Posts

这是 Andrew Ferstl 发表在 2024 年 12 月《The Physics Teacher》的一篇论文。 这篇文章描述了对于连续分布的电厂用模拟替代实验的教学过程，并用 PhET 模拟值和理论值进行比较。 教学活动如下： 练习创建积分，以计算连续电荷分布周围的电场； 在模拟器上构建一个电荷分布； 计算电荷分布周围特定位置的电场，并通过模拟检查计算结果是否正确； 找出电荷分布的特征，便于理解。 理论推导有限长带电直导线在轴线方向的电场强度 $$ E_t = \int_{0}^{L} k\frac{1}{(s+u)^2}\frac{Q}{L}du = kQ\left [ \frac{1}{s(s+u)} \right ] $$ 假定杆长度 $L = 150 \pm 2 cm$，杆上带电 $Q=9nC$，距杆子轴线 $s= 150 \pm 2 cm$ 处的电场强度为 $18.3N/C$。 用 PhET 绘制电荷分布， 并测量轴线某点的电场强度，理论和模拟值如下表所示 教师还可以让学生从对称的角度思考，在 PhET 模拟中测量对称位置的电场强度大小，如下图所示 在完成带电杆子轴线方向的电场问题后，教师可要求学生通过模拟预测和比较其他几何图形的电场，如有限带电棒的垂直平分线处的电场、均匀带电半圆中心的电场、半正半负带电棒的电场以及其他一维电荷配置的电场。 ...

这是 Carlos Daniel Frazão; Wellington dos Santos Souza 发表在 2024 年 10 月《The Physics Teacher》的一篇论文。 这篇文章研究了用智能手机测量亚克力板（丙烯酸塑料）的光学特性，探究了光学基础概念和学生日常生活之间的联系。 根据以下方程可以得到光学反射率 $R$ 和透射率 $T$： $$ R = \left( \frac{n_1-n_2}{n_1+n_2} \right)^2 $$ $$ T = \left( \frac{4n_1n_2}{(n_1+n_2)^2} \right)^2 $$ 其中 $n_1$ 是入射介质的折射率（一般为空气），$n_2$ 是材料的折射率。实验上，透射率也可以写作 $T = I/I_0$。光传输受到介质折射率的影响，因此公式可以写为 $$ n_2^2 + 2 \left( 1-\frac{2}{\sqrt{T}}\right)n_1n_2 + n_1^2 =0 $$ 使用两部智能手机作为光源和测试，实验装置如图1 所示。 使用四种不同厚度的亚克力板。借助手机上的 Phyphox 光学模块，测量界面和光照强度如图2 所示。 不同厚度亚克力板放置位置和透射系数的关系如图 3 所示。 实验结果得到平均透射系数 $T \approx 0.928 \pm 0.011$，和文献中给出的数值有 3.2% 的误差。实验得到亚克力板的折射率均值为 $1.47 \pm 0.10$ 。本文给出了不同于传统教学活动的的另外一种学习、讨论反射、折射、投射概念的方法。 ...

这是Francisco M. Muñoz-Pérez, Juan C. Castro-Palacio, José Guerra-Carmenate, Miguel E. Iglesias-Martínez, Pedro Fernández de Córdoba, and Juan A. Monsoriu 发表在 2024 年 09 月《The Physics Teacher》的一篇论文。 传统RC、RLC 电路是用信号发生器产生电路的输入信号，再用示波器测量电压。这边文章描述了将信号发生器连接 LED，LED 将电信号转换为光信号发射到太阳能板，通过太阳能板接收的电压来演示电路特性，提升了学生对简单电路的兴趣。 LiFi （Light Fidelity，光照上网技术，利用可见光实现互联网通讯）通讯具有高带宽（其带宽比起广播至少可以携带1000倍以上的数据）。把信号发生器变成LiFi 装置，LED 既可以用来照明，又可以传输信号。 如图1 所示，将信号发生器连接 LED 灯，太阳能板的正负极连接示波器。 设置信号发生器的波形为 方波、正弦波，则太阳能板接收到的光转换成的电信号也为方波和正弦波，如图2 所示。 还可以将LED 连接方波发生器，把太阳能板当作 RC 电路的电源，示波器连接电容器两端测量电压，如果3 所示。 最后论文中将手机的声音接口连接 LED，将声音信号转换为光信号，使得 LED 发光；太阳能板连接喇叭，则当手机播放音频时，该装置可以将声音信号（输入） - LED 光信号 -（传递）- 太阳能板光信号 - 喇叭声音（输出） ，如图4 所示。 ...

这是 Karina E. Avila, Steffen Steinert, Stefan Ruzika, Jochen Kuhn, Stefan Küchemann 发表在 2024 年 09 月《The Physics Teacher》的一篇论文。 像 ChatGPT， ChatGPT-4.0-Turbo 等多模态聊天机器人在教育领域的出现，为物理老师改善教学方法提供了独特的机会，可以用于生成内容并与学生互动，提供学生的形成性评价。但将大语言模型（LLM）整合到课堂教学和常规的训练，并不容易——输出结果不一定可靠，需要编辑好提示词 Prompt。此外，现在学生会把问题复制到聊天机器人中来获得答案，而不是自己解决答案。 这篇文章使用了 LEAP 平台作来帮助教师教学。 问题设置部分，将 LLM 充当中间人角色，将学生的答案输入给 LLM，LLM 根据教师提前设置好的提示词 Prompt 作出回应，并反馈给学生。 按以下步骤设置： 设置任务名称：设置问题名称； 问题准备：教师可以准备问题，可以是图片、视频、数学公式、链接等； 设置提示词：教师需要准备提示词——他们想让 ChatGPT 如何帮助学生得到答案。 设置正确答案：教师准备关于该案例的正确答案。 一旦任务设置好，就可以把链接分享给学生以供其学习。 [思考]： 使用 AI 助力课堂教学，教师可以设置相关的视频、阅读材料、前置知识，预先准备好提示词和答案，可以帮助学生个性化学习，获得相应的答案，做到了以学生为中心的学习；同时，这种学习方式可以作为课堂教学的有效补充，进行额外的探究。 如果有兴趣的老师，我们也可以试着研究下如何做一个类似的网页，公开课、项目可能都能用得到。:) 原文链接：https://doi.org/10.1119/5.0227132

这是 Steffen Steinert, Karina E. Avila, Jochen Kuhn, Stefan Küchemann 发表在 2024 年 10 月《The Physics Teacher》的一篇论文。 像 ChatGPT 的人工智能可以用在物理教育领域，创建物理问题并指导学生的探究式学习，学生通过解决问题来主动构建知识。这篇文章演示了学生使用 GPT-4 ，可以自我评估并解释在铁丝中施加电流后的现象和原因，构成探究式学习中“预测-观察-解释”的步骤。 文章在网页上演示了探究式学习步骤。 演示链接如下： https://ai4physed.physik.lmu.de/LEAP/english_example/Current_carrying_wire 教师提前写好答案的提示词，网页接好 ChatGPT 的 API。文章呈现的是一个实验：电源连接了 0.5mm 厚的铁丝，电压表测量铁丝两端的电压，网页上有两个文本框，一个是学生用来输入答案的，另一个是 GPT 根据教师设置好的提示词给出的答案，如图 1 所示。 任务 1. 猜想 在任务1中，学生根据题目论述、图片、视频等写出自己的猜想。GPT 提示词应该设置为中性，对学生的论述不做肯定、否定的评价。 任务2. 观察 学生根据视频，观察实验现象，并在文本框里写出观察到的现象。 GPT 提示词鼓励学生得到正确答案。如果答案不正确或者不完整，GPT 会建议重新观看视频。 视频中，通电铁丝会发光、膨胀 任务 3. 解释 在任务 3 中，学生需要根据电阻、能量转换、热膨胀等词，解释实验现象。 可以通过 GPT-4 在提示中提供准确的信息和指令来促进探究式学习，为每个学生提供即时反馈，从而使教师无需纠正每个学生的答案，提升了学生的教育体验。 我在网页上找到了几个案例，以供参考 ...

这是 Athanasios Gkourmpis 发表在 2023 年 12 月《The Physics Teacher》的一篇论文。 这篇文章主要使用了 Arduino Uno 板结合 BMP 280 气压传感芯片验证气体实验定律。 Arduino 微控制芯片由于其低成本和快速精确测量的优点，越来越多的物理实验室在使用 Arduino。其庞大的社区资源使得学生几乎可以自学，在学习过程中，学生还可以获得 STEM、自动控制、机器人等项目的技能。 文章使用的 BMP 280 气压传感芯片可以测量温度和大气压的数值，进而验证理想气体状态方程，如图1 所示。 气体实验定律分为三个： 波义耳定律 $PV = C$，等温定律 盖-吕萨克定律 $P/T = C$，等容定律 查理定律 $V/T = C$， 等压定律 在 BMP 280 气压传感芯片引出四根杜邦线，分别链接芯片的 VCC，GND，SDA 和 SCL 引脚，如图2 所示。 从针筒橡皮活塞处穿过并密封好，如图 3 所示。 在 Arduino IDE 中编写程序并进行测量。 1. 等温变化 ...

这是 Ricardo Coelho 发表在 2022 年 12 月《The Physics Teacher》的一篇论文。 阿特伍德 (Atwood) 在 1780 年发发明了阿特伍德机以用来观察下落物体的运动。该装置可以通过研究下落物体来计算当地的重力加速度，且具有一定的教学意义。而 波根多夫 (Poggendorff) 研究了 阿特伍德机，测量了该装置在静止时和运动时的重力，验证了该装置在运动时的等效重力会减小。 波根多夫实验包含了一个杠杆，一侧是阿特伍德机，另一侧是配重，如图1 所示。 当阿特伍德机开始运动时，杠杆是否会平衡，会往哪一侧倾斜？ Cintra do Prado 用图2 的装置测量了静止和运动状态下阿特伍德机的重量。 也有作者使用了力传感器验证了该实验。 这篇文章将两个 PASCO 的力传感器当作阿特伍德机的配重进行了研究，如图4所示。 实验数据如图 5 所示。 在图 5 中，2.8秒前，两个物体（红色和蓝色）处于静止，质量分别为 $2.48 \pm 0.01 N$ 和 $4.41 \pm 0.01 N$。在 2.8-3.5秒内物体开始运动，绳子拉力近似相等为 $3.17 \pm 0.01$ 和 $3.19 \pm 0.01N$，阿特伍德机的等效重力近似等于两根绳子的拉力。 ...

这是 Carl E. Mungan 发表在 2017 年 01 月《The Physics Teacher》的一篇论文。 文章给出问题的情景：学生在探究城堡时发现城堡上有间谍孔，水平距离为 $x$，竖直距离为 $y$，学生想把鹅卵石扔进孔洞中，问抛掷的速度 $v$ 和抛掷角度 $\theta$ 的关系。 写出水平方向的位移 $x= vcos\theta t$，竖直方向位移 $y=(vsin\theta)t-\frac{1}{2}gt^2$，联立两式，消元 $t$，得到 $v$ 与 $\theta$ 的表达式： $$ v=sec \theta \sqrt{\frac{gx/2}{tan\theta -tan \phi}} -(3) $$ 其中 $tan \phi = y/x$。 我们一般联立上面两式，消元 $t$ 后，得到的是 $y$ 与 $x$ 的表达式，以证明运动轨迹为抛物线： $$ y = xtan\theta -\frac{gx^2}{2u^2 cos^2\theta} $$ 我们对 $v-\theta$ 表达式(式3) 对 $\theta$ 进行求导，得到在某个抛射角度下抛射速度的最值。能得到以下式子 $$ tan^2 \theta -2tan\phi tan\theta -1=0 $$ 上式的正根为 $tan\theta= tan\phi + sec \phi$，该正根可以求得 $\theta= 45 ^\circ + \phi/2$，此时得到最小的抛射速度为 $v = \sqrt{g(y+r)}$，其中 $r = \sqrt{x^2+y^2}$。 ...