第二节教学设计的案例.PDFVIP

第二节 教学设计的案例 案例三 “以解决生活中的物理问题为中心的物理实 验教学”案例设计方案 课程的性质和定位 高级物理实验课程 （区别于大学一、二年级的普通物理实验）是南佐治亚大 学物物理专业本科生的必修课，两个学分。该实验课程分两个学期授课。通常第 一个学期做安排好的实验，第二个学期做自选实验，自选实验的授课时间为每周 六个学时。授课的对象是大学物理专业三、四年级本科生。 教学设计理念 开放式的实验教学授课方式 培养学生自由理念及对学生进行社会文化的熏陶。 教学设计 教学目标 1）以解决生活中的物理问题为中心 培养学生将物理概念学以致用的能力； 2 ）将实验教学与科研相结合， 培养学生动手能力和逻辑思维能力； 3 ）将科研训练引入到教学中，通过建立模型培养学生的数学基础和归纳能力。 教学过程与方法 教学内容1：自聚焦透镜、海市蜃楼与热传导—折射率连续变化的研究： 夏天柏油马路上为何会出现海市蜃楼？ 物理概念： 光的折射现象：根据费马原理，当光线在同一密度的均匀介质中传播时，光 的速度不发生改变，光线沿直线传播。当光线由一种介质斜入射进入另一种密度 不同的介质时，光的速度会发生改变，光线行进的方向也会发生弯折，产生光的 折射现象。 自聚焦透镜：Gradient-index (GRIN) 是利用径向渐变折射率玻璃材料制成的。其工作原理是：当光线通过渐变折 射率玻璃材料传输的时候，光线会自动往折射率较大的方向弯折 （弯曲），随着 这种弯折的不断延续，光线在这种以中心轴线为最大折射率，沿径向逐渐减小的 柱状透镜中，会按一定的周期呈正弦曲线传输，自聚焦透镜跟传统的光学透镜功 能是相同的，如图1.所示。 图1. 自聚焦透镜 海市蜃楼：有时地表的空气并不是一个均匀的介质，密度随高度变化，导 致了折射率的不同。当光线穿过不同的空气层时，会引起折射，导致光线弯曲。 一个常见的例子就是夏季柏油马路表面引起的海市蜃楼现象。柏油马路因路面颜 色较深，夏天在灼热阳光下吸收很多热量，散热时造成路面上的空气的密度梯度， 使穿过空的光线发生了弯折，使地面物体成像，形成蜃景，如图2.所示。 图2.柏油路面海市蜃楼成因 研究问题：热的空气如何使光线发生弯折。 实验器材：激光笔、三脚架、绳子 （较长，50 英尺约150 米）、泡沫板、卷尺 模型建构：将一定高度的空气层等间隔分成不同的区域进行数据测量 实验操作： 1）将激光笔固定在三脚架上用来瞄准路面上的海市蜃楼； 2 ）由于可逆性原则，激光的光束沿着海市蜃楼光线的路径行进； 3 ）将激光笔发出的激光斑点放置在预先标记的水平位置并记下它的位置坐标； 4 ）用泡沫板制作的屏观察激光斑点的位置，并用卷尺测量记下它的高度； 5 ）用一根50 英尺的绳子来预先标记激光斑点的水平位置，这种办法我们认为比 用GPS 定位系统更准确。 数据分析： 通过上述的测量数据进行空气折射率的确定。 1）将数据进行拟合成二次曲线； 2 ）将人为分割的路面上方的空气层看作是由不同的薄层组成； 3 ）每个薄层内与指定路径相切的直线被看作入射到下一个薄层界面； 4 ）接下来在薄层的界面应用折射定律求出下一个薄层空气的折射率，如图 5.所 示； 5 ）重复上述的计算，直到求出光线的最终路径，如图4.所示； 图3.实验数据及拟合曲线 图4.空气折射率与高度的关系曲线 6 ）假设光线行进的初始点为一个给定的值，该假设确定了垂直轴的刻度； 7 ）该结果为与高度有关的空气的折射率，如图4.所示。 建立模型：空气折射率模型的建立。 图5.薄层界面处的折射定律 图6.将空气分成薄层进行研究 1）空气的折射率与空气的密度有关： r = b(n -1) 2 ）将光线行进的空气分成薄层进行研究，如图6.所示； 3 ）在垂直高度y 的薄层是与温度T(y)有关的理想气体，有 N P = = r V k T( y) B 4 ）如果温