置頂

物理與化學是很有趣的兩門學科,對我來說這兩類的學問幾乎就是許許多多有趣的遊戲。也許有人覺得物理與化學太專門或者太嚴肅,對這一點我想說得是:當你很喜歡這個遊戲的時候,你自然就會慢慢變得很專門,你也會很認真,甚至有時候會很嚴肅。
但是別忘了其中的樂趣,這些樂趣是吸引了許多人投入這個領域的極大誘因。 如果你喜歡這兩門學科那很好,請好好的玩它!如果你沒有那麼喜歡,那也無妨,你還是可以從中獲得一些樂趣。

2010年12月15日

失敗,也沒失敗的熱學實驗課



我常常會在奇怪的地方,把課程時間拖的很長。我自己都覺得很惶恐!以往在進行熱學課程的時候,我幾乎是不做實驗,或者單純就依照課本的實驗來進行課程。因為熱學實驗實在很難把變因控制好,所以常常得不到「漂亮」的實驗結果。但是今年的學生狀況比較好,加上我真的想把科學探究的精神融入教學中,所以今年就決定要勇敢的進行熱學實驗的課程。

加上學生的獨立研究課程慢慢進入到蒐集以及詮釋數據的階段,所以我就更希望藉由課堂上課的一些機會

就課本的實驗來說,並不難做,因為課本的實驗差不多只是比大小的定性實驗而已。然後就直接從定性實驗的結果跳到「正比」「反比」這樣定量的結論。然後就跑出來H=ms ΔT這個公式要練習計算。

其實以課本本身的設計來說,並不是真的要學生學會那些計算的東西,但是不知道為什麼測驗卷啦、段考啦都會考,然後老師通常也會教。

對大部分的國中生而言,這樣的程度當然很恰當。不過對於資優生來說,尤其對於要做實驗研究的資優生來講,這樣就不太夠。於是我就把實驗設計成定量實驗的課程,並且希望學生可以從分析變因開始著手,接著進行實驗、取得數據、分析數據。

雖然要學生設計實驗,但是卻不能太過發散讓學生從頭到尾都自己來,因為裡面有太多東西得要校正,沒辦法每一個細節都讓學生自己試誤然後修正。所以我決定了要用加熱板來做為熱源,並且先用水來做質量大小和溫度變化關係。其餘的實驗細節則交給學生去決定。這些細節包括了水量要多少?多久測一次溫度等等的。因為一次實驗有六組,所以就可以一次蒐集六個不同質量的水的數據來做比較。

接下來就是設計表格。這部份也不難,只要時間當做橫軸,水量當做縱軸就可以了。最麻煩的是實驗的部份,或說實驗中的控制變因部分。

第一、我們很難取得一個隔熱很好的系統,只讓熱進去水中卻不散失。當水溫越高時,散熱的速度就越快。這一點可以由牛頓冷卻定律來說明。再沒有很好的器材的情況下,要避開這一點,只能讓水溫和室溫差距在不太高的情況下蒐集數據。

第二、容器也會吸熱,這一點也無法避免。要解決這個問題,或許可以用大一點的燒杯裝多一點的水來解決,讓水與玻璃的質量差距拉大一點,減少這部份的影響。

第三、如果用的燒杯大一點,加熱板就不夠大,無法一次蒐集六組數據。當然一次蒐集一組或許是更恰當的作法,但是這樣又變成要花太多時間了。何況加熱板上面每個區域的溫度並不相同,一次蒐集六個數據其實風險還蠻大的。

總之就是一整個麻煩啊!!!!

最後學生做出來的數據,果然如預期的:不漂亮!

不過沒有關係,我們還是可以先用這樣的數據來練習使用試算表來處理數據。所以這一部分,我就讓學生要練習把數字輸入excel 之後,如何畫出一張時間-溫度的圖,並且用線性函數逼近實驗數據,接著思考斜率與截距的意義。

本來是應該先走到這邊,然後接著就可以開始討論那些看起來不太乖的數據可能產生什麼問題。如果時間充分的話,就認真的把問題解決看看數據會不會比較漂亮(符合我們的假設),如果不會就再思考,再改進。如果真的不行,就得回頭想想或許我們的假設根本是錯了之類的。有多少時間就做多少。等到時間差不多了,應該可以得到一些代表性的數據,再把那些數據引進來說明我們想說明的理論。這樣就比較像是把科學家經歷的歷程濃縮給小朋友走一遍。

但是我實在對熱學實驗太沒信心了,所以在看到數據很亂,加上我已經delay大概一個禮拜的課程了,所以就決定直接引進數位溫度計連接在電腦上蒐集數據。沒有讓學生針對可能出問題的變因做討論。也沒有好好的讓學生思考斜率與截距的意義(三組只有一組有人對斜率和截距的意義有感覺,其他我就直接告訴學生了)

接下來我就決定將比較漂亮的六組數據(包含四組不同質量的水和三組相同質量不同物質的溫度變化)給學生,讓學生做一個表格+圖+趨勢線與結果討論的小報告。(就是把講義第二張的部份做成數位的)希望禮拜五可以看到不錯的結果。

雖然實驗本身不好,還有太多地方要做調整。但是我告訴學生(也告訴自己)焦耳當初用了四十年的時間才搞定熱功當量的事情,我們才不過經過二十分鐘的失敗,算什麼呢?
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