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自由落体运动之虚拟实验

2008-12-19 14:12 by 生化老师

URL: http://www.seed.slb.com/en/scictr/lab/galileo/index.htm

自由落体运动

物体只在重力的作用下，从静止开始下落的运动叫自由落体运动。

虚拟实验

在应用虚拟实验配合物理教学，在互联网均有不少网站提供相关虚拟实验致教师使用；其中包括PhET物理教育模拟实验网站及台大物理教学示范实验教室。

就以自由落体运动为例，有没有想过以伽利略的角色于比萨斜塔做了著名的自由落体试验？我们只需进入Galileo Drops the Ball的网址；便能有效的展示及令学生体会到这试验原理，不单增加学习趣味，更使学生是认识到科学探究背后的理论及历史。

透过虚拟实验，能有效整合资讯科技及科学实验教育，教师能展示及分析实验之详细理论，又能让学生尝试操作，协助提高学生探究及理解能力。

当然，在虚拟实验示范后，亦需由学生亲手操作实物，才能提升他们对科学实验兴趣。

e.g. The “Learning”Tower

URL: http://www.nd.edu/~ysun/Yang/PhysicsAnimation/collection/freefallP.swf

自由落体运动 (知识增润) <引用自http://baike.baidu.com/view/600.htm>

伟大的物理学家伽利略用简单明了的科学推理，巧妙地揭示了亚里士多德的理论内部包含的矛盾。他在1638年写的“两种新科学的对话”一书中指出：根据亚里士多德的论断，一块大石头的下落速度要比一块小石头的下落速度大。
假定大石头的下落速度为8 ，小石头的下落速度为4 ，当我们把两块石头拴在一起时，下落快的会被下落慢的拖著而减慢，下落慢的会被下落快的拖著而加快，结果整个系统的下落速度应该小于8 。

但是两块石头拴在一起，加起来比大石头还要重，因此重物体比轻物体的下落速度要小。这样，就从重物体比轻物体下落得快的假设，推出了重物体比轻物体下落得慢的结论。
亚里士多德的理论陷入了自相矛盾的境地。伽利略由此推断重物体不会比轻物体下落得快。伽利略曾在著名的比萨斜塔做了著名的自由落体试验，让两个体积相同，质量不同的球从塔顶同时下落，结果两球同时落地，以实践驳倒了亚里士多德的结论。
伽利略认为，自由落体是一种最简单的变速运动。他设想，最简单的变速运动的速度应该是均匀变化的。但是，速度的变化怎样才算均匀呢？他考虑了两种可能：一种是速度的变化对时间来说是均匀的，即经过相等的时间，速度的变化相等;另一种是速度的变化对位移来说是均匀的，即经过相等的位移，速度的变化相等。伽利略假设第一种方式最简单，并把这种运动叫做匀变速运动。

相关互动教材

自由落体 - 专题 - 物理廊

START Investigate Free Fall Motion Definition

http://www.seed.slb.com/en/scictr/lab/index_virtual.htm (Science Lab | Virtual Lab)

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网站推介—PhET物理教育模拟实验网站

2008-11-03 01:19 by 生化老师

在美国科罗拉多大学设立了一个能充分协助物理化学老师、家长或自习学生，于计算机进行在线即时模拟实验的科学网站，PhET ( http://phet.colorado.edu/ )。

美国科罗拉多大学设立了PhET(Physics Education Technology )计画，顾名思义是提供辅助物理教育的模拟技术网站。老师可以在课堂透过计算机很轻松的即时以计算机进行模拟实验，想要建构个直流电路，屏幕上直接拉出想要的各式电子元件，即刻凑个电路，证明电阻与电流关系。虎克定律也可以轻轻松松的以各种弹簧系数与摩擦系数的弹簧模拟简谐运动。

PhET网站

URL : http://phet.colorado.edu/

PhET网站现有的模拟实验项目计有70余项，物理范围涵盖：运动学，声波，能量、功与功率，热与温度，量子现象，光与辐射，电、磁与电路；其它尚有生物、化学、地球科学与数学的模拟实验。

应用有效模拟实验，能使学生们更能够掌握抽象的科学理论及公式，提升教学成效；各国教师更就平台模拟实验设计了不少教案及教学应用，值得各物理及科学教师增润参考。

作者：HCC转载及修改自科景网站 ( http://sciscape.org )

刊登于 3.课程资源, a.必修部分, b.选修部分 | 未有回应 »

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检举

神七出舱问天。漫步太空实现

2008-09-30 01:48 by 生化老师

在九月二十七日下午16:43分，神七太空人翟志刚在与刘伯明及景海鹏协作下，在茫茫太空中走出中国人的第一步，并展示中国国旗，象征中国航天科技迈向新领域发展和突破。

图片引用自http://hd.cctv.com/special/C22070/17/index.shtml

除实现太空行走外，翟志刚出舱后, 通过解锁提拉，把在飞船外的实验样品拿到手里，带回返回舱内。

当中的步骤看似简单，但实在却十分困难，以下为太空行走的网上片段:

引用自http://hk.youtube.com/watch?v=7W8U1KMm7Gc

固体润滑剂实验小百科:

实验的目的是为了把这些经过太空暴露的材料 (固体润滑剂)，带回地面的实验室进行化学研究，观察空间环境对材料的作用，同时还将把它们与地面进行模拟实验的材料进行对比。研究有关物料对抗紫外光的关系。

原来神舟飞船和航天员并不象是在电视画面中的静止状态，其实是在高速转动，一秒钟相对地球来说走八公里。但为什么在飞行时，看不到太空人翟志刚在加速飞行呢?

这都是由于惯性的关系。

但惯性是什么?

据牛顿第一运动定律，惯性是一切物体在不受任何外力的作用下，总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。

物体之所以保持静止或匀速直线运动，是在不受力的条件下，由物体本身的特性来决定的。物体所固有的，保持原来运动状态不变的特性叫惯性。物体不受力时所作的匀速直线运动也叫惯性运动。

在互联网上，亦有不少介绍惯性的物理现象短片，以下便是其中一些例子:

七个惯性实验:

引用自http://video.google.com/videoplay?docid=3493831395462934634&hl=zh-TW

有趣的FLASH动画::

故此，在神舟太空船高速运行时，太空人在舱外的速度也是达至相同速度的，故在神舟飞船的拍摄时，太空人与飞船均是在静止状态。

其实，早在三百年前，伽利略也曾经专研过这个问题，故牛顿曾经说过： “我是站在巨人的肩膀上才成功的。 ”这句话就是针对伽利略的。所以牛顿概括了前人的研究结果，总结出了著名的牛顿第一定律。
引用自http://baike.baidu.com/

以下为惯性与物理的一些发展历史:

力与运动

·         两千多年以前，人们开始注意运动与力的相互关系

·         亚里斯多德认为没有力的作用物体就要停下来

·         伽利略认为物体一旦有了速度，除非有外力作用不然速度不会改变。

·         牛顿把伽利略的结论加以延伸

牛顿第一运动定律：若物体不受外力作用或所受外力和为零，则静者恒静，动者恒作等速度直线运动。

延展阅读:

在太空里，航天员在飞船上时，能坐享其成拥有这个高速，而在太空微重力条件，无动力的飞行状态下，即便宇航员脱离飞船被“抛入”太空时，他依旧能够靠惯性运动，继续享有这样的高速绕地球运动，因此相对于地球，宇航员太空行走的速度和他在舱内行走的速度是一致的。

（据“金陵晚报”报导）引用自http://www.hljnews.cn/

相关网址:

1. 惯性

2. 惯性、惯性现象案例- 惯性、惯性现象课件

3. 阿Samn的物理课本

4. 在初中课堂上教授惯性和反作用力的一些实验设计

刊登于天文资讯, 3.课程资源, a.必修部分, 2.和运动, c.物科探究研习 | 未有回应 »

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神七发射成功。中国创新里程

2008-09-26 02:35 by 生化老师

在九月二十五日九时十分，长征二号F型运载火箭点火，神舟七号飞船在酒泉卫星发射中心升空。透过不断的分段攀升，中国航天将达至前所未有的新一页。

图片引用自中国网 china.com.cn　

在火箭升空的一刹，透过逃逸塔等的分离,应用高速喷出热流的反作用力，带动火箭的推进力。这都是应用牛津第二及第三定律的成果。

图片引用自Tsiolkovsky rocket equation - Wikipedia, the free encyclopedia

但除此以外，火箭升空的背后，不能不提及有关主宰火箭运动最重要的方程序—Tsoilkovsky火箭方程。是于1903年由前苏联科学家Konstantin Tsoilkovsky所提出，方程指出火箭可获得的速度，纯綷由火箭本身的质量、携带燃料的质量及燃料的喷射速度决定。透过应用公式，便能准确计算火箭升空所需的速度及燃料质量等。

以下为Tsoilkovsky火箭方程的一些基本内容:

英文版:

Tsiolkovsky’s rocket equation, or ideal rocket equation is named after Konstantin Tsiolkovsky, who independently derived it and published in his 1903 work^[1], considers the principle of a rocket: a device that can apply an acceleration to itself (a thrust) by expelling part of its mass with high speed in the opposite direction, due to the conservation of momentum.

The equation relates the delta-v with the effective exhaust velocity and the initial mass and the end mass of a rocket.

For any such maneuver (or journey involving a number of such maneuvers):

where:

$m$ $0$ is the initial total mass, including propellant, in kg (or lb)

$m$ $1$ is the final total mass in kg (or lb)

$v$ $e$ is the effective exhaust velocity in m/s or (ft/s) or

is the delta-v in m/s (or ft/s)

引用自Tsiolkovsky rocket equation - Wikipedia, the free encyclopedia

在解释有关火箭方程，互联网上有对此方程作深入浅出的讲解短片:

引用自(物理_火箭方程序 - AOL Video)

在相关火箭及其方程教学资源上，教育局和中大理学院提供了以下优质的教

材:

航天器动力系统 - 火箭引擎

地球与太空

各教师亦可制作简单的火柴火箭，使学生更易理解有关方程及原理。

可参考专题活动：火柴火箭

随中国航天技术发展，有关技术亦将不断提升，有科学家亦提出应用天梯进行太空探索，令人们能更快奔向天际。

图片引用自<Space elevator>

相关资料及延展读:

Space elevator

Ideal Rocket Equation

物理教案－火箭

下载文件档资源

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卷标：天梯, 火柴火箭, 火箭, 神舟七号

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不一样的伽利略

2008-09-23 01:50 by 生化老师

物理电视导赏: 从《神探伽俐略》中看物理

日剧《神探伽利略》已于本星期日在香港电视台播出,当中剧集的背后,引用了不少物理及科学的例子,故除欣赏这精彩节目之余,向学生推介,及引起研究科学及物理的兴趣。

不一样的伽俐略

在物理及天文学的历史上, 伽利略是一个举足轻重的人物,而在来年国际天文年是纪念伽利略把望远镜指向天际四百年,从而开始探索宇宙的新理程。更多关于伽利略的资料可参伽利略·伽利莱 - 维基百科，自由的百科全书。

引用自http://wwwz.fujitv.co.jp/galileo/

引用自大人の科学.net

节目简介

《神探伽利略》根据东野圭吾侦探小说改编而成，主要讲述天才物理学家汤川学和热血女警内海熏一同解开谜样的犯罪案件的故事。

以下便是本星期的节目内容:

第一集 人体自燃

可参阅日本伽利略 http://wwwz.fujitv.co.jp/galileo/

深夜中某处发生了人体自燃案件，警方迷惑不解，不知人是怎么突然燃烧起来的。怪才科学家物理学科准教授汤川学，经过调查、取证，判断犯人是利用CO2激光射线经过多角度反射击中人体致人燃烧死亡。

在剧集中提出的实验理论,不少与物理及科学知识相关。以下的课题便是一些值得延伸学习的知识。

LASER (激光)及 CO2激光射线 (LASER)

一般认为激光可能只是集束的能量光束,但这也许并不够具体说明激光名称的由来,对应它的名称,或称为激活的光束更加贴切。

在高中物理的内容中,正好解释了激光如何运作。

激光的英文名称为Laser，全称Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是「通过受激辐射线的放射达到光的放大」，指通过受激辐射放大和必要的反馈，产生准直、单色、相干的光束的过程及仪器。

主要部件
1. 活跃雷射介质 (如二氧化碳)
2. 光泵浦能量
3. 高反射率反射镜
4. 输出功率耦合器
5. 雷射光束

例子:二氧化碳雷射器：波长约10,6 μm （红外线），重要的工业雷射。

引用自www.wensh.net

何谓受激辐射?

基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大” ，简称激光。

http://baike.baidu.com/view/684703.htm