八年级物理《第一章 走进物理世界》课程资源 沪粤版.doc

第一章 走进物理世界课程资源1 物理课程的地位中学物理课程是中学教育中一门非常重要的学科，占有重要的地位。其重要性主要表现在以下几个方面：物理学是自然科学的基础物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学。物理学研究的运动包括机械运动、分子热运动、电磁运动、原子和原子核的运动、天体运动等，统称为物理运动。在自然界的多种运动形态中，物理运动是最基本、最普遍的运动；它普遍地存在于宇宙万物的各种物质的运动之中，在物理运动的基础上，形成了更复杂、更高级的运动，如化学运动、生命运动等。由于物理运动的基本性和普遍性，所以物理学所研究的规律具有极大的普遍性，物理知识是自然科学的基础。例如，随着自然科学技术的发展，物理学与其他学科之间的相互渗透，形成了一系列边缘、交叉学科，诸如化学物理、生物物理、大气物理、海洋物理、地球物理、天体物理等。像天体物理所揭示的宇宙结构、演化与粒子物理之间的密切关系，天体结构、演化与原子核物理之间的密切关系，就十分明显地反映出这一相互渗透的过程。数学对物理学的发展起了重要作用，可是物理学尤其是现代物理学也有力地促进了现代数学的发展，像杨一米尔斯规范场和杨巴克斯特方程，就已成为20世纪80年代以来一系列数学研究的出发点，其影响遍及微分几何、偏微分方程、低维拓扑等重大数学分支。现在物理学的一些基本概念、理论、实验手段与精密测试方法，已成为其他许多学科的重要组成部分，对于天文学、化学、生物学、地学、医学、农学可以讲是无一例外的，例如作为现代化学重要理论的量子化学就是用量子力学的原理与方法来研究分子的微观结构的。另外，物理学的一些概念，如场、熵等，甚至也为社会科学所引用；物理学还为哲学、为辩证唯物主义世界观提供了有力的证据，相对论时空观和物质波粒二象性、基本粒子的相互转化等，都是重要的例子。显然，通过物理课程的学习，使学生掌握一定的物理知识，可为进一步学习其他科学技术、形成终生学习的能力打下必要的基础。物理学是技术科学的支柱简单回顾物理学的主要发展历程（三次突破），可清楚地看到，科学技术是第一生产力，物理学是技术科学的强大支柱，为技术科学的发展提供了坚实的理论基础和丰富的实践资料。17、18世纪，由于牛顿力学和热力学的建立，推动了蒸汽机、内燃机和机械工业的发展，引发了第一次工业革命，使社会生产方式由手工业进入了机械大工业，社会生产力得到空前提高。19世纪，人们根据法拉第、麦克斯韦建立的经典电磁理论，成功制造了发电机、电动机，发明了无线电技术，产生了工业电气化，即第二次工业革命，使人类进入了电气化时代。20世纪以来，相对论和量子力学诞生，近代物理学的发展为技术进步不断开辟出新的方向，导致了一系列现代高新技术的产生。半导体技术、原子能技术、激光技术、计算机技术、信息技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、分子工程技术的产生与发展，都在不同程度上与现代物理学息息相关。例如信息技术（一般作为通信、计算机和控制技术的统称），它所使用的材料中最重要的是半导体材料。而作为半导体重要材料之一的砷化镓，由于具有频率响应快、耐热性能好的特性，已成为制造高速集成电路和高速电子计算机的关键材料；同时，由于它还具有光电效应的特性，可以做激光光源，又成为实现光纤通讯的关键材料，而半导体材料的研究，首先是以半导体物理学为基础的。由此看出，高新技术离不开物理学的知识与发展。科学家预言，如果在基本粒子方面物理学能取得第四次突破，技术领域将会取得更加辉煌的成果。1999年3月于美国亚特兰大市召开的第23届国际纯粹物理与应用物理联合会（iupap）代表大会通过的决议物理学对社会的重要性指出：物理学研究物质、能量和它们的相互作用的学科是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键的作用。对物理教育的支持和研究，在所有国家都是重要的，这是因为：物理学是一项激动人心的智力探险活动，它鼓舞着年轻人，并扩展着我们关于大自然知识的疆界。物理学发展着未来技术进步所需要的基本知识，而技术进步将持续驱动着世界经济发动机的运转。物理学有助于技术的基本建设，它为科学进步和发明的利用，提供所需要的训练有素的人才。物理学在培养化学家、工程师、计算机科学家，以及其他物理科学和生物医学科学工作者的教育中，是一个重要组成部分。物理学扩展和提高我们对其他学科的理解，诸如地球科学、农业科学、化学、生物学、环境科学以及天文学和宇宙学这些学科对世界上所有民族都是至关重要的。物理学提供发展应用于医学的新设备和新技术所需的基本知识，如计算机层析术（ct）、磁共振成像、正电子发射层析术、超声波成像和激光手术等，改善了我们的生活质量。综合所述，鉴于以上各项理由，物理学是教育体制和每个进步社会的一个重要组成部分。 该项决议并为此向所有政府发出了促进与支持物理学发展的多项建议和呼吁。物理学的发展和技术科学的进步，极大地推动了人类的物质文明和精神文明的进步，给人类带来了福音，但同时也带来了负面影响，如核污染、温室效应、地球变暖、能源枯竭等。因此，在物理学中，介绍科技新成果及技术应用带来的社会问题，可以激发学生热爱科学的激情，树立正确的科学观，培养学生的社会责任感，增强学生适应社会和解决社会问题的能力。物理学对完成义务教育任务具有重要作用义务教育物理课程标准（实验稿）指出，义务教育阶段物理课程的价值要通过以下教学过程体现出来：通过从自然、生活到物理的认识过程，激发学生的求知欲，让学生领略自然现象中的美妙与和谐，培养学生终身的探索兴趣。通过基本知识的学习与技能的训练，让学生初步了解自然界的基本规律，使学生能逐步客观地认识世界、理解世界。通过科学探究，使学生经历基本的科学探究过程，学习科学探究方法，发展初步的科学探究能力，形成尊重事实、探索真理的科学态度。通过科学想像与科学推理方法的结合，发展学生的想像力和分析概括能力，使学生养成良好的思维习惯，敢于质疑，勇于创新。通过展示物理学发展的大体历程，让学生学习一些科学方法和科学家的探索精神，关心科技发展的动态，关注技术应用带来的社会进步和问题，树立正确的科学观。由此可以看出，义务教育阶段的物理课程，可使学生学到初步的物理知识与技能，经历基本的科学探究过程，受到科学态度和科学精神的熏陶；物理课程是以提高全体学生的科学素质、促进学生的全面发展为主要目标的自然科学基础课程。而义务教育的目的任务是，“为提高全民族的素质，培养有理想、有道德、有文化、有纪委的社会主义建设人才奠定基础”。因此，物理课程对完成义务教育任务，特别是培养学生的科学素质具有重要作用。2 物理课程的内容物理知识可分为经典物理和近代物理两部分，简介如下。经典物理学的基本内容经典物理包括力学、热学、电磁学、声学和光学等学科。根据知识本质的内在关系，这些内容可归结为三部分，即：经典力学、热力学和经典统计力学、经典电动力学经典力学研究宏观物体低速机械运动的现象和规律。宏观，是指相对于原子等微观粒子而言；低速是相对于光速而言。经典力学包括质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、流体力学、声学等。其理论的基本部分还可分为运动学、静力学和动力学。经典力学的理论基础是牛顿机械运动三定律和能量转化与守恒定律等重要守恒规律。热力学和经典统计力学研究物质热运动的规律和运动对物质宏观性质的影响。热力学是热运动的宏观理论，从能量守恒和转化的角度来研究热运动的规律，基本规律是热力学第一、第二、第三定律。经典统计力学是热运动的微观理论，它从宏观物质系统是由大量微观粒子所组成的事实出发，认为物质的宏观性质是大量微观粒子运动的平均效果，宏观物理量是微观量的统计平均值，用统计理论的方法研究物体的宏观性质。经典统计力学的基本原理是刘维定理（相密度守恒原理）。经典电动力学研究电磁场的基本属性、运动规律和电磁场与带电物质之间的相互作用。物质的电结构是物质的基本组成方式，电磁场是物质世界的主要组成部分，电磁作用是物质的基本相互作用之一。经典电动力学包含了电磁学和波动光学的内容。法拉第关于光的振动面在强磁场中旋转现象的发现和麦克斯韦电磁理论关于电磁波传播速度等于光速的结论，证明光现象是一种电磁现象，光波是波长在一定范围内的电磁波，这样，波动光学就自然 统一到经典电动力学理论之中。而几何光学可以看成是波动光学的极限情况，故光学可作为经典电动力学的内容。经典电动力学的基本理论是麦克斯韦电磁场方程组。近代物理学的基本内容近代物理一般是指20世纪初期开始发展起来的、研究高速（接近或等于光速）微观领域物理现象的物理学科，它的研究范围已经扩展到从基本粒子到宇宙天体的各个领域，并形成了许多分支科学和边缘科学。近代物理的理论支柱是相对论和量子力学。爱因斯坦的相对论是一种区别于牛顿的绝对时间和绝对空间的时空理论。在相对论中，局限于惯性参考系中的部分称狭意相对论，推广到一般参考系和包括引力场在内的部分称广义相对论。由狭意相对论，可以推出“运动棒缩短”、“运动时钟变慢”、“同时是相对的”等一系列不同于传统时空观的结论；由广义相对论可以得出光线、空间、时间弯曲现象，万有引力效应是空间、时间弯曲的表现等结论。量子力学是研究微观粒子基本运动规律的理论，其基本方程是把描写物质粒子性的物理量与描写物质波动性的物理量联系在一起的薛定谔波动方程。量子力学的最终目的是要揭示出支配基本粒子行为的规律。将相对论和量子力学应用于物理的不同研究领域，便产生了众多的近代物理学科，如原子物理、原子核物理、粒子物理、量子光学、量子统计物理、等离子体物理、天体物理、生物物理、化学物理、凝聚态物理等。凝聚态物理研究凝聚态（固态与液态）物质的微观结构、物理性质及其内部运动规律，是由固体物理发展起来的近代物理学中最庞大的一个分支，包括固体物理学、晶体学、金属物理学、半导体物理学、超导体物质、表面物理、非晶体物理等。另外，众所周知，物理知识与生产实践的结合，还产生了一批技术科学，如无线电通讯技术、新材料科学、电工学、热工学等。它们也是物理知识的重要组成部分。需要说明的是，物理知识的分类并没有严格的标准界线。根据物质的内在属性，物理知识还可简单分为物质、运动和相互作用、能量三部分，义务教育物理课程标准就是这样对其分类的。由上述可知，物理知识丰富多彩，浩如烟海，学生不可能、也没必要学会全部物理知识。实际上，初中物理课程的内容，只是物理沧海之一滴，是其中最简单、最基本、最常用的初步基础知识。因此，如何从海洋般的物理知识中精选出适合义务教育阶段的学习内容，并以最佳的结构编制出初中物理教材，便成为物理课程论的重要课题之一。3 蓬莱日出课本中的图11“蓬莱海面的奇特日出”是孙玉平先生拍摄的。他在拍摄纪实中写道：6月26日凌晨，我跟随向导摸黑登上了蓬莱阁，拍摄蓬莱十大景观之一的 “日出扶桑”。这是一次非常奇特的日出景象，旭日在长达2分钟的时间内，竟然是一条笔直的线条，而且在不断地向左右方向延伸。然后旭日在水平线上向下蔓延，随后形成一个上圆下尖的不规则太阳。过了一会儿，太阳上空又冒出第二个扁圆形的小太阳。随着太阳升起，太阳下部出现了一连串太阳。只见由上而下，颜色由浅到深，亮度由明到暗，体积由大到小，形状由圆到扁，一个，两个，三个，四个，再往下就分不清了。很多太阳“串”在一起，一眼望去，真像一个奇特的“连体婴儿”，分不清哪是幻影，哪是实体，哪个挂在天空上，哪个浸在海水里。时间一分一秒地过去了，太阳像玩魔术似的变着花样。大约7分钟后，“串”在一起的太阳一个接一个地消失了，一轮红日升起在蓬莱阁东部的海面上。海市蜃楼是由于光的折射造成的，有关解释参见第三章“课程资料”。蓬莱地区的地理条件独特，暮春夏初时节，四周气温迅速升高时，海水温度仍很低，致使低层大气的密度远大于高层大气的密度。太阳升起时，当人站在离海面一定高度观日出时，便会看到两个甚至多个太阳。4 闪电成因及其防护闪电是大气中激烈的放电现象，它是大气被强电场击穿的结果。干燥空气的击穿场强是3106v/m。但是，在雷雨云中，由于有水滴存在，而且气压比大气压要小，所以空气的击穿需要的电场要小一些。这样强的电场会引起电子雪崩，即由于高速带电粒子对空气分子的碰撞作用使空气分子大量急速电离而产生大量电子的现象。一旦某处电子雪崩开始，它会向电场较弱的区域传播。闪电可能发生在雷雨云内的正负电荷之间，也可能发生在雷雨云与纯净空气之间或雷雨云与地之间。闪电大多是枝型的，也就是我们常见的蛇型闪电。但是人们偶尔也观察到球形闪电。发生球形闪电时，只见一个大球在空中漂移，大球的尺寸大约从10cm到100cm，有些飞行员说曾见到过15cm到30cm直径的闪电火球。有的火球由天空直落地面，有的则在地面上空水平游行。有的甚至通过门窗或烟囱进入室内。许多火球无声无息地逝去，也有些火球爆炸而带来巨响。一次闪电导入大地的总电荷量约为20c。由于云地之间的电势差约为5107v，所以一次闪电释放的能量约为109j。这些能量的大部分变为热量，只有少量变为光能或无线电波的能量。强大电流刚刚流过的瞬间，闪电通道中的等离子体的温度可升至非常高，约为30000k（太阳表面是6000k），相应地具有很大的压强。这高温高压使闪电通道的任何物体都遭到严重的破坏。高压等离子体爆炸性地向四外膨胀形成激波。在几米之外，这激波逐渐减弱为声波脉冲。这声波脉冲传到我们的耳朵里，我们就听到雷声。陆上龙卷风中的电闪特别壮观，人眼可以看到在有些陆龙卷风的漏斗内连续不断地发出闪光。根据对从陆龙卷风内部发出的无线电波的测量估计大概每秒钟有20次闪电。每次闪电释放的能量按109j计算，陆龙卷风所释放的电功率就是，即大约相当于10个大型水电站的功率。陆龙卷风的破坏力之大，由此可见一斑。雷暴与人类生活有直接关系。例如它可以引起森林火灾，击毁建筑物。当前它还是影响航空航天安全的重要因素。飞机遭雷击的事故时有发生。目前，有些国家已建立了雷击预测系统，它将有助于民航的安全和火箭发射精度的提高，并对预防森林火灾，保护危险物资、高压输电线路和气体输运管道等，都有着重要意义。5 国际物理年相关资料和图形标志的含义1905年，爱因斯坦先后发表了5篇具有划时代意义的论文，为相对论的建立奠定了基础，为量子理论的发展作出了重要贡献，这是物理学史上的一个重大事件。一百年来，以相对论和量子力学为代表的近代物理学，对人类文明和进步起到了前所未有的推动作用。为纪念这一奇迹年100周年，全球物理学界一致呼吁2005年为“世界物理年”。图1-1该倡议首先由欧洲物理学会（eps）在2000年“第三届世界物理学会大会”上提出；2002年，得到国际纯粹与应用物理联合会（iupap）第24次全体大会的一致通过；在2003年召开的联合国教科文组织（unesco）全体会议第32次会议上，表决通过了支持2005年为世界物理年的决议；2004年6月10日，联合国大会召开第58次会议，会议鼓掌通过了2005年为“国际物理年”的决议。世界物理年徽标构图像一个光锥（如图1-1）。红底代表过去。在物理学中，光谱发生“红移”是物体背离我们的方向运动的光谱特征；红色又有底部或基础的含义。蓝顶表示未来，天空是蓝色的；“蓝移”是面向我们方向运动物体的光谱特征。黄和绿表示连结过去到未来，体现出在过去的基础上建立未来的信心。其中，绿色又代表“绿灯可走”，即进步；黄色代表和平、合作。 徽标主要表达的意义是：科技的进步和国际的合作可以帮助建设光明的未来。只要我们大家，特别是物理工作者向这个目标努力，就能够得到有益于社会的新发现。6 米的定义历史上最早定义“米”，是以通过巴黎的子午线从北极到赤道之间长度的千万分之一为1m。后来在1889年第一届国际计量大会通过决议：将保藏在法国国际计量局中的铂铱合金在0时两条刻度线间的距离定义为1m，这是长度的实物基准。1960年第十一届计量大会决定用氪86原子的橙黄色的光波来定义“米”，规定为这种光的波长的1650763.73倍为1m，实现了长度的自然基准。1983年第十七届计量大会通过：米是光在真空中1/299792458秒的时间间隔内运行路程的长度。7 秒的定义人类对时间的衡量，是以自然界发生的许多周期性重复现象为基准的。人们一向采用地球绕自己轴线的转动（自转）作为时间的计量基准，并定义1平均太阳秒为平均太阳日的1/86400。通常所说的一个地方的太阳日就是太阳连续两次经过该处子午面的时间间隔。1960年国际计量大会确认，把时间基准改为以地球围绕太阳公转为依据，即：把秒