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中美高中物理教材中探究精神的体现及优化方案

时间:2023-07-07 理论教育 版权反馈
【摘要】:第七章第182页,在讲解重力加速度的时候,设计了一个实验:在一个纸杯底部和侧面各扎一个洞,先用手指堵住小孔,然后让同伴给杯子倒三分之二的水,最后松开手指,观察水如何动。通过分析实验现象,总结得出关于重力加速度的概念。

中美高中物理教材中探究精神的体现及优化方案

(一)《物理:原理与问题》中的探究性实验

第一章第8页,为了加深对科学研究方法的理解,设计了一个微小实验:第一步测量物理量,第二步通过图表画出变量之间的关系,第三步预测变量之间的关系,第四步验证你的预测,第五步分析得出结论。

第二章第46页,在讲解瞬时速度矢量的时候,设计了一个实验:在一个1 m长的弹簧下挂一个重物,然后研究物体的振动,画出物体在不同位置对时间的图像,分析实验结果得出结论。通过实验比较瞬时速度和平均速度的不同。

第三章第58页,在讲解变速运动时,设计了一个实验:让两个金属球从不同高度滚下,看它们之间的距离是如何变化的。通过实验的观测来解释它们是否有相同的速度和加速度

第四章第103页,在讲解牛顿第三定律——作用力和反作用力的时候,设计了拔河实验,讲清楚了作用力和反作用力之间的关系。

第五章第135页,在讲解斜面上重力分解问题的时候,设计了一个实验:弹簧测力计拉着一个物体静止在一个45°的斜面上,测弹簧测力计的示数,然后通过弹簧测力计拉着物体在斜面上匀速运动,比较它们的示数,从而研究重力跟沿着斜面分力和垂直斜面分力的关系。

第六章第148页,在讲解二维运动的时候,设计了一个实验:让两个质量不同的球从同一个桌子边缘滚下,看哪个先落地。通过该实验现象,让学生自己分析得出结论。

第七章第182页,在讲解重力加速度的时候,设计了一个实验:在一个纸杯底部和侧面各扎一个洞,先用手指堵住小孔,然后让同伴给杯子倒三分之二的水,最后松开手指,观察水如何动。通过分析实验现象,总结得出关于重力加速度的概念。

第八章第213页,在讲解稳定性的时候,设计了一个实验:先让一支铅笔在一块橡皮上旋转,然后在铅笔的不同部位放上一张纸片,然后重复实验。通过实验结果,让学生自己总结什么时候是最稳定的。

第十三章第345页,在讲解压强的时候,设计了一个实验:让人一只脚站在地面上,通过人的重力和人脚的面积来求压强,然后比较同一砖头立在不同面上对地面产生的压强。通过分析对比得出压强和哪些因素有关,最后推广到高跟鞋对地面产生的压强。

第十四章第389页,在讲解波的干涉的时候,设计了一个实验来验证不同方向传播的波相遇会出现什么现象。通过分析实验现象,得出结论,同时提出问题:当波相遇的时候波的速度是否会改变?当波相遇的时候波是反弹回来还是穿过对方?

第十五章第418页,在讲解管乐的时候没有直接给出两端开口和一端开一端闭的概念,而是让一个学生在课上演奏一种管乐器,然后测该管乐器的长度,让同学演奏最低可能的频率,通过频谱产生器测该乐器的频率。最后分析实验现象得出结论。

第十六章第441页,在讲解光的颜色和温度的关系的时候,设计了一个实验:让一个可调亮度的台灯发出的光通过三棱镜,然后慢慢增大台灯的光强,把手放在灯泡上,研究它们之间的关系。分析实验现象得出实验结论,同时提出问题:当光线暗的时候,什么颜色最先出现?什么颜色最后出现?当光最亮的时候呢?这些光的颜色和灯丝的温度有何关系?

第十七章第462页,在讲解平面镜成像的时候,提出如何测定像离平面镜的距离。通过一个有聚焦圈的相机来拍镜子里的像,然后测定他们之间的距离。分析实验现象得出结论,同时提出问题:镜子后的像有多远?为什么相机可以拍镜子后面的虚像?

第十八章第495页,在讲解透镜成像时,提出当你遮着部分透镜时,透镜成的像是如何变化的。通过实验来得出自己的结论。同时提出问题:要形成一个完整的像至少要多少部分的透镜?遮着透镜会产生什么作用?

第十九章第531页,在讲解眼睛里的衍射的时候提出:人的视网膜可以作为一个屏,在一个白炽灯后面2 m远的地方拿着一个衍射光栅,调整好光栅使得它的光谱水平,分析实验现象得出结论。同时提出问题:哪种颜色离中间亮纹最近?哪种最远?在中间亮纹两边能看到多少光谱?实验观测和理论分析是否一致?

第二十章第549页,在讲解库仑定律的时候,设计了一个气球和一个电器来研究感应起电和接触起电。分析实验现象得出结论,描述你的结果,解释实验中每一步验电器叶片的运动,并且描述毛皮用来使验电器带电的实验结果。

第二十一章第573页,在讲解电场时,设计了一个实验:在一根20 cm长的尼龙线两端分别系一个轻质球和一个吸管,然后使两个物体都带上电,研究它们之间距离变化和电场力之间的关系。分析实验现象得出结论,用电场概念解释实验现象。

第二十二章第599页,在讲解电路时,提出电流通过每个用电器后电流是否会改变。在实际电路中,在每个用电器后面接一个电流表测流过每个用电器的电流,通过实验分析比较它们的读数看是否相等。

第二十三章第623页,在讲解串并联电路时,提出在电路中增加一个支路时,干路电流如何改变。通过实验让学生自己观测实验现象,分析实验结果得出结论。(www.xing528.com)

第二十四章第650页,在讲解磁场时,把一个铁钉放在通电的螺线管内,然后把铁钉拿出来,让一个永磁铁靠近铁钉,看会发生什么情况?分析实验现象得出结论,同时解释什么事实说明铁钉已经被磁化。

第二十五章第682页,在讲解电磁感应时,把电动机、电流表、一个小灯泡连成一个串联电路,然后手动转动电动机,点亮小灯泡。分析实验现象得出实验结论,同时提出问题:当你改变电动机转速的时候,灯的亮暗程度如何变?在电路里再接一个电动机会如何?

第二十六章第702页,在讲解电流磁效应时,建立一个质谱仪模型。

第二十七章第724页,在讲解黑体辐射时,让不同颜色的光在黑暗中发出荧光,分析实验现象得出实验结论。

第二十八章第755页,在讲解玻尔模型时,通过光栅来观测气体放电管,分析实验现象得出结论,同时提出问题:两种光谱有何不同?

第二十九章第788页,在讲解二极管时,通过一个实验:把一个发光二极管连接到电路里,先让LED发光,然后改变电流方向,看LED还是否发光。分析实验现象得出实验结论。

第三十章第813页,在讲解半衰期时,通过50个硬币来模拟半衰期,画出硬币数量和半衰期的关系图。

(二)上海科学技术出版社出版的《高级中学课本物理(试用本)》和华东师范大学出版社出版的《高级中学课本物理拓展型课程(试用本)》(以下简称上海版《物理》)中的探究性实验

第一章机械运动:第11页在研究匀变速直线运动时没有直接给出直线运动的概念,而是通过一张上海外滩的照片——显示上海外滩车水马龙的一张长时间曝光的照片,照片上的白线表示往来的车辆,从这些线可以判定车是否做直线运动,车辆的运动方向及快慢。这里通过照片和同学一起来探究直线运动,也激起了同学的学习积极性。第20页通过频闪摄影的办法拍到的一组照片来说明匀速直线运动是不存在的,常见的直线运动都是变速运动。第33页导入加速度概念时,没有直接给出加速度概念,而是通过一张世界优秀运动员起跑瞬间的照片,运动员都是从静止开始做变速直线运动,瞬时速度不断增大,从而自然而然导入了加速度这个物理量。第41页还专门研究了自由落体运动,分为三步:第一步问题探讨,课内同学们听介绍、看演示、提问题、谈个人观点,课外同学们查资料、寻找证据、上网检索、设计方案;第二步探索研究,课内方案交流,实验探究,课外完成实验报告;第三步交流小结。

第四章周期运动:第11页探究了自行车中的圆周运动,自行车前进时,车轮在地面每滚动一圈,车身就前进等于车轮周长的距离,轮缘上的点既随车身前移动,又同时绕轮轴做圆周运动。第21页用DIS声学教学软件探究组成和弦的各单音频率间的关系,用现代科技来探究物理学中难懂的知识点。

第五章机械能:第42页用光电门传感器来探究动能的大小和哪些因素有关,本实验采用计算机拟合曲线的技术,不需要传统的控制变量就可以得出合理的变量间的关系。第56页在讲解机械能守恒定律时,通过一个探究性的实验:在一个提桶内放一些重物,用绳子将它悬挂在门框下,将提桶拉离竖直方向,使它凑近自己的鼻子,然后轻轻放手,提桶将向前摆去,接着又反向摆回来,当摆动很快的提桶再一次接近你的鼻子时,你敢不敢站在那里不动?通过这个探究性的实验引入机械能守恒概念,然后为了科学地探究能量守恒,通过DIS光电门传感器来验证机械能守恒。

第六章分子和气体定律:第65页通过单分子油膜估测分子探究实验,来估算油酸分子的直径。第74页通过DIS压强传感器实验来探究温度不变时,一定质量气体的压强与体积的关系,实验中通过电脑软件直接画出压强和体积的关系图,加深学生对它们之间关系的理解。第79页通过DIS压强传感器来研究一定质量的气体在体积不变时,其压强与温度的关系。

第七章内能与能量守恒定律:第4页通过DIS实验研究摩擦与热的关系,通过温度传感器来测量温度,实验中拉动绳子可以使铜管温度上升,拉动次数越多,铜管的温度升得越高,分析拉动次数和对应的温度变化情况,就可以研究摩擦做功与热的关系。第17页还探究了太阳能的应用。每年地球所接收的太阳能至少有5.5×1024 J,约相当于燃烧1.9×1014 t标准煤所释放的能量。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳,地球上的化石燃料(如煤炭石油、天然气等)从根本上说也是远古以来存储下来的太阳能。所以,广义的太阳能所包括的范围非常大,狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

第八章电场:第28页探究了摩擦起电的序列,两个物体互相摩擦,哪个物体带正电,哪个物体带负电,主要取决于物质的性质。教材用塑料尺、塑料吸管、三角板、笔杆、梳子、玻璃棒橡胶棒、毛皮、纸、尼龙布、纱布等来判定物体带正电还是带负电。

第九章电路:第59页通过DIS实验探究了小灯泡的U-I图像。通过实验,从获得的图形可知,温度对灯丝的电阻有很大影响;随着电压的升高,小灯泡的电功率增大,灯丝的温度升高,电阻也不断增大;小灯泡的灯丝在正常发光时的电阻值比不发光时大很多。

第十章磁场:第93页通过DIS实验探究了通电螺线管的磁场强度。通过实验可以非常直观地看出螺线管内部磁场分布近似为匀强磁场。

第十一章电磁感应和电磁波:第3页通过法拉第实验的启发,来探究产生感应电流的条件。通过实验可以得出:对闭合回路来说,不管是磁铁插入、拔出,或电流产生的磁场发生变化,都会造成穿过闭合回路的磁通量改变。所以,当穿过闭合回路的磁通量发生变化时,闭合回路中就会产生感应电流。后面接着通过DIS实验探究了微弱磁通量变化时的感应电流。应用DIS可观测到闭合线圈中由于穿过线圈平面的电磁场的磁通量发生变化而产生的感应电流。

第十二章物质的微观结构:第31页用G-M传感器(盖革-米勒计数器改装)探测伽马射线。当伽马射线进入G-M传感器时能激发电离放电,这种短暂的放电被收集并记录下来,通过DIS将这一放电在软件界面上反映出来,或发出一阵声响。射线越多,电脑屏上显示的峰值越高,声响也越密。如果用金属将放射源屏蔽起来,可以发现射线数量明显减少。

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