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1、物理试验教学福建教育学院理科研修部陈光明第1页一、物理试验与物理学发展在物理学发展历程中，试验和理论互为依赖、相辅相成。试验在物理学发展过程中起着关键性作用。1、物理试验性质和作用、物理试验性质和作用物理学是一门试验性科学。物理试验：是物理工作者在控制条件下，利用仪器、设备，使物理现象重复再现，从而有目标地进行观察研究一个方法。第2页 开创试验性物理学奠基人是伽利略。1589年，伽利略为了研究物体运动与力之间关系，做了两个著名斜塔试验和斜面试验。经过这一划世纪性试验研究，从此奠定了经典运动学基础，打破了亚里斯多德运动学对物理学发展长达1800多年禁锢，也使物理学发展从此走上了一条真正科学道路。
2、从中，我们也能看到有目标、有计划、有针对性研究力与运动关系试验科学意义。第3页 2、试验事实直接总结是产生物理理论前提、试验事实直接总结是产生物理理论前提 有许多物理学理论规律是直接从大量试验事实中总结概括出来。比如：经典物理学中开普勒三定律是依据第谷布拉赫所积累大量天文观察资料，采纳了哥白尼日心说体系，又把哥白尼圆形轨道修改为椭圆轨道而得到。能量守恒与转换定律也是经过大量试验归纳和总结而得到，其中起着关键性作用是焦耳热功当量试验。电磁学中一系列定律，如库仑定律、欧姆定律、安培定律、毕奥-沙伐尔定律、法拉第电磁感应定律等，都是直接从大量试验事实中总结概括出来。第4页3、物理学上观点争论最终都由
3、试验作出判决物理学中经常发生一些不一样意见、或不一样理论来解释同一问题争论。往往是经过试验给予某一个意见以有力支持，而且最终还得靠试验来作出终止判断。比如：在对光本质认识过程中，微粒说和波动说争论连续过很长一段时间。最初，因为光直线传输事实，很自然地支持了微粒说；可是，光独立传输事实，即两束光交叉后，还是各自按原来方向和强度传输，又给惠更斯波动说提供了有利证据。托马斯杨双缝干涉试验显然证实光是一个波动，18，马吕斯发觉光偏振现象更证实光不不过一个波动，而且是一个横波；不过，1899年列别捷夫光压测定试验证实光压存在，试验结果又有利于光是一个微粒学说。第5页 1912 年，劳厄x射线衍射试验证实
4、x射线也是一个电磁波；而光电效应、以及1923年康普顿用光子和电子相互碰撞解释x射线散射中波长变长试验结果（即康普顿效应）又给爱因斯坦光量子假说以有力支持。最终，以波粒二象性结束了这一场旷日持久争端，解释了已经有试验事实。自从17世纪以来，人们提出了各种“以太”假说，从“机械以太”、“电磁以太”，一直到“光以太”、“绝对以太”等。不过，任何一个“以太”学说都不能解释迈克尔逊莫雷试验事实，于是最终只好以放弃“以太”学说而告终。第6页4、试验是修正错误依据和发展新理论起点试验经常成为纠正错误理论依据和发展理论新起点。比如：古希腊亚里斯多德曾经断言：体积相等两个物体，较重那个下落较快。他认为，物体下
5、落快慢准确与它们重量成正比。这种理论曾经统治过物理学界达18之久。科学发展到中世纪，曾不停有怀疑和反正确意见，但都因为没有成熟而有力试验事实给予支持。是伽利略斜塔试验给予最终否定。19，卡末林-昂内斯在观察低温下水银电导率改变时，在4.2K附近突然发觉电阻消失现象，而后又观察到许多金属在低温下超导状态。以后，又发觉了在低温下液体超流现象（液体粘滞系数0）。由此开始了一个新物理学分支领域超导物理。第7页 5、从美好假说发展到科学理论依赖于试验、从美好假说发展到科学理论依赖于试验经常有这么情况，在试验事实基础上，科学家们构想出一个理论模型，或给出理论上预言。这些理论看起来或许是很有创见、合情合理，
6、不过在没有得到试验验证之前，这种理论还只能算是一个构想、一个假说，不是科学理论。比如：19世纪60年代开始，麦克斯韦在大量试验基础上，尤其是法拉第关于电磁现象所做定性解释发展成为定量数学形式基础上，提出了“涡旋电场”和“位移电流”假说，并建立了著名麦克斯韦电磁场基本方程组，从理论上说明了电磁波和光波有共同特征，并以光速在空间传输。这是一个极其卓越理论结果。第8页不过，直到1887年赫兹接收到电磁振荡源放电而发出电磁波，而且作了电磁波反射、折射、衍射和偏振等试验，而且测出电磁波传输速度与光速为同一数量级以后，才从试验上证实了麦克斯韦全部假说，使麦克斯韦电磁理论开始成为科学理论。广义相对论是爱因斯
7、坦在191519间提出来。当初，因为创建狭义相对论以及在其它领域里卓越贡献，爱因斯坦已经是一位有很高声誉物理学家。广义相对论就其立论新奇、结构严谨、推论准确和数学上友好而被人们所推崇，有些人认为这是物理学发展中所罕见一件珍品。它能够解释当初用牛顿引力理论所不能说明水星近日点剩下近动问题。按广义相对论理论，爱因斯坦预言了光经过太阳表面附近引力场时，会造成1.75弯曲偏角效应，而不是按狭义相对论计算0.87。第9页所以，试验观察结果就将是对新理论命运一次决定性考验。195月29日，英国天文学家爱丁顿率领日食观察队，在西非几内亚利用日全食进行观察结果，与广义相对论预言一致。以后，类似试验和其它试验屡
8、次重复，广义相对论才作为一门崭新科学理论为人们所公认。6、试验理论试验是物理学发展基本道路从物理学各个分支发展过程都能够看到，先从一些物理现象或试验事实开始，或是受到一些事物启发，提出一定物理模型，用来解释过去已经有试验事实，然后再用试验来深入证实这个模型合理性，并依据不停发展试验结果修正和完善理论。所以说，试验理论试验是物理学发展普通模式。比如：第10页电子被发现以后，人们就认为电中性原子是由正、负两部分带电荷物体组成。19，汤姆孙(J.J.Thomson，18561940)提出原子是由带正电均匀球组成，整个原子里面负电是按分立电子形式分布，电子是撒在直径约1带正电均匀球体中，就像葡萄干撒在
9、布丁点心上一样。根据这个模型，既说明了稳定原子电中性，也能解释诸如电子发射、电磁辐射和元素性质周期性变化与价键理论等基本现象。当原子受激发时，电子可以从原子内部逸出，电子质量很小，很轻易受到扰动，受到扰动电子在其平衡位置附近往返振荡，从而产生电磁辐射（即原子发光光谱）。第11页卢瑟福原来相信他老师汤姆孙原子模型基本上是正确，19，卢瑟福主要助手之一盖革研究粒子穿过物质后发觉了小角度散射现象。19，卢瑟福指导硕士马斯登研究粒子大角度散射问题，从试验上发觉粒子碰撞金属箔所产生大角度散射。比如，用粒子轰击ZnS薄片时，有八千分之一几率要反射回来。于是，卢瑟福只好放弃汤姆孙布丁点心模型，并提出了原子有
10、核模型：处于原子中心带正电原子核，直径只有整个原子万分之一，原子大部分质量都集中在这个中心上，电子围绕原子核旋转。第12页卢瑟福有核原子模型首先碰到了稳定性困难：一个围绕原子核作快速转动电子相当于一个电振子，它一定要发射电磁波，因而将很快失去其能量，经过短暂（大约只有一亿分之一秒）时间就会沿着螺旋线运动而落到原子核上去。卢瑟福有核原子模型碰到第二个困难是无法解释复杂原子光谱现象，也无法说明原子所发射线状光谱：因为，假如电子以一定频率围绕原子核转动而产生辐射，则辐射结果必将造成能量损失，而且引发辐射光波频率连续改变，而只能产生带状光谱。于是，玻尔在此基础上提出了电子处于含有一定能量量子化圆轨道上
11、，并进行定态跃迁产生辐射原子结构模型。19，德国弗兰克和赫兹关于原子能级试验结果与玻尔理论结果很好地符合。从此，玻尔原子轨道模型被广泛接收。第13页7、物理学史上最经典10试验9月份出版物理学世界登载了排名前十最漂亮物理试验，其中大多数都是我们耳熟能详经典之作。这十大试验中绝大多数是科学家独立完成，全部试验都是在试验桌上进行。全部这些试验共同之处是他们都仅仅“抓”住了物理学家眼中“最漂亮”科学灵魂，这种漂亮是一个经典：最简单仪器和设备，发觉最根本、最单纯科学概念，就像是一座座历史丰碑一样，人们长久迷惑和含糊顷刻间一扫而空，对自然界认识愈加清楚。第14页按照时间次序，这些试验是：按照时间次序，这
12、些试验是：排名第七：埃拉托色尼测量地球周长排名第七：埃拉托色尼测量地球周长排名第二：伽利略自由落体试验排名第二：伽利略自由落体试验排名第八：伽利略匀加速运动试验排名第八：伽利略匀加速运动试验排名第四：牛顿棱镜分解太阳光排名第四：牛顿棱镜分解太阳光排名第六：卡文迪许扭矩试验排名第六：卡文迪许扭矩试验 第15页排名第五：托马斯排名第五：托马斯杨光干涉杨光干涉 试验试验 排名第十：米歇尔排名第十：米歇尔傅科钟摆试验傅科钟摆试验排名第三：罗伯特排名第三：罗伯特密立根油滴试验密立根油滴试验排名第九：卢瑟福发觉原子核试验排名第九：卢瑟福发觉原子核试验排排名名第第一一：托托马马斯斯杨杨双双缝缝干干涉涉应应用
13、用于于电电子干涉试验子干涉试验第16页1、托马斯杨双缝演示应用于电子干涉试验牛顿和托马斯杨对光性质研究得出结论都不完全正确。光既不是简单由微粒组成，也不是一个单纯波。20世纪初，麦克斯普克朗和阿尔伯特爱因斯坦分别指出一个叫光子东西发出光和吸收光。不过其它试验还是证实光是一个波状物。经过几十年发展量子学说最终总结了两个矛盾真理：光子和亚原子微粒（如电子、光子等等）是同时含有两种性质微粒，物理上称它们：波粒二象性。将托马斯杨双缝演示改造一下能够很好地说明这一点。科学们用电子流代替光束来解释这个试验。依据量子力学，电粒子流被分为两股，被分得更小粒子流产生波效应，它们相互影响，以至产生像托马斯杨双缝演
14、示中出现加强光和阴影。这说明微粒也有波效应。物理学世界编辑彼特罗格斯推测，直到1961年，某一位科学家才在真实世界里做出了这一试验。（排名第一）第17页2、伽利略自由落体试验、伽利略自由落体试验在16世纪末，人人都认为重量大物体比重量小物体下落得快，因为伟大亚里士多德已经这么说了。伽利略，当初在比萨大学数学系任职，他大胆地向公众观点挑战。著名比萨斜塔试验已经成为科学中一个故事：他从斜塔上同时扔下一轻一重物体，让大家看到两个物体同时落地。伽利略挑战亚里士多德代价可能使他失去了工作，但他展示是自然界本质，而不是人类权威，科学做出了最终裁决。（排名第二）第18页3、罗伯特米利肯油滴试验很早以前，科学
15、家就在研究电。人们知道这种无形物质能够从天上闪电中得到，也能够经过摩擦头发得到。1897年，英国物理学家JJ托马斯已经确立电流是由带负电粒子即电子组成。19美国科学家罗伯特米利肯开始测量电流电荷。米利肯用一个香水瓶喷头向一个透明小盒子里喷油滴。小盒子顶部和底部分别连接一个电池，让一边成为正电板，另一边成为负电板。当小油滴经过空气时，就会吸一些静电，油滴下落速度能够经过改变电板间电压来控制。米利肯不停改变电压，仔细观察每一颗油滴运动。经过重复试，米利肯得出结论：电荷值是某个固定常量，最小单位就是单个电子带电量。（排名第三）第19页4、牛顿棱镜分解太阳光艾萨克牛顿出生那年，伽利略与世长辞。牛顿16
16、65年毕业于剑桥大学三一学院，后因躲避鼠疫在家里呆了两年，再以后顺利地得到了工作。当初大家都认为白光是一个纯没有其它颜色光（亚里士多德就是这么认为），而彩色光是一个不知何故发生改变光。为了验证这个假设，牛顿把一面三棱镜放在阳光下，透过三棱镜，在墙上被分解为不一样颜色，以后我们称作为光谱。人们知道彩虹颜六色，不过他们认为那是因为不正常。牛顿结论是：正是这些红、橙、黄、绿、青、蓝、紫基础色有不一样色谱才形成了表面上颜色单一白色光，假如你深入地看看，会发觉白光是非常漂亮。（排名第四）第20页5、托马斯、托马斯杨光干涉试验杨光干涉试验牛顿也不是永远正确。在屡次争吵后，牛顿让科学界接收了这么观点：光是由
17、微粒组成，而不是一个波。1830年，英国医生、物理学家托马斯杨用试验来验证这一观点。他在百叶窗上开了一个小洞，然后用厚纸片盖住，再在纸片上戳一个很小洞。让光线透过，并用一面镜子反射透过光线。然后他用一个厚约130英寸纸片把这束光从中间分成两束。结果看到了相交光线和阴影。这说明两束光线能够像波一样相互干涉。这个试验为一个世纪后量子学说创建起到了至关主要作用。（排名第五）第21页6、卡文迪许扭矩试验、卡文迪许扭矩试验牛顿另一伟大贡献是他万有引力定律，不过万有引力到底多？18世纪末，英国科学家亨利卡文迪许决定要找出这个引力。他两边系有小金属球6英尺木棒用金属线悬吊起来，这个木棒就像哑铃一样；再将两个
18、350磅重铅球放在相当近地方，以产生足够引力让哑铃转动，并扭动金属线。然后用自制仪器测量出微小转动。测量结果惊人准确，他测出了万有引力恒量参数，在此基础上卡文迪许计算地球密度和质量。卡文迪许计算结果是：地球重601024千克，或者说13万亿万亿磅。（排名第六）第22页7、埃拉托色尼测量地球圆周长、埃拉托色尼测量地球圆周长古埃及一个现名为阿斯旺小镇。在这个小镇上，夏日正午阳光悬在头顶：物体没有影子，阳光直接射入深水井中。埃拉托色尼是公元前3世纪亚历山大图书馆馆长，他意识到这一信息能够帮助他预计地球周长。在以后几年里同一天、同一时间，他在亚历山大量了同一地点物体影子。发觉太阳光线有轻微倾斜，在垂直
19、向偏离大约7度角。剩下就是几何学问题了。假设地球是球状，那么它圆周应跨360度。假如两座城市成7度角，就是7360圆周，就是当初5000个希腊运动场距离。所以地球周长应该是25万个希腊运动场。今天，经过航迹测算，我们知道埃拉托色尼测量误差仅仅在5以内。（排名第七）第23页8、伽利略加速度试验、伽利略加速度试验伽利略继续提炼他相关物体移动观点。他做了一个6米多长、3米多宽光滑直木板槽。再把这个木板槽倾斜固定，让铜球从木槽顶端沿斜面滑下，并用水钟测量铜球每次下滑时间，研究它们之间关系。亚里士多德曾预言滚动球速度是均匀不变；铜球滚动两倍时间就走出两倍旅程。伽利略却证实铜球滚动旅程和时间平方成百分比：
20、两倍时间里，铜球滚动4倍距离，因为存在恒定重力加速度。（排名第八）第24页9、卢瑟福发觉核子试验19卢瑟福还在曼彻斯特大学做放射能试验时，原子在人们印象中就好像是“葡萄干布丁”，大量正电荷聚集糊状物质，中间包含着电子微粒。不过他和他助手发觉向金箔发射带正电阿尔法微粒时有少许被弹回，这使他们非常吃惊。卢瑟福计算出原子并不是团糊状物质，大部分物质集中在一个中心小核上，现在叫做核子，电子在它周围围绕。（排名第九）第25页10、米歇尔傅科钟摆试验去年，科学家们在南极安置一个摆钟，并观察它摆动。他们是重复1851年巴黎一个著名试验。1851年法国科学家米歇尔傅科公众面前做了一个试验，用一根长220英尺钢
21、丝将一个62磅重上带有铁笔铁球悬挂在屋顶下，观察统计它前后摆动轨迹。周围观众发觉钟摆每次摆动都会稍稍偏离原轨迹并发生旋转时，无不惊。实际上这是因为房屋在缓缓移动。傅科演示说明地球是在围绕地轴自转。在巴黎纬度上，钟摆轨迹是顺时针方向，30小时一周期。在南半球，钟摆应是逆时针转动，而在赤道上将不会转动。在南极，转动周期是二十四小时。（排名第十）第26页二、物理教学必须以试验为基础1.物理教学为何必须以试验为基础？物理教学之所以要以试验为基础，是因为：（1）试验能为学习物理提供符合认识规律环境普通说来，人认识是从感性认识上升到理性认识，感性认识能够起源于学生日常行为规范,但有针对性物理试验更有利于物
22、理规律认识和掌握，同时，也有利于消除学生在日常生活中产生对科学现象“误解”。如“重物体自由下落得快”等第。第27页第28页（2）试验能培养学生学习物理兴趣，激发学生求知欲望。这是由试验特点决定。利用一些生动、有趣物理试验能够降低学生对物理学科陌生感，在惊叹和感叹中加深对物理学科印象和好感，产生学习兴趣和学习动机。另外，学生直接参加学生分组试验活动能够让学生亲身体验物理规律探索过程，深入增强学习物理兴趣。第29页（3）试验是提升学生能力和使之得到科学方法训练主要路径试验过程包括研究资料（教材），思维加工，动手实践及语言文字表示这些过程。在每一个步骤中，学生能力都会得以对应提升。试验是一个综合能力
23、培养过程且可使学生受到必要科学研究方法训练。第30页（4）试验有利于培养学生良好道德素养和科学作风科学试验严谨和实事求是对学生世界观形成有很主要影响。是辨证唯物主义基本观点最好实例。试验过程中信息流程图以下：第31页 2.物理试验分类及演示试验作用 物理试验分类 物理教学中试验，大致上能够分：演示试验；演示试验；学生分组试验；学生分组试验；课内小试验；课外试验。课内小试验；课外试验。将上述各类试验与一定教学伎俩配合就组成了各种试验教学课型:比如，将演示试验穿插在教师讲授过程中可组成演示讲讲课；将教师指导贯通在学生独立操作分组试验过程中，就组成了学生分组试验课型。各种试验有各自特点和各自功效。第
24、32页 (1)演示试验特点和作用演示试验特点和作用演示试验是以教师为主要操作者演出演示试验是以教师为主要操作者演出示范试验。示范试验。它目标目标主要是把要研究物理现象展示在学生眼前，引导学习观察思索，配合讲授或穿插学生讨论等方式使学生认识物理概念和规律，或者经过演示引导和示范作用，为学生独立训练创造条件。第33页 a.引入课题，激发学生求知欲望第34页b.提供必要感性素材，帮助学生建立概念和认识规律第35页c.进行观察和思维训练，巩固和应用物理知识第36页d.提供示范，为学生训练试验技能创造条件演示试验是物理试验教学中发挥教师主导作用主要伎俩之一。成功演示试验，经常给学生留下难以磨灭鲜明印象，
25、使课堂气氛异常活跃，从而取得很好教学效果。演示试验在中学物理教学试验中占有很大比重，而且是一个深受学生欢迎试验形式它是教师施展教学艺术独特伎俩，它能够化枯燥为生动，化抽象为详细。演示试验内容和方法有很大灵活性。同一课题，教师能够用现成仪器设备，也能够用自制教具进行演示。同一个演示仪器，教师可用于引入课题，也可用以巩固新课，为更加好地发挥其功效，必须深入研究演示试验教学基本要求。第37页(2)演示试验教学基演示试验教学基本要求本要求a.要有明确目标；第38页b.要显著和直观；演示现象要显著仪器简单，过程明了第39页c要安全、可靠；教师在课堂上演示试验必须确保成功，所以需要：做好充分准备工作；课堂
26、演示时必须确保安全；正确对待课堂演示中失误，切忌弄虚作假。第40页d要有启发性。第41页 (3)演示试验教学中观察指导演示试验教学中观察指导在演示方案确定以后，要想到达演示目标，关键在对学生观察进行指导。同时，对演示观察指导又是培养学生观察能力一个主要路径。所以，在演示教学中应十分重视观察指导，这里所说观察指导，有两层含义:一是演示本身应能吸引学生观察注意;二是教师在演示过程中及时指导，教给观察方法。所谓指导，绝对不是说教师指到哪里，学生就看到哪里。第42页a.明确观察目标，做好观察思想准备第43页b.突出观察重点，排除无关原因干扰第44页c.从整体到局部，再从局部到整体，培养观察思绪比如，教
27、师惯用“圆锥上滚”试验来训练学生观察力。第45页d.纵、横对比，把握事物特征第46页 3、自制教具（1）自制教具普通含有取材轻易、经济、可大量利用当代生活产生废弃物，而且制作都比较简单、方便，有利于师生共同完成。有利于培养学生求知兴趣、动手能力及创造精神。比如：饮料瓶、易拉罐、吸管、小药瓶、泡沫塑料、塑料片等都是师生共同制作自制教具惯用材料。第47页（2）自制教具趣味性是吸引学生注意力极好伎俩，它对增强学生们好奇心，激发学生们学习兴趣，都起着主要推进作用。是自然教师们经常采取方法。第48页（3）自制教具普通都是教师针对现有试验之不足而设计制作。试验结果更显著更直观，学生更轻易观察到。第49页（4）自制教具能够很好地填补现有教具空白，易于突破教材中重点难点，试验效果更加好。第50页（5）自制教具可缩短试验时间，在短时间内就能见到效果。第51页（6）自制教具可较快地把当代科技溶于其中，填补现有教具之不足，使试验课上得更精采。第52页（7）自制教具是在广大试验教师不停实践、创新基础上产生出来，它为新教具开发、生产提供了大量可借用素材。第53页（8）在教学实践中不停研制和完善自制教具促进了教师本身素质提升第54页第55页