“实验 专题分析及 实”验 教学与信息技术融合

专题七、“实验”专题分析及“实验”教学与信息技术融合高中物理第一讲“实验”内容梳理

及核心内容专题分析

新一轮课程改革注重发展和培养学生的物理学科核心素养。物理学是以实验为基础的自然科学，实验是物理学研究的重要方法。在中学物理教学中，阐述物理现象、形成物理概念、建立物理规律、测量物理常量等，都以实验为基础。一、必修及选修课程中的学生必做实验及分类说明（一）学生必做实验（二）学生必做实验

1.应用型实验：如用多用电表测量电学中的物理量等。2.验证型实验：如验证机械能守恒定律等。3.探究型实验：如探究加速度与物体受力、物体质量的关系等。4.测量型实验：如测量金属丝的电阻率等。（一）等效法（二）间接测量法（三）留迹法（四）累积法（五）控制变量法二、物理实验中的基本物理方法三、误差及误差分析

（一）测量的有效数字：在直接测量中，读出的测量值的有效数字的最后一位要与读数误差所在的一位取齐。最小分度是“1”的仪器，测量误差出现在下一位。下一位按十分之一估读。最小分度是“2”或“5”的仪器，测量误差出现在同一位上，同一位分别按二分之一或五分之一本位估读。（二）真值与误差:

1．真值与误差:测量值与真值之间总会存在或多或少的偏差，这种偏差就称为误差。

2．误差的表示

（1）绝对误差

（2）相对误差

（3）最大绝对误差

（三）测量误差的分类1.系统误差（1）系统误差是指在一定条件下，实验系统在测量过程中存在恒定的或按一定规律而变化的误差。（2）系统误差的来源：仪器误差、环境误差、方法或理论误差、个人误差和装置误差等。（3）减少系统误差的方法：消除产生误差的根源、找出修正值、从测量方法上或仪器设计上减小系统误差的影响。2．随机误差（1）在测量过程中，即使排除了产生系统误差的因素（实际上不可能、也不必要），进行了精心的观测，仍有一定误差存在。（2）减少随机误差的方法：测量次数越多，算术平均值的标准误差越小。3．粗大误差（1）粗大误差是由于实验者的过失而引起的误差，粗大误差简称粗差。（2）剔除粗大误差的方法：可以借助数学工具加以评判，测量次数较多可以采用3σ准则、测量数据较少可以借助格拉布斯准则和t检验准则进行检测。（四）数据处理方法1．列表法：最简单、常用的普遍方法。2．图示法：能较好地反映这些物理量之间的变化规律。

3．图解法：采用图解法可以得到图像所对应的函数关系或经验公式。

4．最小二乘法：方法严谨，由于计算机技术的普及，大量的拟合计算工作由计算机完成。5．逐差法：逐差法不像图解法拟合直线具有较大的随意性，比最小二乘法计算简单而结果近似。第二讲“实验”中的物理

学史与教学一、物理实验与物理学的发展（一）物理实验与古代物理实验（公元1600年以前）（二）物理实验与经典物理学的发展(公元1600-1900年)（三）物理实验与现代物理学的发展（20世纪初至今）（一）物理实验与古代物理实验（公元1600年以前）1．我国古代物理实验（1）计时工具的使用（2）浮力知识的应用（3）光学知识的应用与研究（4）磁学的应用（5）缕悬法的应用（一）物理实验与古代物理实验（公元1600年以前）2．西方古代物理实验（1）卢克莱修在《物的本性》中对天然磁石吸铁现象作出解释。（2）古希腊欧几里得对光学的研究。（二）物理实验与经典物理学的

发展(公元1600-1900年)

伽利略设计了斜面实验和落体实验

库仑设计了扭秤实验

奥斯特发现了电流的磁效应

法拉第发现了电磁感应现象

布朗发现了布朗运动

托马斯·杨设计双缝干涉实验

马吕斯发现了反射时光的偏振

这一时期实验研究方法和实验科学思想的特点是：1．把实验与数学结合起来2．实验时有意识地抛开一些次要因素3．用实验去验证理论4．把实验与理论联系起来从观察到实验的历史性转变，从此物理学的发展建立在可靠的实验基础之上，物理学也从定性研究过渡到定量研究。（三）物理实验与现代物理学的发展（20世纪初至今）

电子的发现、X射线的发现和放射性现象的发现，以及迈克尔逊和莫雷关于以太漂移的“零结果”实验、黑体辐射实验、固体比热容的测定、光电效应、康普顿效应等，经典物理学理论与实验事实的矛盾，引起了物理学的革命，导致了现代物理学的诞生，推动了现代物理学的发展、完善。现代物理实验的特点是：1．新技术的使用如电子显微镜、扫描显微镜、粒子加速器等。2．发展了有效地施加外部干扰和使研究对象处于极限条件。3．物理实验由于规模越来越大，有些实验需要全国甚至国际的力量才能完成。4．实验研究对象远远超出人们直观经验的领域。二、物理实验在物理学发展中的作用（一）产生新分支、开拓新领域（二）发现新现象、探索新规律（三）证实基础理论、驳斥错误假设（四）测定物理常数、促进理论发展第三讲“非常规”物理实验及课外实验一、“非常规”物理实验的特点（一）材料易得、实施便利（二）贴近生活、亲近感强（三）程式多变、新奇有趣（四）物具它用、体现自创（五）结构简单、体验性强超重与失重普通可乐瓶，截去上下两端，用普通吸水纸粘在可乐瓶子内部。用一较小的水瓶，小水瓶底部侧边等距扎数个小眼，灌满稀释后的墨水。拧开水瓶盖水从侧面流出，之后使小水瓶做自由落体运动并从大可乐瓶中间穿过，观察到吸水纸上并没有水痕。力的合成与分解帆船在逆风中航行的一个原因是风对帆的作用力的一个分力提供动力。如图所示，利用实验室小车，在小车上固定一根电视天线，天线上粘一张卡纸当做风帆，电视天线便于调节角度，用吹风机提供风力，转动天线姿态调整帆与风向所成角度，实现逆风航行。研究课题弹力方向

留痕法是一种重要的实验方法，实验塑料膜下涂抹一层薄薄的洗面奶，用刮板刮均匀。塑料膜上放置一个台球，用一塑料斜劈撞击台球，台球的运动轨迹可以反映其受到弹力方向。简单操作、便于观察，更利于分析，实验效果极佳。

为了深层次探究不同接触面弹力的方向的特点，进一步开发为主要由铝制衬板、磁性画板、压条边框、几何形体滑块（30度左右、45度左右、90度和圆形）、圆片动子（圆片动子的圆心位置镶嵌有直径2毫米的磁铁芯）构成。磁性画板附着在平面铝制衬板上，铝制衬板下装有可以拉动的条形磁铁，拉动一下可以擦掉磁迹。本教具用留迹的办法让学生在实验探究中观察到多种形式的点-点接触、点-面接触、面-面接触作用下弹力的方向有着相同的特征，即总是趋于垂直于接触面。通过拉杆可以很轻松抹去磁粉留下的痕迹，实验可以反复进行，便于探究。探究弹簧弹力与形变量的关系如图所示，在一圆形有机玻璃管上下两端粘有圆形有机玻璃片做底面，下底面中心开孔。有机玻璃管侧壁沿长度方向开3mm的缝，便于指针箭头上下移动。管内有一可以压缩的弹簧，弹簧上端与橡皮胶垫相连，橡皮胶垫中心与带钩的铅丝相固定，指针箭头固定在橡皮胶垫上。第四讲“实验”教学与信息技术的深度融合一、信息技术与物理实验教学深度整合的意义：信息技术更新实验教学理念、改变实验教学手段、优化实验教学方法、突破常规实验仪器的局限、提高实验教学效率。二、数字化技术在教学中的实例分析（一）动能和动能定理1．教材分析：“动能定理是在物体受恒力作用，并且做直线运动的情况下得到的。当物体受变力作用，或做曲线运动时，我们可以采用把整个过程分成许多小段，认为物体在每小段运动中受到的是恒力，运动的轨迹是直线，把这些小段中力做的功相加，这样也能得到动能定理。”能否从实验的角度来验证这种方法的正确性。传统的的实验方法无法解决这样的问题。利用传感器验证动能定理适用于变力作用记录变力作用下小车动能变化和功，并绘制成图像，发现这个规律依然适用。由于运动传感器、力传感器的使用为教学工作带来了方便和实验支持，设想要是没有信息技术手段做支撑，得到变力做功与动能变化的关系是多么的困难。由特殊到一般，使动能定理的适用范围更加明确可信，加深了学生对动能定理的认知。（二）气体的等温变化

传统方法与数字化方法的对比室温100ml注射器密闭气体等温变化p-V图像数据反比例拟合图100ml注射器密闭气体等温变化p-1/V数据拟合图线

500ml注射器密闭气体等温变化p-1/V数据拟合图两组p-1/V数据图像都呈现成线性变化，但是第一组不过远点，是不是实验在哪有问题呢？带着这样的问题，可以反观两次实验，两次分别采用了100ml和500ml的注射器，分析发现注射器与连接管中的气体我们没有计入，导致了系统误差，所以为了减小误差，我们应该选择注射器尽量大的，与压强传感器连接管尽量短的。严谨的实验数据，告诉了实验系统误差的分析方法。100ml注射器封闭气体在不同温度下的等温曲线利用数字化技术，轻松得出不同温度下的等温双曲线，大大减轻了绘制数据图的时间，提高了绘图精度和图片质量，促进实验水平，也更便于观察和分析数据。（三）带电粒子在电场中的运动虚拟仿真实验NOBOOK软件模拟真实的场景，实现人机交互，可以按照自己的要求设置参数，还可以把稍纵即逝的现象放慢，便于观察、对比，加深对规律的理解。环节一：氢的三种同位素氕、氘、氚的原子核，如图所示，这三种粒子从同一位置无初速度地从左侧板飘入电场线水平向右的加速电场并加速离开电场，它们在电场中的运动时间哪个最长？虚拟仿真技术实现场景再现，视频截图中红色、黄色和绿色小球分别代表氕核、氘核、氚核（以下同）。环节二：利用虚拟仿真实验得出氕、氘、氚的原子核以相同的初速度垂直进入同一匀强电场，粒子离开电场的时间和纵向位移的比较。环节三：氕核、氘核、氚核三种粒子，从同一位置无初速度地飘入电场线水平向右的加速电场，之后进入电场线竖直向下的匀强电场发生偏转，落点位置相同，但在电场中的运动时间不同。（四）平抛运动的规律用数码拍摄仪器记录下平抛运动和自由落体运动信息，利用VisualBasic编写对数据实现逐帧采集，并利用程序自带计算功能进行数据分析，计算出瞬时速度等，得出平抛运动规律。实验探究与理论分析在一节课内很好地融合，深化了学生的认知规律。（五）用双缝干涉测量广的波长对实验进行改造，如图所示，用二极管激光器作为光源（波长650nm）、用光敏传感器测量光的相对强度，转动传感器测量位置变化，光强的变化与明、暗条纹变化是一致的，通过传感器测量光强的变化，测量相邻明（暗）条纹之间的距离。相邻两条纹间距通过光敏传感器直接读取，改变转动传感器位置，记录传感器移动距离数值测量更为准确，很好地验证光的干涉原理。图示为光传感器和位置传感器记录下来的图像信息。（六）验证机械能守恒定律

互联网+教育迅速发展的时代，大量的优质教育资源和信息化学习环境为教育者和学生都提供了创新教学模式、改进学习方式的思路和机会。在此背景下，翻转课堂这种新的教学模式通过微课、任务单等信息化手段进入师生视野。课堂翻转：课前学生自主观看教师利用屏幕录制软件CamtasiaStudio录制的教材中设计的实验视频。使学生在短时间内理解实验目的、实验原理、实验注意事项及误差来源等。结合视频中学习到的方法，学生提出自己的验证机械能守恒定律的方法，其中包括实验方法、仪器、测量的物理量、数据表格、数据和分析处理方法、误差来源及对本实验的评价等。（七）拓展实验：弹性势能滑块在气垫导轨上的摩擦忽略不计，滑块在弹簧拉力的作用下由静止释放，当弹簧恢复原长时，弹簧初始状态下的弹性势能全部转化为滑块的动能，而此时遮光片