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競賽與教學相融合的開放式物理實驗教學探索鐘菊花,顧英俊,章登宏,房毅,朱云霞華東理工大學2023.8.24桂林2023年全國高等學校物理根底課程教育學術研討會匯報內容引言開放式實驗教學,激發(fā)思維CUPT競賽,探索未知競賽與教學的融合,培養(yǎng)能力更新教學觀念,改進教學方法,提高教學效果。以學生為中心,為學生創(chuàng)立學習情境,充分發(fā)揮學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性。激發(fā)學生的好奇心,培養(yǎng)具有科技創(chuàng)新素質的人才。一、引言如何引導學生創(chuàng)新?教師如何進行教育創(chuàng)新?理論與實踐結合能力較弱,不能用所掌握的理論指導完成實驗;對儀器設備的工作原理不清楚;只會硬性按照操作步驟執(zhí)行,不明白每步含義,習慣于墨守成規(guī),對創(chuàng)新能力培養(yǎng)不利。受課堂時間和實驗地點的制約,課前預習無法接觸實驗儀器;實驗教學模式相對封閉,學生獲得的往往只是對課本知識的加深及根本技能的鍛煉;學生將養(yǎng)成循規(guī)蹈矩的思維模式,缺乏想象力和創(chuàng)造力。大學物理實驗教學中存在的問題二、開放式實驗教學,激發(fā)思維開展以學生興趣為導向、學術競賽為載體開放式物理實驗教學模式大學物理實驗CUPT競賽有機融合每年17個貼近實際生活的開放性物理問題涵蓋大學物理根底知識,實驗研究內容豐富,沒有標準答案,可自由發(fā)揮,極富挑戰(zhàn)性與創(chuàng)造性!這里有汗水,這里有收獲。銅板鋁板玻璃板大理石板冷凍水滴

Freezingdroplets氣泡晶體

bubblecrystal油星星oilstar題目:當一根線(如尼龍)的自由端系上一個小重物,并繞另一端旋轉的時候,會發(fā)出明顯的響聲。請研究這個聲音的來源以及相關參數(shù)。Cuttingtheair2----IYPT2023案例1--課題分析距離維持一定案例1--實驗裝置搭建裝置以44.1kHz的采樣率采樣聲音,得聲波圖案例1--數(shù)據(jù)采集1、題目中描述的聲音2、少量噪音3、氣流導致的麥克風內部空氣柱振動引起的聲音氣流聲強時間采集數(shù)據(jù)濾波處理后得到脈沖案例1--數(shù)據(jù)采集真實頻率

時間聲強數(shù)據(jù)獲取案例1--聲音來源〔可能原因〕繩子的弦振動對于線密度、長度一定的繩子,轉速一定,弦振動頻率f弦在各點為定值卡門渦旋聲當氣流遇到障礙物,在障礙物后產生卡門渦旋時輻射的聲音

卡門渦旋(渦街)現(xiàn)象與Re密切相關理論探究案例1--聲音來源〔實驗判別〕ωABCDEωABCDE粗繩子細繩子+小重物麥克風位置的放置實驗探究案例1--聲音來源1、2、結果:粗繩隨著Re的增加,聲音的大小遞增。對應與不同的位置,聲音頻率是不同的細繩繩子處幾乎測不到聲音,聲音主要出現(xiàn)在小重物處。旋轉面?zhèn)让媛曇艉茌p聲音的來源不是繩子的弦振動初步認為發(fā)聲原因是卡門渦旋聲分析實驗結果氣流

案例1--聲音來源〔理論分析〕

理論分析Re=10Re=50Re=100Re>1000沒有出現(xiàn)渦街渦街較穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)明顯脫落Re>200時,渦街就會周期性脫落渦街較穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)明顯脫落案例1--聲音來源〔理論分析〕理論模擬案例1--影響因素卡門渦旋聲的理論對現(xiàn)象解釋得很好,分析影響因素也從這個角度進行思考

頻率與線速度呈正比,與障礙物直徑呈反比,與小重物質量無關另外,在細繩甩動小重物的模型下,正對著小重物測量聲音最為明顯,分析影響因素的實驗中,位置都選在正對小重物的地方分析影響因素案例1—實驗研究與分析實驗研究與分析聲音來源:卡門渦旋聲案例1--結論影響因素:聲強:Re↑,渦街脫落明顯,聲壓↑,聲強↑聲音頻率:速度小于14m/s時,根本滿足下式:結論此題包含振動與波的知識,還與流體力學相關。要求學生:查閱相關資料與文獻通過實驗設計和理論分析確定聲音產生的原因得到聲音的頻率與相關參量的表達式通過濾波等技術從實驗采集的聲音信號中獲取其頻率數(shù)據(jù)驗證聲音頻率與小重物直徑、轉動角速度、雷諾數(shù)等的關系案例1—研究思路三、CUPT競賽,探索未知CUPT賽題源于日常生活及生產與工程技術。學生充分認識到物理學不是抽象的理論體系,而是活生生的、非常有用和有趣的。CUPT賽題只給出了現(xiàn)象性描述,學生必須從現(xiàn)象入手發(fā)現(xiàn)和提出科學性、理論性問題。進行理論分析時需要運用抽象、簡化等科學方法將真實的物理問題轉化為物理和數(shù)學模型。端咖啡的學問讓葉片唱起歌無損檢測雞蛋熟度題目:讓液體流向一個外表,當接觸點被激光照明的時候,可觀測到環(huán)繞液柱的光環(huán)。請研究這些光環(huán),并確定它們如何受到整個系統(tǒng)相關參量的影響。案例2--課題分析LightRings10----IYPT2023“駐波〞是如何產生的?光環(huán)又是如何形成的?與哪些因素有關?如何才能觀察到穩(wěn)定圖像?查閱文獻資料,綜合運用伯努利方程、外表毛細波模型、光的漫反射、全反射和折射原理等相關知識,將問題簡化處理,通過實驗研究,進行理論分析,得出結論。案例2—研究思路案例2—理論分析“駐波〞的形成案例2—理論分析光環(huán)的產生使用高位槽以控制流速恒定原理:根據(jù)流體靜力學平衡定律,在液面降至通大氣的管口A之前,管口B處的流速將保持恒定。實驗裝置示意圖AB案例2—構建實驗裝置案例2—實驗研究與分析案例2—結論1.水波產生條件:水柱向下的流速與向上反射的波〔擾動〕流速相同,產生駐波2.液體高度對毛細波的影響:毛細波kr與水柱高度H成正比關系;高度越大接觸面波長越短,波數(shù)越大3.液體的流量對毛細波kr的影響:層流狀態(tài)下:流量越大,毛細波kr越大湍流狀態(tài)下:不能產生“駐波〞4.深水面波長較長,波數(shù)較小;淺水面波長較短,波數(shù)較大;參加外表活性劑,筆直液柱段高度隨液柱高度增加而減小5.光環(huán)產生:波節(jié)附近折射;不同高度波節(jié)處出射角不同四、競賽與教學的融合,培養(yǎng)能力CUPT課題作為一、二年級學生“自主設計研究型實驗〞選題引入物理實驗教學。課題內容大大拓展保持了教學內容趣味性先進性創(chuàng)造性有效

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