信息技术与物理学科整合

现代科学技术与

物理教育现代科学技术与物理教育第一节从教学大纲到课程标准第二节教学中如何融进物理学科前沿内容新高中教材注重科技的特点引入的方式新课程的基本理念课程标准对现代科学技术的要求必要性结合的程度现代科学技术在物理教材中的呈现NAVSTAR（海军卫星系统）导航卫星系统位置确定到16m以内速率2cm/s以内不考虑相对论效应，速率准确确定值最小为20cm/s这是现代导航不能接受的。

第一节从教学大纲到课程标准一、新课程的基本理念课程目标:提高全体学生的科学素养高中物理课程旨在进一步提高学生的科学素养，从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面培养学生，为学生终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础。课程结构:注重共同基础，体现选择性普通高中教育仍属于基础教育，应注重全体学生的共同基础，同时应针对学生的兴趣、发展潜能和今后的职业需求，设计供学生选择的物理课程模块，以满足学生的不同学习需求，促进学生自主地、富有个性地学习。课程内容:体现课程的时代性、基础性和选择性高中物理课程在内容上应精选学生终身学习必备的基础知识与技能，加强与学生生活、现代社会及科技发展的联系，反映当代科学技术发展的重要成果和新的科学思想，关注物理学的技术应用所带来的社会问题，培养学生的社会参与意识和对社会负责任的态度。课程实施:注重自主学习，提倡教学方式多样化高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。课程评价:更新评价观念，促进学生发展高中物理课程应体现评价的内在激励功能和诊断功能，关注过程性评价，注意学生的个体差异，帮助学生认识自我、建立自信，促进学生在原有水平上发展。通过评价还应促进教师的提高以及教学实践的改进等。二、课程标准对现代科学技术的要求1、对相对论和量子论知识的要求必修2的第三个二级主题——经典力学的成就与局限性中:初步了解经典时空观和相对论时空观，知道相对论对人类认识世界的影响；初步了解微观世界中的量子化现象，知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子论的建立深化了人类对于物质世界的认识。在物理选修3一4中也提出了具体的要求。在相对论的二级主题中要求:(1)知道狭义相对论的试验基础、基本原理和主要结论。(2)了解经典时空观与相对论时空观的主要区别。体会相对论的建立对人类认识世界的影响。(3)初步了解广义相对论的几个只要观点以及主要观测证据(4)关注宇宙学研究的新进展。

物理选修3一5中要求：原子结构:(l)了解人类探索原子结构的历史以及有关经典实验。(2)通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。波粒二象性:(1)了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观物体的能量变化特点。体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。(2)通过实验了解光电效应;知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。(3)了解康普顿效应。(4)根据实验说明光的波粒二象性;知道光是一种概率波。(5)知道实物粒子具有波动性;知道电子云，初步了解不确定性关系。(6)通过典型事例了解人类直接经验的局限性，体会人类对世界的探究是不断深入的。2、对电磁磁学知识识部分的的要求选修1-1中电磁技技术与社社会发展展中：了解常见见传感器器及其应应用，体体会传感感器的应应用给人人们带来来的方便便。列举电磁磁波在生生活和生生产中广广泛应用用的事例例。了解电磁磁波的技技术应用用对人们们生活方方式的影影响，结结合日常常生活中中的具体体实例发发表见解解。举例说明明科学技技术的应应用对人人类现代代生活带带来的正正面和负负面影响响。对科学、、技术及及社会协协调发展展的重要要性发表表自己的的观点。。选修2-1中电磁波波与信息息技术中中要求：：收集资料料，了解解移动通通信的工工作模式式、常用用术语和和移动电电话的常常用功能能；通过实验验或实例例了解常常见传感感器的工工作原理理，了解解传感器器在生产产、生活活中的应应用，体体会传感感器的应应用给人人们带来来的方便便；了解集成成电路的的发展及及微电子子技术对对日常生生活和经经济、社社会所产产生的重重大影响响；知道模拟拟信号与与数字信信号的区区别。了解信息息传播、、处理和和存储技技术的发发展。了了解网络络技术对对经济、、社会的的影响，，并能发发表自己己的见解解。选修3-1的二级主主题——电路中要要求：通过实验验观察门门电路的的基本作作用。初步了解解逻辑电电路的基基本原理理及其在在自动控控制中的的应用；；初步了了解集成成电路的的作用。。关注我国国集成电电路等元元器件研研究的发发展情况况。选修3-2的二级主主题——传感器中中要求：：知道非电电学量转转换成电电学量的的技术意意义；通通过实验验知道常常见传感感器的工工作原理理；列举举传感器器在生活活和生产产中的应应用。选修3-4的二级主主题——电磁振荡荡与电磁磁波中要要求：了了解电磁磁波的应应用和在在科技、、经济、、社会发发展中的的作用。。3、对光学学知识部部分的要要求选修2－3二级主题题——光与光学学仪器中中要求：：认识光的的全反射射现象。。初步了了解光导导纤维的的工作原原理和光光纤在生生产、生生活中的的应用。。认识光光纤技术术对经济济社会生生活的重重大影响响。了解激光光的特性性和应用用。了解解常见固固体和气气体激光光器的原原理。举举例说明明激光技技术在生生活和生生产中的的应用。。选修3-4二级主题题——光中要求求：认识光的的全反射射现象。。初步了了解光导导纤维的的工作原原理和光光纤在生生产、生生活中的的应用，，认识光光纤技术术对经济济社会生生活的重重大影响响。了解激激光的的特性性和应应用。。用激激光观观察全全息照照相。。4、对核核技术术相关关知识识要求求选修1－2二级主主题——能源与与社会会发展展中要要求：：初步了了解一一些典典型射射线的的特性性，知知道放放射现现象的的应用用及防防护。。了解核核技术术的应应用对对人类类生活活和社社会发发展的的影响响。了解爱爱因斯斯坦质质能方方程的的含义义。知道裂裂变反反应和和聚变变反应应。通过人人类利利用核核能的的历史史资料料，认认识核核能的的开发发和利利用。。在选修2－3二级主主题——原子结结构与与核技技术中中要求求：知道核核裂变变和链链式反反应，，初步步了解解反应应堆的的类型型和工工作原原理。。知道核核电站站的工工作模模式。。知道大大众传传媒中中经常常涉及及的核核武器器的基基本原原理、、主要要特点点和防防护要要领。。知道核核聚变变，关关注可可控聚聚变反反应的的研究究进展展。讨论核核能的的应用用对于于经济济、社社会发发展的的意义义及可可能带带来的的问题题。在选修3－3二级主主题——固体、、液体体与气气体中中要求求：了解材材料科科学技技术的的有关关知识识及应应用。。体会它它们的的发展展对人人类生生活和和社会会发展展的影影响。。5.材料科科学方方面三、现现代科科学技技术在在物理理教材材中的的呈现现第二节节教教学中中如何何融进进物理理学科科前沿沿内容容、必要要性1.现代科科学技技术发发展的的需要要科学技技术之之应用用的深深入和和普及及:计算机机、互互联网网无线通通信设设备卫星导导航其他“你的的发明明改变变了世世界通通讯模模式，，为信信息高高速公公路奠奠下基基石。。……””光纤之之父高高锟科学与与技术术水乳乳交融融，相相互作作用共共同发发展激光制制导欧洲粒粒子对对撞机机新技术术的开开发到到普及及的周周期大大大缩缩短实现的的存储储密度度按指指数函函数增增长2.培养现现代社社会的的主人人的需需要新版的的《高中物物理课课程标标准》指出““高中中物理理课程程旨在在进一一步提提高学学生的的科学学素养养，从从知识识与技技能、、过程程与方方法、、情感感态度度与价价值观观等三三个方方面培培养学学生，，为学学生终终身发发展、、能应应付现现代社社会和和未来来发展展的挑挑战奠奠定基基础””。二、前前沿物物理教教育的的原则则科学性性与教教育性性相结结合的的原则则可接受受性原原则激发学学习兴兴趣的的原则则直观性性与抽抽象性性相结结合的的原则则三、引入方方式1.关心时时事，，从新新闻引引入必须会会用媒媒体、、善用用媒体体最终传传达给给学生生的应应该是是正确确的、、专业业的、、权威威的有有关知知识或或信息息养成关关心时时事的的习惯惯2009年诺贝贝尔物物理奖奖颁给给了加加拿大大和美美国国国籍科科学家家高锟锟、美美国科科学家家WillardS.Boyle和GeorgeE.SmithCCD（Charge-coupledDevice）即电电荷耦耦合元元件。。CCD是一种种半导导体器器件，，能够够把光光学影影像转转化为为数字字信号号。CCD上植入入的微微小光光敏物物质称称作像像素（（Pixel）。一一块CCD上包含含的像像素数数越多多，其其提供供的画画面分分辨率率也就就越高高。2.关心当代代科学成成就，从从重大事事件引入入每当科学学上出现现重大成成就，人人类就会会向前迈迈出一大大步麦克斯韦韦电磁理理论的建建立，使使得人类类的通信信领域从从快马加加驿站、、烽火和和狼烟，，到了一一个全新新理念的的通信领领域—有线和无无线通信信麦克斯韦韦微波技术术的应用用雷达、导导弹、导导航、电电子战和和军用通通讯等多路通讯讯、微波波遥感和和微波能能应用（（如：肿肿瘤微波波热疗、、微波手手术刀以以及微波波炉等））等首先应关关注其重重大现实实意义，，和对未未来的影影响。其次，注注意当代代科学成成就的多多学科特特点。特特别注意意本学科科在其他他领域的的应用。。最后，需需要与所所学知识识适当结结合。嫦娥一号号人造卫卫星可以结合合所学内内容介绍绍：光学系统统、能量系统统、升空和环环绕过程程国人的骄骄傲欧洲粒子子对撞机机对撞过程程、加速过程程可能对物物理学科科的基础础产生重重大影响响3.联系课堂堂内容，，不放过过可以合合理引入入的机会会课堂内容容的深化化、拓展展光的偏振振0r0i0i利用偏振振光干涉涉看到的的结冰过过程玻片堆可可获得两两束线偏偏振光光的干涉涉(1)(2)迈克耳逊逊干涉仪仪“重要的的物理思思想+巧妙的实实验构思思+精湛的实实验技术术”的““科学中中的艺术术”四、结合合的程度度1.定性了解解，激发发学生的的兴趣首先是达达到激发发兴趣的的目的其次可以以启发学学生的思思考、培培养思维维的开放放性和创创新意识识再者可以以扩大知知识面、、扩充知知识结构构光学成像像系统中中的仿生生透镜组组提高各微微小透镜镜的填充充系数和和每个透透镜成像像质量复眼的特特点：体积小；；相对简简单的视视觉信息息并行处处理系统统；视场场大；无无机械扫扫描；对对运动目目标敏感感非常适用用于航空空、航天天、军事事等领域域光学仪器器部分，，介绍发发光二极极管LED奥运画轴轴上有约约4万多个LED在PN结上施加加正向电电压时．．使电子子自N型进入P型半导体体，形成成了少数数载流子子的注入入和复合合。其能能量从高高能级返返回至低低能级，，有一部部分会以以光的形形式样放放能量。。LED电视机已已出现于于商场量子初步步的教学学，简单单介绍其其应用之之一的量量子保密密通信量子比特特可以由由：原子子的基态态和激发发态，核核自旋的的-Z和+Z方向，光光子的两两个正交交偏振态态等构成成量子不可可克隆和和测不准准原理可可以提供供量子密密钥分配配的安全全性(不可窃听听复制)，与一次次一密算算法相结结合，原原理上可可提供不不可窃听听、不可可破译的的安全保保密通信信。2.定性了解解，在所所学知识识上的扩扩展、深深化在各个教教育的层层面上，，知识部部分真理理具有条条件性。。防止由于于教学的的强化，，学生把把特例当当做概念念的本身身如功的定定义式，，一些新新大学生生总是写写出恒力力、力与与位移在在同一方方向时的的功的表表达式应应对一般般情况如加速度度，一些些刚进入入大学的的学生总总希望用用匀变速速运动公公式求一一般情况况下的加加速度。。磁通量这这个概念念而介绍绍通量这这个一般般的概念念光纤的认认识。我我们的大大、中学学生一提提及光纤纤想到的的经常是是光线在在纤心的的全反射射。很少少有学生生想到，，光纤内内传播的的是电磁磁波，满满足波动动方程，，不同条条件下有有不同的的模式不能把知知识教成成过于固固定的东东西，要要有发展展的思路路，有利利于终身身学习、、发展。。3.在简化的的模式上上定量计计算注意理解解实际问问题--转化为物物理语言言--简化为物物理模式式例1（09高考全国国2卷26题21分)如图，P、Q为某地区区水平地地面上的的两点，，在P点正下方方一球形形区域内内储藏有有石油，，假定区区域周围围岩石均均匀分布布，密度度为。石油密密度远小小于，可将上上述球形形区域视视为空腔腔。如果果没有这这一空腔腔，则该该地区重重力加速速度（正正常值））沿竖直直方向，，当存在在空腔时时，该地地区重力力加速度度的大小小和方向向会与正正常情况况有微小小偏离。。重力加加速度在在原竖直直方向（（即PO方向）上上的投影影相对于于正常值值的偏离离叫做““重力加加速度反反常”为为了探寻寻石油区区域的位位置和石石油储量量，常利利用P点到附近重力力加速度反常常现象，已知知引力常数为为G。1）设球形空腔腔体积为V，球心深度为为d（远小于地球球半径），=x，求空腔所引引起的Q点处的重力加加速度反常。。2）若在水平地地面上半径L的范围内发现现：重力加速速度反常值在在与（k>1）之间变化，，且重力加速速度反常的最最大值出现在在半为L的范围的中心心。如果这种种反常是由于于地下存在某某一球形空腔腔造成的，试试求此球形空空腔球心的深深度和空腔的的体积。如果将近地表表的球形空腔腔填满密度为为的岩石,则该地区重力力加速度便回回到正常值。。因此,重力加速度反反常可通过填填充后的球形形区域产生的的附加引力来计算,式中的m是Q点处某质点的的质量,M是填充后球形形区域的质量量，可表示为为:r是球形空腔中中心O至Q点的距离，可可表示为：g在数值上等于于由于存在球球形空腔所引引起的Q点处重力加速速度改变的大大小。Q点处重力加速速度改变的方方向沿OQ方向,重力加速度反反常g’是这一改变在在竖直方向上上的投影，利利用三角形相相似表示为：：联立以上式子子得：由上式得,重力加速度反反常的最大值值和最小值分分别为总结：本问题题来自于高考考题的最末一一题，是一个个比较难的问问题。统观整整个解题过程程，最难的难难点在于一个个观念的建立立即：重力加加速度反常可可通过填充密密度为的岩石石后的球形区区域产生的附附加引力来计计算。补偿法是一种种利用已有模模型，经常是是对称模型，，来解决相似似或不对称问问题的方法。。这种方法的的利用需要一一个前提，知知道某模型（（经常是对称称模型），在在上题中是““若以岩石填填满空腔时””。练习：（09北京20题）图示为为一个内、外外半径分别为为R1和R2的圆环状均匀匀带电平面，，其单位面积积带电量为。取环面中心心O为原点，以垂垂直于环面的的轴线为x轴。设轴上任任意点P到O点的的距离为为x，P点电场强度的的大小为E。下面给出E的四个表达式式（式中k为静电力常量量），其中只只有一个是合合理的。你可可能不会求解解此处的场强强E，但是你可以以通过一定的的物理分析，，对下列表达达式的合理性性做出判断。。根据你的判判断，E的合理表达式式应为（B）利用叠加：半半径为R2，密度圆面，与半径为R1，密度-圆面叠加（B）中右边单位位利用单位：例2(08天津25题22分)磁悬浮列车是是一种高速低低耗的新型交交通工具。它它的驱动系统统简化为如下下模型，固定定在列车下端端的动力绕组组可视为一个个矩形纯电阻阻金属框，电电阻为R，金属框置于于xOy平面内，长边边MN长为l，平行于y轴，宽为d的NP边平行于x轴，如图1所示。列车轨轨道沿Ox方向，轨道区区域内存在垂垂直于金属框框平面的磁场场，磁感应强强度B沿Ox方向按正弦规规律分布，其其空间周期为为λ，最大值为B0，如图2所示，金属框框同一长边上上各处的磁感感应强度相同同，整个磁场场以速度v0沿Ox方向匀速平移移。设在短暂暂时间内，MN、PQ边所在位置的的磁感应强度度随时间的变变化可以忽略略，并忽略一一切阻力。列列车在驱动系系统作用下沿沿Ox方向加速行驶驶，某时刻速速度为v(v<v0)。1)简要叙述列车车运行中获得得驱动力的原原理；(2)为使列车获得得最大驱动力力，写出MN、PQ边应处于磁场场中的什么位位置及λ与d之间应满足的的关系式；(3)计算在满足第第(2)问的条件下列列车速度为v时驱动力的大大小。(1)由于列车速度度与磁场平移移速度不同，，导致穿过金金属框的磁通通量发生变化化，由于电磁磁感应，金属属框中会产生生感应电流，，该电流受到到的安培力即即为驱动力。。(2)为使列车获得得最大驱动力力，MN、PQ应位于磁场中中磁感应强度度同为最大值值且反向的地地方，这会使使得金属框所所围面积的磁磁通量变化率率最大，导致致框中电流最最强，也会使使得金属框长长边中电流受受到的安培力力最大。因此此，d应为的/2奇数倍，即或(3)由于满足第(2)问条件：则MN、PQ边所在处的磁磁感应强度大大小均为B0且方向总相反反，经短暂的的时间t，磁场沿Ox方向平移的距距离为v0t，同时，金属属框沿Ox方向移动的距距离为vt。解：因为v0>V，所以在t时间内MN边扫过磁场的的面积t时间内，MN边左侧穿过S的磁通移进金金属框而引