竞赛与教学相融合开放式物理实验教学探索-钟菊花

1、竞赛与教学相融合的开放式竞赛与教学相融合的开放式物理实验教学探索物理实验教学探索钟菊花，顾英俊，章登宏，房毅，朱云霞钟菊花，顾英俊，章登宏，房毅，朱云霞华东理工大学华东理工大学2017.8.24 2017.8.24 桂林桂林 2017年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会引言引言开放式实验教学，激发思维开放式实验教学，激发思维CUPT竞赛，探索未知竞赛，探索未知竞赛与教学的融合，培养能力竞赛与教学的融合，培养能力一、引言一、引言如何引导学生创新？如何引导学生创新？ 教师如何进行教育创新？教师如何进行教育创新？u 理论与实践结合能力较弱，不能用所掌握的理

2、论理论与实践结合能力较弱，不能用所掌握的理论指导完成指导完成实验；实验；l 对仪器设备的工作原理不清楚；对仪器设备的工作原理不清楚；l 只会硬性按照操作步骤执行，不明白每步含义，习惯于墨只会硬性按照操作步骤执行，不明白每步含义，习惯于墨守成规，对创新能力培养不利。守成规，对创新能力培养不利。u 受课堂时间和实验地点的制约，课前预习无法接触实验仪器；受课堂时间和实验地点的制约，课前预习无法接触实验仪器；u 实验教学模式相对封闭，学生获得的往往只是对课本知识的加实验教学模式相对封闭，学生获得的往往只是对课本知识的加深及基本技能的锻炼；深及基本技能的锻炼；u 学生将养成循规蹈矩的思维模式，缺乏想象力

3、和创造力。学生将养成循规蹈矩的思维模式，缺乏想象力和创造力。二、二、开放式实验教学，激发思维开放式实验教学，激发思维开展以学生兴趣为导向、学术竞赛开展以学生兴趣为导向、学术竞赛为载体开放式物理实验教学模式为载体开放式物理实验教学模式大大学学物物理理实实验验CUPT竞竞赛赛有机融合有机融合每年每年17个贴近实际生个贴近实际生活的开放性物理问题活的开放性物理问题涵盖大学物理基础知涵盖大学物理基础知识，实验研究内容丰识，实验研究内容丰富，没有标准答案，富，没有标准答案，可自由发挥，极可自由发挥，极富挑富挑战性与创造性战性与创造性！铜板铜板铝板铝板玻璃板玻璃板大理石板大理石板冷冻水滴冷冻水滴 Free

4、zing droplets气泡晶体 bubble crystal油油星星星星 oil star距离维距离维持一定持一定案例案例1-1-实验装置实验装置搭建装置搭建装置案例案例1-1-数据采集数据采集1、题目中描述的声音、题目中描述的声音2、少量噪音、少量噪音3、气流导致的麦克风内部空气柱振动引起、气流导致的麦克风内部空气柱振动引起的声音的声音气流气流声强声强时间时间采集数据采集数据案例案例1-1-数据采集数据采集真实频率真实频率时间时间声强声强数据获取数据获取案例案例1-1-声音来源（可能原因）声音来源（可能原因） 卡门涡旋声卡门涡旋声 当气流遇到障碍物，在障碍物后产生卡门涡旋时辐射当气流遇到

5、障碍物，在障碍物后产生卡门涡旋时辐射的声音的声音 卡门涡旋卡门涡旋( (涡街涡街) )现象与现象与ReRe密切相关密切相关理论探究理论探究案例案例1-1-声音来源（实验判别）声音来源（实验判别）ABCDEABCDE粗绳子粗绳子细绳子细绳子+ +小重物小重物n 麦克风位置的放置麦克风位置的放置实验探究实验探究案例案例1-1-声音来源声音来源粗绳粗绳 随着随着Re的的增加，声音的大小递增。对应与不同的增加，声音的大小递增。对应与不同的位置，声音频率是不同的位置，声音频率是不同的细绳细绳 绳子处几乎测不到声音，声音主要出现在小重物绳子处几乎测不到声音，声音主要出现在小重物处。旋转面侧面声音很轻处。旋

6、转面侧面声音很轻声音的来源声音的来源不是不是绳子的绳子的弦振动弦振动初步认为初步认为发声原因是发声原因是卡门涡旋声卡门涡旋声分析实验结果分析实验结果案例案例1-1-声音来源（理论分析）声音来源（理论分析）理论分析理论分析Re=10Re=50Re=100Re1000没有出现涡街没有出现涡街涡街较稳定，没涡街较稳定，没有出现明显脱落有出现明显脱落Re200Re200时，涡街就时，涡街就会周期性脱落会周期性脱落涡街较稳定，没涡街较稳定，没有出现明显脱落有出现明显脱落案例案例1-1-声音来源（理论分析）声音来源（理论分析）理论模拟理论模拟案例案例1-1-影响因素影响因素v卡门涡旋声的理论对现象解释得很

7、好，分析影卡门涡旋声的理论对现象解释得很好，分析影响因素也从这个角度进行思考响因素也从这个角度进行思考频率与线速度呈正比，与障碍物直径呈反比，与小频率与线速度呈正比，与障碍物直径呈反比，与小重物质量无关重物质量无关另外，在细绳甩动小重物的模型下，正对着小重物测量另外，在细绳甩动小重物的模型下，正对着小重物测量声音最为明显，分析影响因素的实验中，声音最为明显，分析影响因素的实验中，位置都选在正位置都选在正对小重物的地方对小重物的地方分析影响因素分析影响因素案例案例11实验研究与分析实验研究与分析实验研究与分析实验研究与分析案例案例1-1-结结 论论dLf21.0 影响因素：影响因素：声强：声强：

8、Re, ,涡街脱落明显，声压涡街脱落明显，声压，声，声强强声音频率：声音频率：速度小于速度小于14m/s时，基本时，基本满足下式：满足下式：结论结论此题包含此题包含振动与波的知识，还与流体力学相关。振动与波的知识，还与流体力学相关。要求学生要求学生：l 查阅相关资料与文献查阅相关资料与文献l 通过实验设计和理论分析通过实验设计和理论分析l 确定声音产生的原因确定声音产生的原因l 得到声音的频率与相关参量的表达式得到声音的频率与相关参量的表达式l 通过滤波等技术从实验采集的声音信号中获取其频率数据通过滤波等技术从实验采集的声音信号中获取其频率数据l 验证验证声音声音频率频率与小重物直径与小重物直

9、径、转转动动角速度、雷诺数等的关系角速度、雷诺数等的关系案例案例11研究思路研究思路三、三、CUPTCUPT竞赛，探索未知竞赛，探索未知lCUPT赛题源于日常生活及生产与工赛题源于日常生活及生产与工程技术程技术。学生充分认识到物理学不是学生充分认识到物理学不是抽象的理论体系，而是活生生的、非抽象的理论体系，而是活生生的、非常有用和有趣的。常有用和有趣的。lCUPT赛题只给出了现象性描述，学赛题只给出了现象性描述，学生必须从现象入手发现和提出科学性、生必须从现象入手发现和提出科学性、理论性问题。理论性问题。l进行理论分析时需要运用抽象、简化进行理论分析时需要运用抽象、简化等科学方法将真实的物理问

10、题转化为等科学方法将真实的物理问题转化为物理和数学模型物理和数学模型。端咖啡的学问端咖啡的学问让叶片唱起歌让叶片唱起歌无损检测无损检测鸡蛋熟度鸡蛋熟度题目：题目：让让液体液体流向流向一个一个表面表面，当，当接触点被激光照明的时候，接触点被激光照明的时候，可观测到可观测到环绕液柱环绕液柱的的光环光环。请研究这些光环，并确定请研究这些光环，并确定它们如何受到整个系统它们如何受到整个系统相相关参量关参量的影响的影响。案例案例2 2课题分析课题分析l “驻波驻波”是如何产生的？是如何产生的？l 光环又是如何形成的？光环又是如何形成的？l 与哪些因素有关？与哪些因素有关？l 如何才能观察到稳定图像？如何

11、才能观察到稳定图像？查阅文献资料，查阅文献资料，综合运用伯努利方程、表面毛细波模型综合运用伯努利方程、表面毛细波模型、光的漫反射、全反射和折射原理等相关知识，将光的漫反射、全反射和折射原理等相关知识，将问题简化问题简化处理处理，通过实验，通过实验研究，进行理论分析，得出结论研究，进行理论分析，得出结论。案例案例22研究思路研究思路案例案例22理论分析理论分析“驻波驻波”的形成的形成案例案例22理论分析理论分析光环的产生光环的产生实验装置示意图实验装置示意图AB案例案例22构建实验装置构建实验装置案例案例22实验研究与分析实验研究与分析案例案例22结论结论1. 1. 水波水波产生条件：水柱向下的

12、流速与向上反射的波（扰动）产生条件：水柱向下的流速与向上反射的波（扰动）流速相同，产生流速相同，产生驻波驻波2. 2. 液体液体高度高度对对毛细波的毛细波的影响影响：毛细波：毛细波 krkr 与与水柱水柱高度高度H H成正成正比比关系；高度越大接触面波长越短，波数越大关系；高度越大接触面波长越短，波数越大3.3.液体的液体的流量流量对对毛细波毛细波 kr kr 的的影响：影响：a.a.层流层流状态下状态下：流量越大，毛细波流量越大，毛细波 kr kr 越大越大b.b.湍流湍流状态下：不能产生状态下：不能产生“驻波驻波”4. 4. 深水面深水面波长较长，波数较小；波长较长，波数较小；浅水面浅水面波长较短，波数较大；波长较短，波数较大；加入加入表面活性剂表面活性剂，笔直液柱段高度随液柱高度增加而减小，笔直液柱段高度随液柱高度增加而减小5. 5. 光环产生光环产生：波节附近折射；不