2022論壇/動手學科學/物質科學II

出自均優學習論壇共筆
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我們的目標是:完成一份涵蓋中學生與國民科普的動手學科學課程拼圖:

首先從物質科學著手,希望能在兩年內完成一份涵蓋 80~100 個「物質科學原理」的清單。以下是第 0.1 版的大綱,還很不成熟,須要很多輪的討論,才會具有可行性。

一、原子與分子

  1. 原子
    • 原子的概念
    • 原子核與電子
  2. 電子軌域
  3. 包立不相容原理
  4. 自由電子:
    • 金屬有導電的特性
    • 金屬有良好的熱傳性
    • 金屬具有光澤
  5. 波粒二象性
  6. 週期表
  7. 常見元素
  8. 化學鍵
    • 共價鍵
    • 離子鍵
    • 金屬鍵
    • 氫鍵
    • 凡得瓦力
    • 分子組合方式、形狀
  9. 常見化學反應
    • 氧化還原
    • 酸鹼中和
  10. 常見分子
    • 大分子
  11. 溶液
    • 電解質溶液
  12. 混合物
  13. 基本物理量
  14. 密度:遙控的浮沉子;Density_密度(PhET)

二、物質的態

  1. 從微觀到巨觀認識物質的態
  2. 三相圖
  3. 透明
  4. 壓力
    -----二-一、氣體-----
  5. 理想氣體方程式
    • PV=nRT
  6. 白努力定律:紙飛機、巧奪天工
    -----二-二、液體-----
  7. 浮力
  8. 非牛頓流體
  9. 超流體:無分子間的摩擦力
  10. 白努力定律
    -----二-三、固體-----
  11. 結晶
  12. 彈性
  13. 虎克定律
  14. 拉伸模量(楊氏模量)
    -----二-四、液晶-----
  15. 液晶
    -----二-五、電漿-----
  16. 電漿

三、能量

  1. 能量轉換:能量變變變
  2. 動能、位能:八仙過海
  3. 能量守恆:能量變變變;牛頓擺;Energy Skate Park_能量滑板競技場(PhET)
    -----三-一、熱力學-----
  4. 溫度:是粒子的平均動能
    絕對零度
  5. 熱平衡:
    • 比熱
  6. 反應速率與動態平衡
  7. 熵增原理:
  8. 熱機:如對空氣加熱後使空氣膨脹,帶動機械運轉

四、重力(萬有引力)

  1. 重力是什麼
    • 質量對時空的扭曲
    • 低速時:萬有引力定律 / 伽利略變換
    • 高速時或極大重力場:廣義相對論 / 勞倫茲變換,須尋求更準確的描述
  2. 重力的應用:啄木鳥、憤怒鳥、射紙牌、放手百元鈔

五、力與運動

  1. 位移、速度、加速度
  2. 動量與力:引進力的定義(dP/dt=F),應用如安全著陸
  3. 壓力
  4. 作用力與反作用力原理:八仙過海;飛行火箭
    • 動量守恆
  5. 力矩
    槓桿原理:倒與不倒;漂浮鐵鎚
  6. 省力機械與方便機械
  7. 重心:飛行火箭;倒與不倒、會排水的喝水鳥(分子間力)
  8. 角動量守恆:你儂我儂(無外力矩時)
  9. 自轉、進動、章動:你儂我儂(陀螺)
  10. 摩擦力:
    • 靜摩擦力
    • 動摩擦力
    • 黏性液體
  11. 虎克定律:壓縮彈簧

汰除:

  1. 接觸力 / 超距力:(近代物理用場取代超距力)

六、電與電路

  1. 電荷
  2. 電壓
  3. 電池
  4. 電流
  5. 電阻
    • 超導現象
    • 光敏電阻
  6. 電功率
  7. 基本電路:Circuit Construction Kit: AC_電路組裝套件:交流電(PhET);Circuit Construction Kit: AC - Virtual Lab_電路組裝套件:交流電 - 虛擬實驗室(PhET)
  8. 二極體
    • 半導體
    • 單向導電
    • 發光
    • CCD
  9. 電晶體
    -----六-一、電磁-----
  10. 電荷運動與磁力線:倒與不倒
    • 磁流體
  11. 冷次定律:磁煞作用
  12. 馬克士威爾方程式
    1. 法拉第定律
    2. 馬克士威-安培定律
    3. 高斯定律
    4. 高斯磁定律
  13. 電機
    -----六-二、電磁波(光)-----
  14. 波:聲波(PhET);Fourier: Making Waves_傅立葉:產生波形(PhET)
    • 波長 / 頻率(週期倒數) / 波速 / 波形
    • 都普勒效應
    • 駐波
  15. 電磁光譜
    • 波長與顏色
    • 雷射
  16. 干涉:光碟科學DIY;Wave Interference_波的干涉(PhET);量子波干涉(PhET)
  17. 色光三原色
  18. 視覺暫留:倒與不倒
  19. 反射:隱形玻璃
  20. 折射:顯微放大鏡;幾何光學及混合光經稜鏡色散再複合;Bending Light_光的折射(PhET)
    • 全反射與光纖
  21. 光學儀器:凸透鏡與凹透鏡:顯微放大鏡;Geometric Optics_幾何光學(PhET)

七、非線性

  1. 迭代與初始值敏感性
  2. 碎形
    • 非整數維度
  3. 費根鮑姆常數
  4. 混沌與結構
  5. 智群
    • 人類城市
    • 蟻群
    • 蜂群
    • 鳥群
    • 魚群

八、量子力學

  1. 基本粒子標準模型
    • 強力與弱力
  2. 雙狹縫實驗
  3. 波粒二象性
    • 互補原理
    • 波函數塌縮
  4. 能階
  5. 不連續
  6. 疊加原理:如量子態疊加原理
  7. 量子穿隧效應
  8. 量子纏結
  9. 量子去相干
  10. 不確定性原理
  11. 量子位元

九、相對論

  1. 等效原理
  2. 光速不變
  3. 勞倫茲變換
  4. 質能轉換
    • 質量守恆(v<<c)
  5. 質量造成時空彎曲
  6. 重力波


(播放離線影片)

專案簡介

(緣由介社,為什麼會想發起這個專案,一些背景資訊)
全民科學平台由遠哲科學教育基金會推動、信誼基金會贊助。丁志仁為本專案經理人,招集教師社群、編輯群,進行平台維護和活動上架。

引領科學教育新典範

全民科學平台未來將規劃一套完整的自然科學學習系統,短期內使用各區域科學教育館的資源,推廣、辦理實體公開課程;未來提供完整的自然科學探究與實作內容,提供老師授課時利用,並且得以視需求更改課程所需的內容。

動手學科學

動手學科學的四大理念

為避免目前同學學習科學時,腦中會自行建立「切換開關」的現象––進教室就採用上課模式,出教室就切換到生活模式,兩者涇渭分明的缺點,我們認為應該推動「動手學科學」的科學學習典範,並把握以下四個要領:

  1. 使用生活中的材料與現象來設計科普教學活動。
  2. 儘量讓學生動手做。
  3. 重視問題探究。
  4. 採用 CC 授權,允許使用者將教材改成現場需要的樣子。

並本於實體課程,開設的公開實體課程,以動手做科學、親子共學、生活體驗作為公開課核心精神。預計未來兩年,設計四組課程,共八十多個動手學科學活動上線,並將授課老師的教案上傳至全民科學平台維基頁,採用CC授權(姓名標示-相同方式分享)的方式釋出,以利未來授課老師取用教材且得更改課程所需的內容。

網站

http://science4everyone.net

物質科學I

2020年,第一次辦理全民科學平台動手學科學公開課【物質科學I】。

物質科學II

受到疫情影響,動手學科學【物質科學II】延後至2022年辦理。動手學科學【物質科學II】公開課共31位學員,涵蓋17個科學觀念,總計上架20個活動頁。

要解決的問題

  1. 找國內作科普的友人,一起去把中小學重要的科學原理整理出來
  2. 將「學習 / 認識」這些原理的動手學科學的活動全部「蒐集 / 設計」出來
  3. 導入學校教育,增加台灣科學教育「動手做」的比重,減少「應試教育」的比重
  4. 連結國內外的科普線上資源,共同營造一個動手學科學的友軍網絡