匈牙利普通高中物理教材—外星人学物理2实验方法分析

匈牙利普通高中物理教材—外星人学物理2实验方法分析 匈牙利普通高中物理教材—《外星人学物理2》实验法特色分析 重庆北碚区西南大学科学教育研究中心博士研究生 杨娟 400715 广西柳州市柳州铁一中学 物理教师 徐清洪 545007 匈牙利普通高中物理教材—《外星人学物理》把重点放在培养学生正确的科学方法上，教导学生如何通过观察和实验积累经验，在经验事实的基础上建立物理模型，用建立的物理模型解决实际问题、预言未知现象，用新的实验现象检验这个物理模型的适用范围、进一步修正物理模型。这套教材重视“科学素质的培养”， 在框架内介绍有关的物理知识。“他山之石，可以攻玉”下文将对人民教育出版社1999年出版的中文译本《外星人学物理2》中运用的实验策略实验方法作分析。 一:《外星人学物理2》内容简介 《外星人学物理2》包含四个模块分别为:“运动的描述”，“动量”，“角动量”，“能量”，四个模块总共包含32个小节，内容如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1所示意。内容上接近我国现行新课程高中物理教材的必修I和必修II，但是每个模块的内容划分和我国教材区别很大如图表1所示，在第一个模块“运动的描述”既描述了直线运动，又描述了曲线运动，而在第二个模块“动量”中既包含了牛顿运动定律，又包含几种相互作用。基于该教材模块的内容与物理思想而采用与之对应的实验策略与实验方法与中国现行教材相比形成明显的区别。 图表 1 模“运动的描 “动量” “角动量” “能量” 块 述” 包1(过程的特7(惯性定律 20(角动量 角26(衡量能量传递的 含征 变化率 8(参考物体的选择对解释速度变化的作动量守恒 尺度:功 小2(位置的确用 惯性系 21(力矩 角动27(弹性碰撞和非弹 节定 参考系 9(动量 动量守恒 量定理 刚性转性碰撞中的动能 及3(运动的一10(动量变化率 弹性相互作用 动的基本定律 28(动能与功的关系: 内个特征量:11(重力相互作用 22(集中力 重功的定理 容 速度 12(其他的相互作用 力线 力偶 29(弹性能 势能 4(根据已知13(动力学基本定律 23(自角动量定30(引力能 速度确定14(运动方程 理 31(保守的和耗散的 轨迹图 15(平行或垂直于速度的力作用下的运动 24(刚体的平衡 相互作用 能量守恒 5(圆周运动轨道加速度和向心加速度 臂式天平的工32(小结 和转动 角16(分子力 表面力和彻体力 张紧状态 作原理 速度 17(强制运动 摩擦和粘着 25(小结 6(小结 18(引力场源定理 19(小结 二:《外星人学物理2》实验法:频闪照片法案例剖析 该册教材大量运用了频闪照片这种实验方法。在第一个模块“运动的描述”第二章节“位置的确定 参考系”中引入了频闪照片法，用于记录物体在运动过程中的位置后，在多个章节，不同的教学内容中，该实验方法大量、频繁地被使用。与我国现行高中物理教材相比显得实验方法单一，同样是描述运动，我国教材中采用了大量的实验方法:打点计时器;频闪照片;数字计时器;运动传感器等实验方法。在全书中一共使用实验方法频闪照片25次，分别位于下面这些章节中，图表2统计所示: 图表 2 章节 使用频闪照片目的 章节 使用频闪照片目的 第二节 图12，图13，介绍频闪照第十节 图47，图49，图50，图51，分析弹 片实验方法及频 性相互作用(弹力)对运动影响 闪片的作用 第三节 图17用频闪照片来定义匀第十一节 图56分析重力相互作用对运动的影 速直线运动和变速运动 响， 第五节 用频闪照片说明匀速圆周第十三节 图60，图61，图62，图63，用频闪 运动和非匀速圆周运动 照片分析讨论多个力作用于同一物体 时对物体运动影响即合力的牛顿运动 定律;图67，油滴在平行板电容器之 间运动频闪照片分析物体受力情况 第七节 图30，图31，图32用频闪第十五节 图80，用频闪照片分析物体作圆周运 照片演绎单个物体以及质动的条件 点系惯性定律 第九节 图37，图38，图39，图40，第十七节 图91，用频闪照片分析运动物体所受 图44用频闪照片验证动量摩擦力 守恒定律 第二十节 图110用频闪照片分析物体在光滑台 面上运动角动量守恒 三:频闪照片法的优势和价值 各个模块的教学中频闪照片法被频繁地被使用，就频闪照片法本身而言具有以下优 势: 1(摄影技术逐步发展，在中学实验室用频闪照片能轻松而完整记录物体的运动，也就是可操作性强。随着数码技术的发展，频闪照片法会越来越具有优势，现在一般的家用数码相机也能拍摄频闪照片，家用DV机拍摄的录象可用专用处理软件把录象中的每一帧调取出来，每隔固定的5帧或3帧取一帧出来，经处理后也能达到频闪照片的效果。 2(和打点计时器相比，频闪照片对实验本身无影响。不管是使用电火花打点计时器还是电磁打点计时器都会对实验产生不可忽视的影响。在我国高中物理教材中实验用到了打点计时器用于研究自由落体运动，研究小车运动情况，纸带连在物体上再穿过打点计时器,纸带记录的是物体和纸带整体的运动情况，而非小车单独运动情况，打点计时器的引入不可避免的造成误差。而频闪照片法不会因仪器的引入而产生实验误差。其次，物体作直线运动时能使用打点计时器来记录，但打点计时器却不能记录物体作曲线运动的运动情况。 3(和数字计时器相比，频闪照片能详尽得记录物体运动。数字计时器记录遮光条经过光点门的档光时间，量出挡光片的宽度就可以计算遮光条经过光电门的瞬时速度。但一个光电计时器最多也只能测两个瞬时速度，只能记录了物体两个位置的运动情况，如果要记录多个位置的运动情况就需要大量的光电计时器。而用频闪照片法可以记录物体全部运动情况，物体哪在个时刻到达哪个位置被详细记录，从照片中可以获取时间，位移，进而获取速度，加速度。 4(在实验室中，气垫导轨和气垫床的辅助使用使得频闪照片法成为该教材的主要实验方法。使用气垫导轨和气垫床后由于物体不再受摩擦力作用，就可以比较方便探究惯性定律、动量守恒定律、弹力的特点等。图1为该教材中图51中图b，在气垫导轨上探究弹力的特征在弹性限度以内，弹簧形变量越大，弹力 越大，物体运动的加速度越大，相等的时间内速度 改变量越大。 5(就教材内容安排而言，我国现行教材新课 程必修I包含四个章节分别为“运动的描述”，“匀图 1 变速直线运动的研究”，“相互作用”，“牛顿运动定律”。表1所示《外星人学物理2》 中两个章节“运动的描述”和“动量”从内容上 已经包含了我国新课程必修I中四章的内容，并且在“运动的描述”中包含了曲线运动，在“动量”章节中除包含了“相互作用”:重力、弹力、摩擦力、分子力，还包含“牛顿 运动定律”与“动量”。教材内容排布不同， 而使得频闪照片法成为《外星人学物理2》首 选实验方法，该教材第一章“运动的描述”不 拘泥于运动形式，对直线运动和曲线运动都进 行了描述，采用打点计时器无法记录物体曲线 运动情况，而频闪照片法则不受运动形式的影 响，任何形式的运动均能采用频闪照片进行记 录。因此在研究直线运动、圆周运动、平抛以 及验证两物体相互作用时动量守恒(包含验证 在一条直线运动两物体相互作用动量守恒及不 在一条直线上运动两物体相互作用守恒)时均 采用了频闪照片法。 (高中物理涉及到大量的矢量运算。力、6 速度、位移、加速度、动量、冲量等物理量 在运算过程中总涉及到方向的处理。我国教 材在引入矢量的概念后，先学习直线运动的 矢量运算，再学习曲线运动矢量运算，由易 到难地认识矢量这个概念;在直线运动中将图 2 矢量的方向规范化，设定正负方向，将矢量 运算简化成具有正负符号的数学运算，再学习曲线运动中的平抛运动和圆周运动，知识点难度逐级提高，整个教学过程循序渐进，降低了学习难度，学生比较容易掌握。而在《外星人学物理》第一章“运动的描述”中同时描述了曲线运动和直线运动，涉及矢量运算2 时，直接运用矢量三角形法则进行运算，和 我国教材相比学生学习跨度大难度大，没有 进行任何铺垫直接学习曲线运动。但笔者认 为，就该教材而言，它的教学内容排布和实 验方法自成体系。分析如下:先用频闪照片 图 4 法来定义描述运动的几个物理量。图为该2 教材的图，在教学中用频闪照片和17ab 定义匀速直线和变速直线运动。用频闪照片 和定义匀速圆周运动和变速圆周运动。cd 此外，频闪照片的应用还是为以后的教学奠 定基础，在频闪照片中直接提取位移，由 可知由于每相邻两个影象之间的时 xv, t 间间隔相等，照片中的位移直接反映速度的图5 大小和方向，如右图图所示。第二章第九4 小节中在频闪照片中的物体的运动轨迹上直接提取速度，来验证动量守恒定律，验证过程中不拘泥于物体的运动形式，直接在照片中验证动量守恒定律更注重矢量图形运算。图5为该教材中图，频闪照片记录37 下在气垫床上两物块发生斜碰全 程，提取出碰撞前两物块的速度 、和碰撞后的速度、,,,,,,,,,,,,,VVVABA ，再根据矢量三角形规则在照,,,,,VB 片中作图找出两物块在碰撞过程 ,,,,,,中速度改变量、，结合,V,VAB 物块质量验证动量守恒定律，全 过程中没有用到一个公式，在照 片中直接完成动量守恒定律的验图6 证。图为教材中图用轻弹簧641 把两个物体相连，用频闪照片记录下系统在气垫床上的运动过程，在照片中提取速度直接探究两物体相互作用时系统动量守恒。其优点在于用图例来证明直观、明了、简洁。无需规定矢量的正负方向，由频闪照 ,,,,,,片获取的速度改变量既 ,V,VAB 包含大小也包含方向，不需要再 对方向问题另行说明。用相同的 方法再来验证在气垫导轨上两小 车发生碰撞时遵循动量守恒规 律，由于频闪照片的应用使验证 实验不必拘泥与运动的形式，不 管是在一条直线上运动的两物体 发生相互作用，还是二维平面上 两物体发生相互作用时满足动量 守恒规律均能完美的进行验证。 图7 图为教材中的图所示两圆盘741 由一轻质弹簧相连，由于整个装置处于气垫床上，没有摩擦力的干扰，将弹簧拉长，两圆盘在弹力作用下运动，频闪照片记录下系统的运动情况，如图所，矢量的处理很直观，7 利于学生建立矢量规则。但是频闪照片不能用于验证三维空间中两物体发生相互作用动量守恒情况，要分析三维空间中相互作用的规律，仍然不能避免建立坐标系，将速度进行分解和合成。与之相比较我过现行高中物理教材，我国教材更注重循序渐近，先在一维运动找相互作用的过程中动量守恒的规律，再在此基础上找二维平面中运动物体相互作用的规律，顺其自然再是三维空间中相互作用的规律。 在动量，动量守恒定律后，该国教材以此为基础分析各种相互作用如:弹力相互作用，重力相互作用，电磁相互作用等。从动量角度出发，物块的动量发生变化必定有力作用在物块上，这些力作用于物体时改变物体运动状态呈现出一定特征，探究如弹簧产生的弹力如何改变物体的运动状态，重力如何改变物体的运动状态，找出弹力重力的特征。在本章节内容上涵盖了动量，动量守恒定律，牛顿运动定律，运动学方程，重力相互作用，弹性相互作用，电磁相互作用，摩擦相互作用，圆周运动等，与我国现行高中物理教材有很大区别，但自成体系:定义速度—用速度来反映物体运动状态—在变速运动中找出物体的速 度变化率—当物体速度不变探讨惯性定律—当速度发生变化物体必定与其他物体发生相互作用—物体发生相互作用时满足系统动量守恒定律—定义动量变化率—找出物体在重力或弹力情况下动量变化率—分析各种作用(重力，弹力)—得出运动学方程—再探究其他相互作用力。该教学体系在其独有的实验方法配合下使其教学能顺理成章的进行，注重了矢量的图式思维，注重科学思维的培养。 四(对我国教材编写的建议 我国教材在处理曲线运动和动量等问题时也可以采用频闪照片法辅助分析问题，如在我国教材中将平抛分解为水平方向上的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动，采取化曲为直的方法，同时我国教材中只涉及了在同一直线上两物体碰撞时动量守恒问题，如果在原有处理方法上再用频闪照片来辅助处理平抛问题，这样就能把平抛的实质挖掘出来。这样既使学生掌握了平抛问题的解决方法，又使学生清楚平抛运动的本质。而用频闪照片来辅助处理动量问题时，可以处理二维平面中的碰撞问题，不再拘泥于一维碰撞问题。 五(结论 匈牙利教材《外星人学物理》主要采用了频闪照片法来记录物体运动情况，在照片2 中直接提取位移，速度，加速度，研究物体运动的规律，探究物体间相互作用满足的规律。注重图式思维，培养了学生的科学素养，值得学习和借鉴，该实验方法与使用打点计时器和光电计时器来记录物体运动情况相比具有明显的优势;同时随着摄影设备的更新换代，在教学中频闪照片法能实现大面积运用。