探索“双减”背景下初中物理科学探究课堂提质增效的有效策略——以“探究平面镜成像特点”为例

为了探索在“双减”政策背景下将新课标中科学探究四个要素高效融入初中物理课堂教学的方法,以“探究平面镜成像特点”为例,深度剖析课例实施过程中遇到的问题及相应的解决策略,进而提出对初中物理科学探究课堂进行“提质增效”的有效途径.

一种大口径平面镜支撑结构的仿真与实验

为提高600 mm大口径立式平面镜沿光轴旋转90°后的表面面型测量精度,对多孔支撑结构下5种不同材料的平面镜重力变形进行有限元仿真分析,并通过实验测量探究旋转后的静置时间对面型精度的影响等问题。结果表明,该多孔支撑结构下的平面镜表面由重力导致的轴向变形量不超过14 nm,满足精度要求。该多孔结构支撑的平面镜沿光轴旋转90°静置1 h后达到稳定状态,与静置2 h后的面型结果PV值仅相差0.337 nm,RMS值相差0.081 nm,实验探究了静置时间对面型结果的影响。研究发现,在至多去除6%外口径的条件下可以大幅降低平面镜表面面型PV值,PV值降低超过50 nm,由此提出一种制造大口径平面镜时通过设置支撑结构缓冲区以提高面型精度的方法,可以有效提高大口径平面镜的面型精度。

平面镜成像错误前概念的消除

平面镜成像来源于生活,是光的直线传播、光的反射两个知识点的具体应用。当学生初次接触虚像概念时,因其空间想象力较弱以及对“视角”概念理解的欠缺,对平面镜成像中的物像大小关系及物距和像距的关系常常存在着错误前概念。分析错误前概念的起源、常规探究实验遗留的问题,结合真实情境设计便捷、易于被学生所接受的测试方案,可以彻底地消除这一问题。同时,用“视角”原理解释“近大远小”的现象,有助于提升学生的核心素养。

基于科学思维培养的初中物理实验教学设计路径——以“平面镜成像”的教学为例

新课标要求物理教学加强学生探究式学习能力的培养,引导学生运用科学思维理解和认识物理现象。文章以“平面镜成像”的实验教学为例,深入探讨初中物理实验教学设计原则,以及优化完善初中物理实验教学设计的策略,以期加强学生科学思维的培养。

巧用数学定义探究平面镜成像

从实验方法和实验器材2方面对探究平面镜成像实验进行改进.改变实验方法,利用轴对称定义,简化了传统实验流程,减小了实验误差;改变实验器材,利用磁性材料,解决了平面镜与底座难以垂直的问题以及物点和像点的精准描画问题.改进后的实验装置设计合理、操作简便,适合用于演示实验教学.

科学探究能力培养策略——以“探究平面镜成像的特点”教学为例

科学探究作为核心素养的要素之一,不仅是一种学习方法,更是探究活动中学生展现出的思维和实践能力.以往的教学为了追求探究要素的面面俱到,往往忽略了每一环节背后能力的培养,使得探究活动流于表面.以“探究平面镜成像的特点”一课教学为例,阐述如何组织探究活动、协调诸多探究环节之间的关系,以实现长期培养学生科学探究能力的目的.

指向学生科学论证能力培养的教学设计——以“平面镜成像”为例

科学论证能力是学生在物理学习中不可缺少的部分,它的培养能有效提高学生的逻辑推理能力,在学生学习和生活过程中解决实际问题时,也有着至关重要的作用.基于此,以“平面镜成像”一课为例,研究指向培养学生科学论证能力的课堂教学设计,为一线教师提供可参考的教学案例.

聚焦科学探究 凸显育人功能——以“平面镜成像”为例

以鲁科版“平面镜成像”教学为例,创设情境,由前概念导入探究主题;激活思维,搭建认知脚手架;以实验为基础,化解知识难点。在日常的课堂实践中培养学生的核心素养,渗透物理学科的育人功能,实现素养目标的转化与实施。

指向科学思维发展的平面镜成像实验的改进教学

物理学是一门基于实验的学科,实验教学是物理教学中不可或缺的部分.实验教学的改进与创新能增加实验的趣味性,将实验更好地呈现.新课标明确规定,科学思维作为物理学科核心素养之一,在整个核心素养培养体系中起到承上启下的重要作用.平面镜成像实验是初中阶段学生必做实验之一,但是当前的实验教学未能在促进学生科学思维发展方面产生显著作用.通过指出传统平面镜成像实验中存在的问题,对平面镜成像实验器材进行改进,促进学生科学思维的发展.

全方位审视“探究平面镜成像特点的实验”

“探究平面镜成像特点的实验”是中考物理探究型实验的重点,可以说实验题要从目的、设计、操作、原理、结论等多个环节进行考查,能让学生从各个角度和方位去探究实验,要学会创设实验,经历科学探究,学生应以“知识发现者”的身份参与科学探究的过程,需要让学生在不同的情境中运用所学的规律来解释实际问题,提升学生解决实际问题的能力.

结合器材和实验方法改进的项目化学习——以“平面镜成像”教学为例

以初中物理“平面镜成像”教学为例,依据项目化学习的理论,开展以入项活动、知识与能力建构、探索与形成成果为主要内容的单课时项目化学习活动。同时分析了玻璃板、物体、支架等实验器材和对应点选取方法的改进原因、改进措施、改进后的优点,最后从实施单课时项目化学习的可行性和意义角度谈实践感悟。

基于平面镜的相机-显示器快速标定方法

针对基于计算视觉的镜面物体测量中相机和显示器的位置参数标定问题,提出了一种基于平面镜的快速标定方法。该方法使用显示器投射标定模板直接作为标定物,由相机通过平面镜的反射获得标定模板的图像,然后进行相机标定,可同时获得相机的内部参数及标定模板虚像在相机坐标系下的位置参数,最后根据平面镜成像的原理计算标定模板即显示器的实际位置。在标定过程中,平面镜可自由移动,而无需知道平面镜的具体位置参数。实验结果表明,该方法简单快速,同时具有较高的标定精度,满足实际测量需求。

高精度大口径平面镜面形角差法测试探究

研究了一种集高精度自准直仪与五棱镜于一体,采用角差法(角度变化量测试),实现大口径平面镜垂直状态下面形测试的方法.此方法的运用可实现对大口径平面镜面形的直接高精度检测,突破常规'以大测大'的高成本检测方法.本文阐述了测试装置的设计思想,对影响面形轮廓测试精度的因素进行了讨论.大口径平面镜面形的变化可通过其各点法线方向角度的变化量而反映出,采用高精度测试角度变化量的方法可计算获知面形轮廓状态.通过对大口经平面镜条带区域面形轮廓的测试原理分析,计算得出角差法(角度变化量测试)的测量不确定度.同时,由于对测试的高精度要求(纳米级),测试环境(温度、振动、气流扰动)也对测试结果有着不可忽视的影响,通过条带区域轮廓测试实验,对采样方式与环境影响进行了分析,从而得出在一定测试条件下,测量装置与环境对测量精度的影响程度,其测量不确定度可达到次纳米量级以上(扩展不确定度U=15.4～9.0 nm,取置信概率p＝0.99,包含因子κ＝3),基本满足测试需要.

基于高精度电子水平仪的平面镜水平调整方法

本文提出一种基于高精度电子水平仪实现平面镜反射面水平调整的方法,利用平面镜水平基准作参考进而实现激光干涉仪测量光束竖直方向准直的目的。利用该方法搭建的实验装置通过最短的传递环节将竖直轴向标准传递至平面镜反射面的水平调整上,建立数学模型证明了该方法可行性,并给出了仿真结果;通过实验及分析,本文搭建的实验装置竖直轴向标准精度小于28μrad,传递至平面镜的反射面上,实验得到平面镜水平倾角小于30μrad,从而实现一种平面镜反射面作为参考级水平基准的调整;最后设计实验应用于光束竖直方向准直调整,并实现与酒精液面参考的直接比对,实验证明本文搭建的平面镜水平调整装置与传统的酒精液面参考水平特性高度吻合。

基于激光干涉仪与自准直仪的平面镜轮廓高精度测量技术

基于三组激光干涉光路与一台自准直仪的光学扫描检测方法,开发可用于大尺寸平面镜二维轮廓的高精度测量技术。通过联立线性方程式与最小二乘法结合的计算算法,可得到平面镜二维轮廓的测量结果及整个测量过程的不确定度值。利用建模仿真整个测量过程,分析不同采样点数N下不确定度数值的变化趋势。此外,搭建基于高精度三坐标测量仪平台上的光学检测系统,试验果表明该技术成功实现对100 mm平面镜二维轮廓的测量,并可实现重复性测量精度在±20 nm范围内。通过与Zygo白光干涉系统结果的比较,该检测技术可以实现纳米级别的测量精度。

基于双平面镜三维成像的粗粒料形状特征分析

路基的强度和变形特性很大程度上取决于路基填筑所用粗粒料的几何形状特性,如级配、颗粒长细比和棱角度等。提出一种双平面镜成像结合计算机三维重建技术的粗粒料颗粒几何形状数据采集方法,开发相应的试验装置,实现粗粒料颗粒三维几何模型的计算机重建和几何特征的量化确定。通过对大量不同种类粗粒料的试验,并将得到的颗粒形状特征数据与人工实测值进行对比,提出基于计算机建模得到的粗粒料粒径、级配和体积等主要参数的修正方法,并讨论测试误差的产生原因和改进措施。结果表明基于双平面镜的三维成像方法可实现对粗粒料颗粒几何特征的快捷测定和定量化分析。

平面镜反射率的标定及修正

研究了用同步辐射源标定软X光掠入射平面镜的反射率。实验采用北京同步辐射装置（BSRF）-3W1B柬线及反射率计靶室，在50～1500eV能区，做了C，Si，Ni和Au材料平面镜在1^o～7^o掠射角下的反射率标定曲线。由于3W1B束线的单色器采用变间距光栅作色散元件，光栅分光必然存在高次谐波，高次谐波严重影响光源的单色性，从而给平面镜的反射率标定值带来误差。前置滤片虽然能有效抵制高次谐波，但不能完全消除高次谐波。为此，利用透射光栅对光源做了单色性研究，给出高次谐波在不同能区所占光源强度的比例，从而对平面镜反射率标定值做出修正。

平面镜半导体光束整形的设计优化与光纤耦合

本文在光纤耦合理论分析的基础上,采用平面镜反射整形方法对半导体准直光束进行重排,提出了应用于半导体光束整形的整形器结构表达式。针对慢轴发散角较大引起整形次数增加和多次反射易损耗的特点,分析并优化平面镜的结构参数,设计了整形次数为13次的平面整形器,使得半导体激光器快、慢轴方向的光束实现光参数积均衡。通过对整个光学系统的模拟和实验,表明采用该方法能够实现条阵半导体激光耦合进入芯径200μm、数值孔径为0.22的光纤中,耦合效率接近50%。

多种材料软X光平面镜反射率标定

利用北京同步辐射装置(BSRF) 3W1B束线及反射率计靶室,在束流强度40～120mA、贮存环电子能量2GeV专用光运行模式下,做了不同材料掠入射平面镜反射率标定实验。标定过程用高灵敏度无死层的硅光二极管代替X射线二极管(XRD)作探测器,使输出信号提高2～3个量级,可标定能区从150～270eV拓展为50～1500eV能区,对C,Si和Ni材料平面镜给出完整的反射率标定曲线,最终把实验数据与理论计算比对并分析。

条形平面镜聚光器设计参数的分析及优化

为提高条形平面镜聚光器的集光率及镜片利用率,推导出极限入射角时镜片间不遮挡的最小间距公式,建立数学模型,对各设计参数进行分析与优化。计算结果表明:镜片数目及宽度对聚光器尺寸及性能影响相对较小;极限入射角和接收器安装高度对聚光性能影响较大,极限入射角的设定也决定了聚光系统的运行时间和结构尺寸。以SunPower公司的背结聚光硅太阳电池组件作为接收器,对聚光器进行优化和光学模拟。模拟结果表明:电池表面辐照度分布均匀,平均为15.5kW/m2,系统发电功率可达2.65kW。