣聲音，得聲波圖案例1--數(shù)據(jù)采集1、題目中描述的聲音2、少量噪音3、氣流導(dǎo)致的麥克風(fēng)內(nèi)部空氣柱振動引起的聲音氣流聲強時間采集數(shù)據(jù)濾波處理后得到脈沖案例1--數(shù)據(jù)采集真實頻率

時間聲強數(shù)據(jù)獲取案例1--聲音來源〔可能原因〕繩子的弦振動對于線密度、長度一定的繩子，轉(zhuǎn)速一定，弦振動頻率f弦在各點為定值卡門渦旋聲當(dāng)氣流遇到障礙物，在障礙物后產(chǎn)生卡門渦旋時輻射的聲音

卡門渦旋(渦街)現(xiàn)象與Re密切相關(guān)理論探究案例1--聲音來源〔實驗判別〕ωABCDEωABCDE粗繩子細繩子+小重物麥克風(fēng)位置的放置實驗探究案例1--聲音來源1、2、結(jié)果：粗繩隨著Re的增加，聲音的大小遞增。對應(yīng)與不同的位置，聲音頻率是不同的細繩繩子處幾乎測不到聲音，聲音主要出現(xiàn)在小重物處。旋轉(zhuǎn)面?zhèn)让媛曇艉茌p聲音的來源不是繩子的弦振動初步認(rèn)為發(fā)聲原因是卡門渦旋聲分析實驗結(jié)果氣流

案例1--聲音來源〔理論分析〕

理論分析Re=10Re=50Re=100Re>1000沒有出現(xiàn)渦街渦街較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯脫落Re>200時，渦街就會周期性脫落渦街較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯脫落案例1--聲音來源〔理論分析〕理論模擬案例1--影響因素卡門渦旋聲的理論對現(xiàn)象解釋得很好，分析影響因素也從這個角度進行思考

頻率與線速度呈正比，與障礙物直徑呈反比，與小重物質(zhì)量無關(guān)另外，在細繩甩動小重物的模型下，正對著小重物測量聲音最為明顯，分析影響因素的實驗中，位置都選在正對小重物的地方分析影響因素案例1—實驗研究與分析實驗研究與分析聲音來源：卡門渦旋聲案例1--結(jié)論影響因素：聲強：Re↑,渦街脫落明顯，聲壓↑，聲強↑聲音頻率：速度小于14m/s時，根本滿足下式：結(jié)論此題包含振動與波的知識，還與流體力學(xué)相關(guān)。要求學(xué)生：查閱相關(guān)資料與文獻通過實驗設(shè)計和理論分析確定聲音產(chǎn)生的原因得到聲音的頻率與相關(guān)參量的表達式通過濾波等技術(shù)從實驗采集的聲音信號中獲取其頻率數(shù)據(jù)驗證聲音頻率與小重物直徑、轉(zhuǎn)動角速度、雷諾數(shù)等的關(guān)系案例1—研究思路三、CUPT競賽，探索未知CUPT賽題源于日常生活及生產(chǎn)與工程技術(shù)。學(xué)生充分認(rèn)識到物理學(xué)不是抽象的理論體系，而是活生生的、非常有用和有趣的。CUPT賽題只給出了現(xiàn)象性描述，學(xué)生必須從現(xiàn)象入手發(fā)現(xiàn)和提出科學(xué)性、理論性問題。進行理論分析時需要運用抽象、簡化等科學(xué)方法將真實的物理問題轉(zhuǎn)化為物理和數(shù)學(xué)模型。端咖啡的學(xué)問讓葉片唱起歌無損檢測雞蛋熟度題目：讓液體流向一個外表，當(dāng)接觸點被激光照明的時候，可觀測到環(huán)繞液柱的光環(huán)。請研究這些光環(huán)，并確定它們?nèi)绾问艿秸麄€系統(tǒng)相關(guān)參量的影響。案例2－－課題分析LightRings10----IYPT2023“駐波〞是如何產(chǎn)生的？光環(huán)又是如何形成的？與哪些因素有關(guān)？如何才能觀察到穩(wěn)定圖像？查閱文獻資料，綜合運用伯努利方程、外表毛細波模型、光的漫反射、全反射和折射原理等相關(guān)知識，將問題簡化處理，通過實驗研究，進行理論分析，得出結(jié)論。案例2—研究思路案例2—理論分析“駐波〞的形成案例2—理論分析光環(huán)的產(chǎn)生使用高位槽以控制流速恒定原理：根據(jù)流體靜力學(xué)平衡定律，在液面降至通大氣的管口A之前，管口B處的流速將保持恒定。實驗裝置示意圖AB案例2—構(gòu)建實驗裝置案例2—實驗研究與分析案例2—結(jié)論1.水波產(chǎn)生條件：水柱向下的流速與向上反射的波〔擾動〕流速相同，產(chǎn)生駐波2.液體高度對毛細波的影響：毛細波kr與水柱高度H成正比關(guān)系；高度越大接觸面波長越短，波數(shù)越大3.液體的流量對毛細波kr的影響：層流狀態(tài)下：流量越大，毛細波kr越大湍流狀態(tài)下：不能產(chǎn)生“駐波〞4.深水面波長較長，波數(shù)較??；淺水面波長較短，波數(shù)較大；參加外表活性劑，筆直液柱段高度隨液柱高度增加而減小5.光環(huán)產(chǎn)生：波節(jié)附近折射；不同高度波節(jié)處出射角不同四、競賽與教學(xué)的融合，培養(yǎng)能力CUPT課題作為一、二年級學(xué)生“自主設(shè)計研究型實驗〞選題引入物理實驗教學(xué)。課題內(nèi)容大大拓展保持了教學(xué)內(nèi)容趣味性先進性創(chuàng)造性有效