探究物理学physics by inquiry

1、探究物理学前言：探究物理学是一系列基于实验的学习模式，这种模式将你循序渐进的(introduction)引入到物理和物理的科学中。经过深入研究简单的物理系统和它们之间的相互作用 interaction，学生能够获得最直接的科学过程的经历。从他们自己的观察出发，学生发展了基本的物理概念，使用和解释科学表述（representation）的不同形式，建构 explanatory 具有预见能力的解释模式。所有的模块已经被精心设计来发展学生的科学推理能力，并提供与真实世界相关的科学概念、表述和模型训练。探究物理学并不意味着被动的读。模块中并不像传统教材中提供所有的信息和推理，有一些桥梁必须由学生自己来架起。科学的过程不是通过读、听、背诵和解题学到的，有效的学习需要积极的脑力参与。探究物理学包括叙述、实验和练习以及补充问题。随着课程的进行，学生的笔记会变成了重要的资源。 叙述叙述是 double-spaced 双重功能，包括了事实的称述定义及各种学生期望的各种推理的实例。 实验和练习实验和练习插入到叙述中间要求学生即时完成的。 补充问题每个模块后面收集到的问题提供附加的训练学生物理概念和科学推理

2、应用能力。 学生的笔记学生应该保留笔记，其中包括记录观察的笔记、随堂作的练习及习题，也包括学生理解水平的反映。以这种形式，他们建立了一个indispensable complement 补充教材，并可作为独立学习的向导，是学习过程中必不可少的参考资料。目录物质的特性模块 A 物质的测量1. 质量2. 平衡原理3. 质量的测量4. 误差5. 操作性定义6. 体积7. 质量和体积的改变8. 质量和体积的区别模块 B 纯物质9. 质量和体积的比例推理10. 密度11. 密度测量12. 沉和浮模块 C 科学描述13. 质量和体积的图示法14. 代数表达式的解释15. 等号的解释16. 类比推理模块 D 固体在水中溶解17. 在水中溶解18. 溶液的溶解度19. 溶解度的变化20. 溶解度的测量21. 溶液的饱和22. 类比的应用23. 比例推理的应用模块 D 固体、液体和气体的溶解24. 液体中液体的溶解（Solution of liquids in liquids）25. 除了水以外的溶剂26. 气体在液体中的溶解27. 从溶液中萃取溶质物质的特性补充问题物质的特性模块 A: 物质的测量A

3、部分：物质的测量A 部分的学习重点是在实验室进行测量，它是构建质量和体积这一科学概念的基础。无论是测量的过程和还是在此过程中得到的数据对于建立清晰物理学术语都是非常重要的。第一节 质量实验 1.1用于这些实验的仪器应提前在教室中准备好或者有专职人员提供。与你的合作者一起组装一个天平。在你的笔记本中画出一个天平的草图，并标出各个部件的名称。用你组装的天平和实验桌上的物体作实验并且记录下你的实验结果。你的探究实验的可能的思想是:将物体放在盘中的不同位置有什么不同？如果你缩短或加长链子（那些盘子就挂在此链子上），结果又有什么不同？如果你调换两盘中的物体又会有什么不同？如果你另一个天平，结果会不同吗？调整你的仪器，使它看起来平衡，然后和你的合作者讨论“平衡”的含义。在你的物体放入天平的盘子之前，你的的天平看起来应是怎样的？试着给平衡下个定义。一定要记录下此时关于平衡的想法。往后你可以修正你下的定义。在你观察的那些彼此相互平衡的物体中有什么相似之处，在那些彼此相互不平衡的物体间你又发现了什么不同点？与实验老师核对你的想法。实验 1.2A. 拿两个物体，分别放在天平的两边。它们平衡吗？如果不平衡，

4、你如何使用天平对它们进行大小排列？再另拿第三个物体，通过天平，给它们三个做一个大小的排列。再添加一些物体，加入到上述的排列中。B. 找一些方形的螺母。拿出在部分 A 中排列过的那些物体，用这些方形螺母与它们平衡，一次与 A 部分中一个物体平衡。记录下结果。A 部分中的任意两个物体是否有相同数目的方形螺母与之平衡？如果是这样，如果那样，将物体和螺母互换位置，你又可观察到什么？取出 A 中与不同数目的方螺母平衡的任意两个物体，将螺母与物体互换位置你会观察到什么？你如何使用这些方形螺母给 A 部分中的物体排列或排序？这次排列与A 部分的排列相比怎样？在这些实验中，我们发现一个物体与方形螺母平衡的个数告诉了我们关于这个物体的一些有用信息。如果两个物体与相同数目的方形螺母平衡，那么它们两个之间也是相互平衡的。如果其中其中一个物体平衡的方形螺母数目比另一个多，那么它们之间是不相互平衡的。我们称平衡一个物体所需方形螺母的数目为此物体的质量。在接下来的实验和章节中，我们在从更多的细节方面来探索关于质量这一概念（idea）。实验 1.3A 拿两个相互不平衡的物体。你如何使用你的天平测出一个物体比另一个物

5、体的质量多多少？B 拿两个与不同数目的方形螺母平衡的物体。关于这些物体的质量，你能说些什么？你如何测出其中一个物体比另一个物体的质量大多少倍或小多少倍？与实验老师核对你的答案。实验 1.4为了做实验，你需要找一些衣夹。想象一下另一个班中的学生用衣夹代替方形螺母作他们的实验。A. 另一个班中的学生已经发现他们的某一本书与 6 个衣夹平衡。那么这个班中的学生会对这一问题给出些什么答案：这本书的质量是多少？在衣夹和方形螺母中选择一种方法，回答下列问题：如果你使用方形螺母来测这本书的质量，那这本书的质量是多少？给出你的理由。除了方形螺母，衣夹外，再列出一些能用来称量这本书的质量的物体名称。如果用这些物体测质量，这些物体必需具备什么性质？B. 使用方形螺母，测量下列物体的质量是多少？（1） 一个能与 4 个衣夹平衡的鸡蛋；（2） 与 15 个衣夹平衡的一株植物；（3） 一个质量是 15 个衣夹的植物；（4） 一个质量是 30 个衣夹的一杯水。C. 另一个班中的学生测出下列物体的质量分别是多少？（1） 一只老鼠，与 10 个方形螺母平衡；（2） 一个茶杯，与 4 个方形螺母平衡；（3） 一只质量为

6、 100 个方形螺母的鞋子。向实验老师解释你的理由。第 2 课 平衡原理实验 2.1你如何使 6 个方螺母与三个方螺母相平衡？如果你需要额外的材料请与实验员联系。实验 2.2在这个实验中你将会用到：回形针若干，天平（在第一课中用到的那种）10 个同样的方螺母，你要检查并确保所有的螺母具有相同的质量。将天平的托盘移去。在这一课中不要再将物体放于托盘中，而是用回形针直接将物体悬挂于天平横梁上。A、分别将不同组合的砝码用回形针挂在天平横梁上。有些组合不会平衡，有些组合会平衡。在笔记上记录两种类型的组合。B、完成你自己的实验后回答以下问题。看你能否为你的组员提出其他问题。你能使 1 个方螺母与 2 个方螺母相平衡吗？将两个方螺母放置于天平右边同一位置，另两个方螺母天平左边不同位置你能使他们平衡吗?多少个回形针与一个方螺母相平衡？你能使不同数量的回形针与一个方螺母相平衡吗？如果能，你最少能用多少个回形针与一个方螺母相平衡？在天平一侧挂一个方螺母，在天平另一侧你最多能挂多少个方形螺母与之平衡？将几个方螺母直接挂到横梁的孔上与将这几个方螺母串起来挂到横梁上有区别吗？C、考虑一下相互平衡的方螺母和纸夹

7、子组合。改变什么因素会影响到天平两边是否平衡？改变什么因素不会影响到天平两边是否平衡？每种情况都尽可能多的举出不同的因素。实验 2.3A、在试验 2.2 的 C 部分中，你列出了一些影响两个物体平衡的因素。从中选出一条来，设计并进行实验，证明这一因素是否确实能影响两物体之间的平衡。在笔记本上记下你的实验过程和结果，以备以后查询。在笔记本上描述或草图表示整个平衡实验过程。同时解释你如何从实验中得出你所实验的这一因素确实能够影响物体之间的平衡。B、从你列出的不能影响两个物体平衡的因素中选出一条，设计并进行实验证明这一因素是否确实不会影响两物体之间的平衡。在笔记本上写出你的实验计划。包括草图和实验描述整个平衡过程。并解释你如何从实验中得出你所检验的这一因素确实不会影响物体之间的平衡。练习 2.4 A、思考下面两个同学的讨论同学 1：我原来将我的番茄苗放在屋里的窗台上。后来我将它们移到了外面的花园里，他们长得不如以前了。肯定是温度的改变影响了他们的成长。同学 2：你不知道，有些其他因素也可能影响它的成长。你赞同那个同学的说法?解释你的理由。如果你同意同学 2 的说法，说说第一位同学应该改怎样进

8、行操作才能验证温度是否影响番茄的生长？B、根据本练习 A 部分中两位同学的讨论，返回到实验 2.3 中的 A 和 B 部分，如果同学 2 的理由能够应用于你的任何一个实验，则提出一个不同的验证你想法的方案。与实验员讨论你的实验。实验 2.3 中运用的推理方法叫做“控制变量法”。大体上说，变量就是一个可能影响实验结果的因素。在一个实验中可能会有好多变量：形状、质量、悬挂物体的洞孔等等。如果一个物质的组合不能够达到平衡，有可能没有办法指出究竟是哪个变量造成了这种不平衡；几个变量可能会同时影响到他们的平衡。假设我们将两个物体挂在天平两侧的同样距离处，但是一侧的横梁要低于另一侧。这并非是因为天平两侧悬挂物体的孔不一致造成的，因为天平两侧孔的位置是严格一致的。注意我们不能排除或改变，因为除去一个变量是没有必要的，只要保持天平两边的变量一致就够了。或者说即使一个变量的确对平衡有影响，但是他对天平两侧施加相等的影响，则这个变量也不会造成天平两侧的任何变化。实验 2.5进行实验确定你在实验 2.2C 部分中所列的变量是否真的能或者不能对平衡有所影响，一定要讨论在实验中如何运用控制变量法。（如果你已经进

9、行了合理的实验，则以控制变量法的观点来讨论一下这些实验。）实验 2.6A、在天平左边挂一个方螺母，你觉得你应该将另一个方螺母挂在哪里才能使天平平衡？悬挂方螺母使天平达到平衡的位置有 1 个还是有多个？核实你的预言是否正确。保持天平左侧的这个方螺母在原来的位置。你能在右侧挂 2 个方螺母使天平平衡吗？有几种方法可以做到。天平左侧的这个方螺母你能用 3 个方螺母使天平平衡吗？天平左侧的这个方螺母你能用 4 个方螺母使天平平衡吗？B、在天秤左侧挂两个方螺母，预测一下你在右侧挂一个或多个方螺母使天平平衡的不同方法。检验你的方法。记录下每一组组合以及他们达到平衡与否。C、试给出更多的预言，检验他们是否是正确的，并记录实验结果。D、你能够发现能够解释每一组平衡的方螺母组合的任何图式吗？写下你的想法来，这样你就可以根据他们来继续你此节中的工作。是采用你的想法来预言下面的实验。向实验员核对你的想法。实验 2.7A、预言一下以下的方螺母组合能否达到平衡。然后实践一下下列组合检验你的预言。(1) (2)(3) (4)(5) (6)B、在下面的例子中，你在哪里可以加一个方螺母能使天平平衡。(1) (2)(3) (4)实验 2.8A、一个同学在天平两端各放了四个方螺母，你能否说说天平的两端是否会平衡。如果你知道天平两侧的物体的质量，你能否判定天平是否会达到平衡？B、一个同学在天平两侧的第四个孔各挂了若干方螺母你能否说说天平是否会平衡？如果你只知道天平两侧挂方螺母的位置，你能不能断定天平是否会达到平衡？在先前的实验中你会发现质量和位置都会对天平衡量的平衡产生影响。而仅仅知道其中之一是不能断定天平是否会达到平衡的。实验 2.9列出两个清单，一列列出在你先前的实验中能够使天平平衡的组合，一列列出不平衡的。试图发现一种简短的描述能概括每一个组合，这样就不用每个都画图示了。仔细检查你的清单，尝试列出能够决定是否平衡的数学表达式来。你的数学等式与你在实验 2.6 中的做法一致吗？向实验员核对你的结果。实验 2.10找出两种不同的方法，悬挂以下给出的这些质量组合，使系统达到平衡。用上给出的所有方螺母。这些方螺母挂在这边 这些挂在这边检验你的每一个组合，是否达到平衡，和是否符合你

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