中学物理老师体验ChatGPT
媒体：物理与工程 2023-02-23 15:44
原创 胡剑 物理与工程
胡剑，男，清华大学物理学博士，现为深圳中学教师，主要从事高中物理教学和物理竞赛教学，研究方向为天体物理。
美国OpenAI公司研发的聊天机器人程序ChatGPT去年底公开发布，迅速火遍全球。人工智能技术给教育界带来巨大的机遇，同时也伴随着挑战。人们可以用ChatGPT进行内容创作、翻译、写代码、回复邮件等，也有学生用它完成作业和写论文，涉嫌学术欺诈和剽窃。作为教育工作者，我们可以用ChatGPT做什么？如何帮助中学物理教学？下面是笔者对ChatGPT的初体验，与读者分享。
问：你可以如何帮助中学物理教学？
ChatGPT：作为一个人工智能语言模型，我可以提供以下方面的帮助来支持中学物理教学：
1.解答物理学习中的基础问题：我可以回答学生们在物理学习中的基础问题，如物理公式的推导、物理概念的解释等。
2.提供物理实验的说明和指导：我可以为教师们提供物理实验的相关说明和指导，包括实验原理、实验步骤、实验注意事项等。
3.教学案例分享：我可以分享一些针对中学物理教学的教学案例，帮助教师们更好地设计课程和教学内容。
4.智能辅助答疑：我可以在学生们学习中出现困惑时，为他们提供智能化的答疑和解决方案。
需要注意的是，虽然我可以提供物理知识和教学资源，但我并不能取代真正的教师。中学物理教学需要丰富的教学经验和教育教学技能，而我只是一个自动化的语言模型，无法替代教师的角色。因此，在物理学习和教学中，教师仍然扮演着重要的角色，需要注重与学生的互动、引导和指导。
问：请给出一个角动量的教学案例
ChatGPT：下面是一个简单的角动量的教学案例：
主题：角动量
年级水平：高中物理
时间：1-2课时
目标：学生将了解什么是角动量，以及如何计算角动量，掌握角动量的基本概念。
教学步骤：
1.引入：通过举一些日常生活中的例子，让学生们了解角动量的概念。例如，当一个冰球选手旋转时，他的身体周围的旋转轴的角动量将发生变化。在这个例子中，学生们将了解什么是角动量、它的作用以及它是如何计算的。
2.角动量的定义：介绍角动量的定义，即L = Iω，其中L表示角动量，I表示物体的惯性矩，ω表示物体的角速度。
3.角动量的计算：教授如何计算角动量，即L = r × p，其中r是物体的位置矢量，p是物体的动量。通过一些示例来帮助学生们更好地理解如何计算角动量。
4.角动量的守恒：讲解角动量守恒定律，即系统的角动量在没有外部力矩作用时保持不变。通过一些例子，如物体碰撞、旋转等，来帮助学生们理解角动量守恒定律。
5.练习：提供一些练习题，让学生们通过计算来巩固他们所学到的概念。同时，为了帮助学生更好地理解角动量和角动量守恒，还可以设计一些探究性实验或案例分析，让学生们在实践中应用所学知识。
6.总结：对所学的内容进行总结，并强调角动量的重要性以及守恒定律在物理学中的重要作用。
通过这个简单的教学案例，学生们将能够更好地理解角动量和它的作用，掌握角动量的计算方法，并在实践中应用这些知识。
问：请给出几个角动量教学思考题
ChatGPT：
1.一个人站在旋转的平台上，手里拿着一个旋转着的轮子。他可以改变轮子的转速，让轮子在相同的时间内转动的角度不同。那么这个人在改变轮子的转速时，他的角动量是否守恒？为什么？
2.一个物体围绕着竖直轴旋转。当物体旋转时，它的角速度会不断减小，最终停止旋转。在这个过程中，物体的角动量是否守恒？如果不守恒，是哪些因素导致了角动量的变化？
3.两个相同的质点在保持一定距离的情况下，互相绕对方旋转。这个系统中的角动量是否守恒？如果是，为什么？如果不是，角动量的变化受到哪些因素的影响？
4.一个自行车轮子沿着地面滚动，它的前进方向与地面成一定角度。假设轮子滚动时不打滑，且速度不变，那么它的角动量是否守恒？如果不守恒，是哪些因素导致了角动量的变化？
5.一个质点在圆形轨道上做匀速圆周运动，轨道的半径逐渐减小，而质点的速度保持不变。在这个过程中，系统的角动量是否守恒？如果不守恒，是哪些因素导致了角动量的变化？
这些问题旨在帮助学生更好地理解角动量的概念和角动量守恒定律，并促使他们考虑角动量在不同情境下的表现和变化。
问：设计一个关于角动量守恒的探究性实验
ChatGPT：以下是一个简单的关于角动量守恒的探究性实验设计：
材料：
一个旋转椅
一个较重的物体（例如哑铃、小砖头等）
一个可旋转的支架
步骤：
1.把旋转椅放在平整的地面上，并让被试者坐在上面。被试者必须将脚放在地面上，以避免因失衡而摔倒。
2.在支架上放置一个较重的物体，然后让被试者将支架放在手臂上，手臂必须伸直，物体与地面平行。
3.被试者开始旋转椅，支架上的物体也会一起旋转。
4.让被试者缓慢地把支架向自己的身体方向旋转，同时观察旋转椅和支架的旋转速度是否发生变化。
5.让被试者缓慢地把支架远离自己的身体，同时再次观察旋转椅和支架的旋转速度是否发生变化。
6.可以重复几次实验，改变支架上物体的重量、初始旋转速度、旋转方向等变量，以探究角动量守恒定律的应用。
分析：
在本实验中，支架上的物体具有一定的角动量，而旋转椅和被试者也具有一定的角动量。根据角动量守恒定律，当被试者改变支架的位置时，旋转椅和被试者的角动量应该保持不变。如果实验中观察到旋转椅和被试者的角动量发生了变化，那么这可能是由于实验误差或未考虑到其他影响因素所导致的。通过实验的重复和结果的分析，可以更好地理解角动量守恒定律的应用。
问：解释一下花样滑冰运动员如何利用角动量守恒
ChatGPT：花样滑冰是一项利用角动量守恒原理的运动。在花样滑冰中，运动员通过旋转来展示优美的动作，这需要他们利用角动量守恒的原理。
当一个运动员在空中旋转时，他们的身体会具有一定的角动量。如果他们不做任何事情，那么他们旋转的速度和方向将保持不变。但是，当他们想要改变他们的旋转速度或方向时，他们必须施加一些扭矩或转矩。这可以通过改变身体的形状或施加肢体力量来实现。
例如，在一个单脚跳跃中，当运动员从冰面起跳时，他们开始了一个旋转，其角动量由身体的质量、速度和旋转半径共同决定。当他们在空中时，如果他们希望旋转得更快，他们可以把手臂和另一只脚伸出来，并将它们迅速地拉回身体，从而改变他们的旋转速度。同样，如果他们想要改变旋转的方向，他们可以调整身体的姿势或使用肢体力量来施加扭矩或转矩。
总之，花样滑冰运动员利用角动量守恒的原理来实现各种高难度的动作。他们通过调整他们的身体形状和施加力量来改变他们的旋转速度和方向，同时保持总的角动量不变。这是花样滑冰运动中重要的物理原理之一。
问：《流浪地球》中使地球停止自转是如何实现的？
ChatGPT：在电影《流浪地球》中，地球停止自转的方式是通过建造了巨大的推进器，将它们安装在地球的表面，并让它们在相应的位置和时间点同时点火，从而产生了巨大的推力，使得地球停止自转。
具体来说，电影中所描述的推进器是一种名为“地球发动机”的超级发动机，由四个巨大的发动机组成，每个发动机分别位于地球的四个不同位置，包括中国的秦岭山脉、美国的阿拉斯加、俄罗斯的西伯利亚和巴西的亚马逊雨林。这四个发动机一旦同时点火，就能够产生足够的推力，让地球停止自转。
电影中没有详细描述地球发动机的工作原理，但从电影画面中可以看到，在点火后，巨大的喷气推进器向外喷出的是一种看似蓝色的火焰，火焰能够提供足够的推力，使地球停止自转。同时，推进器还有一个重要的功能，就是能够控制地球的姿态，从而让地球沿着预定的轨道前进。
问：借用《流浪地球》的剧情，出一道有关角动量的习题
ChatGPT：好的，以下是一道有关角动量的习题，借用了《流浪地球》的剧情：
在电影《流浪地球》中，为了使地球停止自转，人类建造了巨大的推进器，并通过点火产生足够的推力。假设地球的质量为 $5.97×10^{24}\text{kg}$，自转周期为 $24$ 小时，推进器的推力为 $5×10^{17}\text{N}$，作用时间为 $3$ 小时。求在这个过程中，地球角动量的变化量大小。
提示：地球的自转角动量为 $L = I\omega$，其中 $I$ 为地球的转动惯量，$\omega$ 为地球的自转角速度。在推进器施加推力的情况下，地球所受到的外力矩为 $M = Fd$，其中 $F$ 为推进器的推力，$d$ 为推进器作用的臂长，即地球中心到推进器的距离。
假设地球是一个近似的均匀球体，它的转动惯量可以表示为 $I = \frac{2}{5}mR^2$，其中 $m$ 是地球的质量，$R$ 是地球的半径。
问：电磁场具有角动量吗？
ChatGPT：在经典电动力学中，电磁场具有一种固有的角动量，被称为自旋角动量。自旋角动量是一种量子力学的概念，描述了电磁场在自身旋转时所具有的角动量。
自旋角动量是电磁场的一种内禀属性，不同于物质粒子的轨道角动量。自旋角动量可以被看作是电磁波的旋转或螺旋运动，其大小由光子的自旋量子数决定。光子是电磁波的量子，因此光子的自旋量子数为1，表明光子具有一份自旋角动量。
在实际应用中，电磁场的自旋角动量可以通过一系列复杂的实验手段进行测量。例如，在物理实验中，可以利用光的偏振、电子自旋共振等现象来研究电磁场的自旋角动量。
问：引力波具有角动量吗？
ChatGPT：是的，引力波具有角动量。在爱因斯坦的广义相对论理论中，引力波是由加速运动的物体产生的曲率时空的波动，它们可以携带角动量和动量。当两个天体发生合并或碰撞时，它们会以引力波的形式向外传播，这些引力波携带了物体的角动量和动量，这些量的守恒导致了在观测到引力波的时候，它们也应该被观测到。实际上，利用引力波的观测，科学家们已经成功地测量了多个黑洞的自旋，这是它们的角动量的一种表征。
问：角动量守恒与旋转对称性有什么关系？
ChatGPT：角动量守恒与旋转对称性密切相关，这是因为角动量守恒是由物理系统的旋转对称性所决定的。
旋转对称性是指物理系统的性质不随空间中的旋转而改变。如果一个物理系统在进行任何方向的旋转之后，它的性质仍然保持不变，那么该系统就具有旋转对称性。例如，在一个圆形的物体上旋转一定角度，这个物体仍然是圆形。
当一个物理系统具有旋转对称性时，根据守恒定律，其角动量必须守恒。这是因为旋转对称性意味着系统中的物理规律不会随着旋转的改变而改变，因此，其物理量也不会随着旋转的改变而改变，即角动量守恒。
例如，在一个旋转对称的系统中，如果一个物体在某一方向上具有角动量，那么它在其它方向上的角动量总和必须为零，以保持系统的旋转对称性。
因此，角动量守恒定律与旋转对称性是紧密相关的，对于理解角动量守恒的本质和物理系统的旋转对称性都有着重要的作用。
胡剑对ChatGPT的小结：
从上面的实例中，我想读者一定能体会到 ChatGPT 的强大。然而它也有明显的缺陷，回答中有不少细节的错误，尤其是涉及到基本物理原理的底层知识时，甚至会“一本正经的胡说八道”。如果不加鉴别地使用，会误导教师和学生。ChatGPT 尚不能真正理解自己在说什么，然而随着它的不断进化，其功能和回答的准确度一定会不断提高，甚至达到能够通过图灵测试的程度。
如何更有效地利用ChatGPT还取决于用户是否能问出有价值有深度的问题，与之有效互动。读者不妨一起来探索，尝试发明新的“玩法”。
以下是图片版：
END
更多精彩文章请点击下面“蓝字”标题查看：
对麦克斯韦方程组拓展的评论王青教授：深入理解“拓展的麦克斯韦方程组”——2.0版王青教授：理解王中林院士“拓展的麦克斯韦方程组”“碰瓷”麦克斯韦：伽利略协变和洛伦兹协变电磁场论趣谈热点：运动介质洛伦兹协变电磁理论2021年《物理与工程》优秀论文、优秀审稿专家、优秀青年学者名单王青教授：源自苏格拉底的问题驱动式教育——在互动中共同学习和成长读后感：教育中的现实和远方王青教授：昨晚（6月9日），清华电动力学期末考试朱邦芬院士：“减负”误区及我国科学教育面临的挑战《物理与工程》2022年第3期目录乐永康：新冠肺炎疫情防控下美国物理实验教学及中美情况对比顾牡：对于重新制定的《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》的认识和体会朱邦芬院士：从基础科学班到清华学堂物理班朱邦芬院士：对培养一流拔尖创新人才的思考李学潜教授：物理是一种文化李学潜教授：如何帮助物理系学生迈过从高三到大一这个坎穆良柱：物理课程思政教育的核心是科学认知能力培养穆良柱：什么是物理及物理文化？穆良柱：什么是ETA物理认知模型穆良柱：什么是ETA物理教学法吴国祯教授：我的国外研究生经历印象——应清华大学物理系“基科班20年·学堂班10年纪念活动”而写
陈佳洱，赵凯华，王殖东：面向21世纪，急待重建我国的工科物理教育王亚愚教授：清华物理系本科人才培养理念与实践葛惟昆教授：关于中外人才培养的几点思考安宇教授：为什么传统的课堂讲授模式需要改变安宇教授：其实教学就是积累的过程刘玉鑫教授：关于本科生物理基础课程教学和教材编著的一些思考沈乾若：重创理科教育的美加课程改革Henderson C：美国研究基金支持下的物理教育研究及其对高等物理教育的影响《物理与工程》期刊是专注于物理教育教学研究的学术期刊，是中国科技核心期刊，1981年创刊，欢迎踊跃投稿，期刊投审稿采编平台：
欢迎关注
《物理与工程》微信公众号
原标题：《中学物理老师体验ChatGPT》