現代科學技術與

物理教育現代科學技術與

物理教育現代科學技術與物理教育第一節從教學大綱到課程標準第二節教學中如何融進物理學科前沿內容新高中教材注重科技的特點引入的方式新課程的基本理念課程標準對現代科學技術的要求必要性結合的程度現代科學技術在物理教材中的呈現現代科學技術與物理教育第一節從教學大綱到課程標準第二節教學中NAVSTAR（海軍衛星系統）導航衛星系統位置確定到16m以內速率2cm/s以內不考慮相對論效應，速率準確確定值最小為20cm/s這是現代導航不能接受的。

NAVSTAR（海軍衛星系統）導航衛星系統第一節從教學大綱到課程標準一、新課程的基本理念課程目標:提高全體學生的科學素養高中物理課程旨在進一步提高學生的科學素養，從知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三個方面培養學生，為學生終身發展、應對現代社會和未來發展的挑戰奠定基礎。第一節從教學大綱到課程標準一、新課程的基本理念課程目標:課程結構:注重共同基礎，體現選擇性普通高中教育仍屬于基礎教育，應注重全體學生的共同基礎，同時應針對學生的興趣、發展潛能和今后的職業需求，設計供學生選擇的物理課程模塊，以滿足學生的不同學習需求，促進學生自主地、富有個性地學習。課程結構:注重共同基礎，體現選擇性課程內容:體現課程的時代性、基礎性和選擇性高中物理課程在內容上應精選學生終身學習必備的基礎知識與技能，加強與學生生活、現代社會及科技發展的聯系，反映當代科學技術發展的重要成果和新的科學思想，關注物理學的技術應用所帶來的社會問題，培養學生的社會參與意識和對社會負責任的態度。課程內容:體現課程的時代性、基礎性和選擇性課程實施:注重自主學習，提倡教學方式多樣化高中物理課程應促進學生自主學習，讓學生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考。通過多樣化的教學方式，幫助學生學習物理知識與技能，培養其科學探究能力，使其逐步形成科學態度與科學精神。課程評價:更新評價觀念，促進學生發展高中物理課程應體現評價的內在激勵功能和診斷功能，關注過程性評價，注意學生的個體差異，幫助學生認識自我、建立自信，促進學生在原有水平上發展。通過評價還應促進教師的提高以及教學實踐的改進等。課程實施:注重自主學習，提倡教學方式多樣化二、課程標準對現代科學技術的要求1、對相對論和量子論知識的要求必修2的第三個二級主題——經典力學的成就與局限性中:初步了解經典時空觀和相對論時空觀，知道相對論對人類認識世界的影響；初步了解微觀世界中的量子化現象，知道宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點，體會量子論的建立深化了人類對于物質世界的認識。二、課程標準對現代科學技術的要求1、對相對論和量子論知識的要在物理選修3一4中也提出了具體的要求。在相對論的二級主題中要求:(1)知道狹義相對論的試驗基礎、基本原理和主要結論。(2)了解經典時空觀與相對論時空觀的主要區別。體會相對論的建立對人類認識世界的影響。(3)初步了解廣義相對論的幾個只要觀點以及主要觀測證據(4)關注宇宙學研究的新進展。

在物理選修3一4中也提出了具體的要求。在相對論的二級主題中要物理選修3一5中要求：原子結構:(l)了解人類探索原子結構的歷史以及有關經典實驗。(2)通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結構。波粒二象性:(1)了解微觀世界中的量子化現象。比較宏觀物體和微觀物體的能量變化特點。體會量子論的建立深化了人們對于物質世界的認識。(2)通過實驗了解光電效應;知道愛因斯坦光電效應方程及其意義。(3)了解康普頓效應。(4)根據實驗說明光的波粒二象性;知道光是一種概率波。(5)知道實物粒子具有波動性;知道電子云，初步了解不確定性關系。(6)通過典型事例了解人類直接經驗的局限性，體會人類對世界的探究是不斷深入的。物理選修3一5中要求：2、對電磁學知識部分的要求選修1-1中電磁技術與社會發展中：了解常見傳感器及其應用，體會傳感器的應用給人們帶來的方便。列舉電磁波在生活和生產中廣泛應用的事例。了解電磁波的技術應用對人們生活方式的影響，結合日常生活中的具體實例發表見解。舉例說明科學技術的應用對人類現代生活帶來的正面和負面影響。對科學、技術及社會協調發展的重要性發表自己的觀點。2、對電磁學知識部分的要求選修1-1中電磁技術與社會發展中：選修2-1中電磁波與信息技術中要求：收集資料，了解移動通信的工作模式、常用術語和移動電話的常用功能；通過實驗或實例了解常見傳感器的工作原理，了解傳感器在生產、生活中的應用，體會傳感器的應用給人們帶來的方便；了解集成電路的發展及微電子技術對日常生活和經濟、社會所產生的重大影響；知道模擬信號與數字信號的區別。了解信息傳播、處理和存儲技術的發展。了解網絡技術對經濟、社會的影響，并能發表自己的見解。選修2-1中電磁波與信息技術中要求：選修3-1的二級主題——電路中要求：通過實驗觀察門電路的基本作用。初步了解邏輯電路的基本原理及其在自動控制中的應用；初步了解集成電路的作用。關注我國集成電路等元器件研究的發展情況。選修3-2的二級主題——傳感器中要求：知道非電學量轉換成電學量的技術意義；通過實驗知道常見傳感器的工作原理；列舉傳感器在生活和生產中的應用。選修3-4的二級主題——電磁振蕩與電磁波中要求：了解電磁波的應用和在科技、經濟、社會發展中的作用。選修3-1的二級主題——電路中要求：選修3-2的二級主題——3、對光學知識部分的要求選修2－3二級主題——光與光學儀器中要求：認識光的全反射現象。初步了解光導纖維的工作原理和光纖在生產、生活中的應用。認識光纖技術對經濟社會生活的重大影響。了解激光的特性和應用。了解常見固體和氣體激光器的原理。舉例說明激光技術在生活和生產中的應用。選修3-4二級主題——光中要求：認識光的全反射現象。初步了解光導纖維的工作原理和光纖在生產、生活中的應用，認識光纖技術對經濟社會生活的重大影響。了解激光的特性和應用。用激光觀察全息照相。3、對光學知識部分的要求選修2－3二級主題——光與光學儀器中4、對核技術相關知識要求選修1－2二級主題——能源與社會發展中要求：初步了解一些典型射線的特性，知道放射現象的應用及防護。了解核技術的應用對人類生活和社會發展的影響。了解愛因斯坦質能方程的含義。知道裂變反應和聚變反應。通過人類利用核能的歷史資料，認識核能的開發和利用。4、對核技術相關知識要求選修1－2二級主題——能源與社會發展在選修2－3二級主題——原子結構與核技術中要求：知道核裂變和鏈式反應，初步了解反應堆的類型和工作原理。知道核電站的工作模式。知道大眾傳媒中經常涉及的核武器的基本原理、主要特點和防護要領。知道核聚變，關注可控聚變反應的研究進展。討論核能的應用對于經濟、社會發展的意義及可能帶來的問題。在選修2－3二級主題——原子結構與核技術中要求：在選修3－3二級主題——固體、液體與氣體中要求：了解材料科學技術的有關知識及應用。體會它們的發展對人類生活和社會發展的影響。

5.材料科學方面在選修3－3二級主題——固體、液體與氣體中要求：5.材料科三、現代科學技術在物理教材中的呈現三、現代科學技術在物理教材中的呈現信息技術與物理學科整合課件信息技術與物理學科整合課件信息技術與物理學科整合課件信息技術與物理學科整合課件信息技術與物理學科整合課件信息技術與物理學科整合課件第二節教學中如何融進物理學科前沿內容、必要性1.現代科學技術發展的需要科學技術之應用的深入和普及:計算機、互聯網無線通信設備衛星導航其他第二節教學中如何融進物理學科前沿內容、必要性1.現代科學“你的發明改變了世界通訊模式，為信息高速公路奠下基石。……”

光纖之父高錕“你的發明改變了世界通訊模式，為信息高速公路奠下基石。……”科學與技術水乳交融，相互作用共同發展激光制導歐洲粒子對撞機科學與技術水乳交融，相互作用共同發展激光制導歐洲粒子對撞新技術的開發到普及的周期大大縮短實現的存儲密度按指數函數增長新技術的開發到普及的周期大大縮短實現的存儲密度按指數函數增2.培養現代社會的主人的需要新版的《高中物理課程標準》指出“高中物理課程旨在進一步提高學生的科學素養，從知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀等三個方面培養學生，為學生終身發展、能應付現代社會和未來發展的挑戰奠定基礎”。2.培養現代社會的主人的需要新版的《高中物理課程標準》指出“二、前沿物理教育的原則科學性與教育性相結合的原則可接受性原則激發學習興趣的原則直觀性與抽象性相結合的原則二、前沿物理教育的原則科學性與教育性相結合的原則三、引入方式1.關心時事，從新聞引入必須會用媒體、善用媒體最終傳達給學生的應該是正確的、專業的、權威的有關知識或信息養成關心時事的習慣三、引入方式1.關心時事，從新聞引入必須會用媒體、善用媒體2009年諾貝爾物理獎頒給了加拿大和美國國籍科學家高錕、美國科學家WillardS.Boyle和GeorgeE.SmithCCD（Charge-coupledDevice）即電荷耦合元件。CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。CCD上植入的微小光敏物質稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數越多，其提供的畫面分辨率也就越高。2009年諾貝爾物理獎頒給了加拿大和美國國籍科學家高錕、美國2.關心當代科學成就，從重大事件引入每當科學上出現重大成就，人類就會向前邁出一大步麥克斯韋電磁理論的建立，使得人類的通信領域從快馬加驛站、烽火和狼煙，到了一個全新理念的通信領域—有線和無線通信麥克斯韋

微波技術的應用雷達、導彈、導航、電子戰和軍用通訊等多路通訊、微波遙感和微波能應用（如：腫瘤微波熱療、微波手術刀以及微波爐等）等2.關心當代科學成就，從重大事件引入每當科學上出現重大成就首先應關注其重大現實意義，和對未來的影響。其次，注意當代科學成就的多學科特點。特別注意本學科在其他領域的應用。最后，需要與所學知識適當結合。嫦娥一號人造衛星可以結合所學內容介紹：光學系統、能量系統、升空和環繞過程國人的驕傲首先應關注其重大現實意義，和對未來的影響。嫦娥一號人造衛星歐洲粒子對撞機對撞過程、加速過程可能對物理學科的基礎產生重大影響歐洲粒子對撞機對撞過程、3.聯系課堂內容，不放過可以合理引入的機會課堂內容的深化、拓展光的偏振0r0i0i利用偏振光干涉看到的結冰過程玻片堆可獲得兩束線偏振光3.聯系課堂內容，不放過可以合理引入的機會課堂內容的深化、拓光的干涉(1)(2)邁克耳遜干涉儀“重要的物理思想+巧妙的實驗構思+精湛的實驗技術”的“科學中的藝術”光的干涉(1)(2)邁克耳遜干涉儀“重要的物理思想+巧妙的四、結合的程度1.定性了解，激發學生的興趣首先是達到激發興趣的目的其次可以啟發學生的思考、培養思維的開放性和創新意識再者可以擴大知識面、擴充知識結構四、結合的程度1.定性了解，激發學生的興趣首先是達到激發興趣光學成像系統中的仿生透鏡組提高各微小透鏡的填充系數和每個透鏡成像質量復眼的特點：體積小；相對簡單的視覺信息并行處理系統；視場大；無機械掃描；對運動目標敏感非常適用于航空、航天、軍事等領域光學成像系統中的仿生透鏡組提高各微小透鏡的填充系數和每個透光學儀器部分，介紹發光二極管LED奧運畫軸上有約4萬多個LED在PN結上施加正向電壓時．使電子自N型進入P型半導體，形成了少數載流子的注入和復合。其能量從高能級返回至低能級，有一部分會以光的形式樣放能量。LED電視機已出現于商場光學儀器部分，介紹發光二極管LED奧運畫軸上有約4萬多個LE量子初步的教學，簡單介紹其應用之一的量子保密通信量子比特可以由：原子的基態和激發態，核自旋的-Z和+Z方向，光子的兩個正交偏振態等構成量子不可克隆和測不準原理可以提供量子密鑰分配的安全性(不可竊聽復制)，與一次一密算法相結合，原理上可提供不可竊聽、不可破譯的安全保密通信。量子初步的教學，簡單介紹其應用之一的量子保密通信量子比特可信息技術與物理學科整合課件2.定性了解，在所學知識上的擴展、深化在各個教育的層面上，知識部分真理具有條件性。防止由于教學的強化，學生把特例當做概念的本身如功的定義式，一些新大學生總是寫出恒力、力與位移在同一方向時的功的表達式應對一般情況如加速度，一些剛進入大學的學生總希望用勻變速運動公式求一般情況下的加速度。2.定性了解，在所學知識上的擴展、深化在各個教育的層面上，知磁通量這個概念而介紹通量這個一般的概念光纖的認識。我們的大、中學生一提及光纖想到的經常是光線在纖心的全反射。很少有學生想到，光纖內傳播的是電磁波，滿足波動方程，不同條件下有不同的模式不能把知識教成過于固定的東西，要有發展的思路，有利于終身學習、發展。磁通量這個概念而介紹通量這個一般的概念光纖的認識。我們的大3.在簡化的模式上定量計算注意理解實際問題--轉化為物理語言--簡化為物理模式3.在簡化的模式上定量計算注意理解實際問題例1（09高考全國2卷26題21分)如圖，P、Q為某地區水平地面上的兩點，在P點正下方一球形區域內儲藏有石油，假定區域周圍巖石均勻分布，密度為。石油密度遠小于，可將上述球形區域視為空腔。如果沒有這一空腔，則該地區重力加速度（正常值）沿豎直方向，當存在空腔時，該地區重力加速度的大小和方向會與正常情況有微小偏離。重力加速度在原豎直方向（即PO方向）上的投影相對于正常值的偏離叫做“重力加速度反常”為了探尋石油區域的位置和石油儲量，常利用P點到附近重力加速度反常現象，已知引力常數為G。例1（09高考全國2卷26題21分)如圖，P、Q為某地區水1）設球形空腔體積為V，球心深度為d（遠小于地球半徑），=x，求空腔所引起的Q點處的重力加速度反常。2）若在水平地面上半徑L的范圍內發現：重力加速度反常值在與（k>1）之間變化，且重力加速度反常的最大值出現在半為L的范圍的中心。如果這種反常是由于地下存在某一球形空腔造成的，試求此球形空腔球心的深度和空腔的體積。1）設球形空腔體積為V，球心深度為d（遠小于地球半徑），=x如果將近地表的球形空腔填滿密度為的巖石,則該地區重力加速度便回到正常值。因此,重力加速度反常可通過填充后的球形區域產生的附加引力來計算,式中的m是Q點處某質點的質量,M是填充后球形區域的質量，可表示為:r是球形空腔中心O至Q點的距離，可表示為：

如果將近地表的球形空腔填滿密度為的巖石,則該地區重力加速度便g在數值上等于由于存在球形空腔所引起的Q點處重力加速度改變的大小。Q點處重力加速度改變的方向沿OQ方向,重力加速度反常g’是這一改變在豎直方向上的投影，利用三角形相似表示為：聯立以上式子得：由上式得,重力加速度反常的最大值和最小值分別為g在數值上等于由于存在球形空腔所引起的Q點處重力加速度改變信息技術與物理學科整合課件總結：本問題來自于高考題的最末一題，是一個比較難的問題。統觀整個解題過程，最難的難點在于一個觀念的建立即：重力加速度反常可通過填充密度為的巖石后的球形區域產生的附加引力來計算。補償法是一種利用已有模型，經常是對稱模型，來解決相似或不對稱問題的方法。這種方法的利用需要一個前提，知道某模型（經常是對稱模型），在上題中是“若以巖石填滿空腔時”。總結：本問題來自于高考題的最末一題，是一個比較難的問題。統觀練習：（09北京20題）圖示為一個內、外半徑分別為R1和R2的圓環狀均勻帶電平面，其單位面積帶電量為。取環面中心O為原點，以垂直于環面的軸線為x軸。設軸上任意點P到O點的的距離為x，P點電場強度的大小為E。下面給出E的四個表達式（式中k為靜電力常量），其中只有一個是合理的。你可能不會求解此處的場強E，但是你可以通過一定的物理分析，對下列表達式的合理性做出判斷。根據你的判斷，E的合理表達式應為（B）練習：（09北京20題）圖示為一個內、外半徑分別為R1和利用疊加：半徑為R2，密度圓面，與半徑為R1，密度-圓面疊加（B）中右邊單位利用單位：利用疊加：半徑為R2，密度圓面，與半徑為R1，（B）中右邊例2(08天津25題22分)磁懸浮列車是一種高速低耗的新型交通工具。它的驅動系統簡化為如下模型，固定在列車下端的動力繞組可視為一個矩形純電阻金屬框，電阻為R，金屬框置于xOy平面內，長邊MN長為l，平行于y軸，寬為d的NP邊平行于x軸，如圖1所示。列車軌道沿Ox方向，軌道區域內存在垂直于金屬框平面的磁場，磁感應強度B沿Ox方向按正弦規律分布，其空間周期為λ，最大值為B0，如圖2所示，金屬框同一長邊上各處的磁感應強度相同，整個磁場以速度v0沿Ox方向勻速平移。設在短暫時間內，MN、PQ邊所在位置的磁感應強度隨時間的變化可以忽略，并忽略一切阻力。列車在驅動系統作用下沿Ox方向加速行駛，某時刻速度為v(v<v0)。例2(08天津25題22分)磁懸浮列車是一種高速低耗的新型交1)簡要敘述列車運行中獲得驅動力的原理；(2)為使列車獲得最大驅動力，寫出MN、PQ邊應處于磁場中的什么位置及λ與d之間應滿足的關系式；(3)計算在滿足第(2)問的條件下列車速度為v時驅動力的大小。1)簡要敘述列車運行中獲得驅動力的原理；(1)由于列車速度與磁場平移速度不同，導致穿過金屬框的磁通量發生變化，由于電磁感應，金屬框中會產生感應電流，該電流受到的安培力即為驅動力。(2)為使列車獲得最大驅動力，MN、PQ應位于磁場中磁感應強度同為最大值且反向的地方，這會使得金屬框所圍面積的磁通量變化率最大，導致框中電流最強，也會使得金屬框長邊中電流受到的安培力最大。因此，d應為的/2奇數倍，即或(1)由于列車速度與磁場平移速度不同，導致穿過金屬框的磁通量(3)由于滿足第(2)問條件：則MN、PQ邊所在處的磁感應強度大小均為B0且方向總相反，經短暫的時間t，磁場沿Ox方向平移的距離為v0t

，同時，金屬框沿Ox方向移動的距離為vt

。解：因為v0>V，所以在t時間內MN邊掃過磁場的面積t時間內，MN邊左側穿過S的磁通移進金屬框而引起框內磁通量變化t時間內，PQ邊左側移出金屬框的磁通引起框內磁通量變化金屬框所圍面積的磁通量變化(3)由于滿足第(2)問條件：則MN、PQ邊所在處的磁感應強金屬框中的感應電動勢大小MN邊所受的安培力PQ邊所受的安培力根據左手定則，MN、PQ邊所受的安培力方向相同，此時列車驅動力的大小金屬框中的感應電動勢大小MN邊所受的安培力PQ邊所受的安總結：本問題和現實結合緊密，正是在磁懸浮列車在國內建設之際編寫的。在這里從實際到模型的過程體現在提干和第一小問中。實際就是閉合線框在磁場中運動，產生感生電動勢、受到安培力這一模型。結合實際情況，設置了磁感強度隨空間變化，并以一定速度傳播這一特點。給問題增加了些難度，需要在頭腦中形成以動態圖畫，才能得到后兩問實現的模式。總結：本問題和現實結合緊密，正是在磁懸浮列車在國內建設之際編思考題：1.均勻帶正電球體，以一半徑r的中心為球心，以r/2為直徑挖掉一小球。如圖。P、Q兩點距大球球心距離均為l。則：（）

A.Q點的電場沿OQ方向;B.P點的電場不沿OP方向;C.P點電場強度大于Q點的電場強度;D.Q點電場強度大于P點的電場強度。OPQ2．普通高中物理課程標準的基本理念包含哪些內容？3.相對論時空概念與牛頓力學時空概念有何不同思考題：1.均勻帶正電球體，以一半徑r的中心為球心，以r/參考文獻《大學基礎物理學》（第二版）張三慧2007年清華大學出版社《物理學基礎》（第六版）（美）哈里德，張三慧李椿譯2005年機械工業出版社《物理改變世界叢書》章立源馮端等2005年科學出版社《從一到無窮大