物理学与材料科学结合的机遇与挑战
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马纪东 朱逢吾
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(北京科技大学材料物理系 北京 100083)
摘 要 物理学,特别是凝聚态物理学与材料科学的交叉在近几十年已取得丰硕的研究成果.文章分四部分:(1)简要介绍了材料与材料科学的基本概念;(2)回顾近代历史上物理学与材料科学交叉的一些典型例子;(3)介绍在表面和界面、缺陷、理论和模型、微结构表征、新材料以及新工艺等领域物理学与材料科学交叉的简况及材料研究的一些前沿问题;(4)讨论物理学在纳米材料发展中的作用.关键词 材料科学,物理学与材料科学的交叉,纳米材料
INTERFAC E BETWEEN PHYSIC S AND MATERIALS SCIENCE
MA J-i Dong ZHU Feng -Wu
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(De pa rtmen t o f Ma terials Ph ysics ,Un ive rsity o f Sc ienc e an d Tech nology o f Bei jing ,Bei jing 100083,Ch ina )
Abstract The interface between materials science and physics,especially condensed -matter physics,has been a fruitful a rea of scie ntific research throughout the mode rn history of both disciplines.This paper is divided into four sections:(1)The definition ma terials as well as materials scie nce and e ngineering are briefly introduced.(2)Selected highlights in recent history of the inte rac t ion between physics and materials science a re reviewed.(3)Some lastest de -velopments in the interaction between physics and ma terials science e.g.in the areas of surface s and inte rfaces,de -fects,theory and modeling,microstruc ture charac terization,ne w materials and ne w processes are briefly reviewed.(4)The effect of physics on the development of nanomaterials is disc ussed.
Key words materials science,interface be tween physics and materials science,nano -mate rials
* 国家自然科学基金重大项目(批准号:19890310)
2001-03-09收到
- 通讯联系人.E -mail:fwz hu@https://www.doczj.com/doc/c411117799.html,
材料科学与物理学有着密切的联系,一方面,物理学作为一门基础科学总是向人类的智慧提出一些最深刻的挑战;另一方面,材料科学中不断遇到的难题又吸引着物理学家去解答,而且新材料、新工艺和各种微结构分析方法的研究又涉及到物理学的各个领域.它们的有机结合,就发展成为一门交叉学科)))材料物理.本文通过材料与材料科学的基本概念的介绍、物理学与材料科学交叉历史的回顾、交叉的一些主要领域及纳米材料的介绍,简述了物理学与材料科学交叉的特点和材料物理研究的一些前沿问题.
1 材料与材料科学
广义上说,材料是指能为人类制造有用器件的物质.但随着社会的发展,自然资源和能源的减少,材料的定义必须考虑其经济和社会因素,因此材料的定义发展为:材料是人类社会所能接受的、经济地制造有用器件的物质.在上述定义中,定语/人类社会所能接受的0包括资源、能源和环境因素.
历史学家曾用/材料0来划分时代,例如,石器时代,陶器时代,铜器时代和铁器时代等.材料的发展标志着人类文明的进步.现代科学技术的发展更离不开材料.因此,可以说材料是人类物质文明的基础.
材料按实用性大致可分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料.早期,这三类材料的发展几乎是互不关联的,分属不同的工业部门,在高等院校中有关专业也分别设在不同的系.后来,在学术交流中,人们发现这三类材料中的基本科学问题,例如,微结构与性能关系,合金化,缺陷,表面与界面,裂纹的萌生与生长,断裂等,有许多相似之处.于是在20世纪五六十年代,冶金学,化学和陶瓷工程学中与凝聚态物理概念密切相关的部分逐渐融合在一起,发展成为一门独立的学科)))材料科学.
材料科学与工程的研究领域更广泛.材料是以
其各种各样的性能(properties)服务于人类.实验表明,材料的性能与其各层次的微结构密切相关.在原子尺度上,微结构是指材料中有哪几种原子,以及这些原子是如何排列的.各种微结构是由材料的制备工艺或合成工艺决定的.最终,材料制成器件后是在一定的综合条件下服役.因此,上述的四个要素:性能,结构与成分,加工与合成工艺和服役性能(per -formance)以及它们相互间的紧密的关系,就是材料科学和工程的研究领域,可用图1中四面体的四个顶点和六条线形象地表示
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图1 材料科学与工程的研究领域,四个要素和它们相互间的密切关系
需要指出的是,这里的性能一般是指在实验室中简单条件下测量得到的各种指标,而服役性能是指做成器件(或工件)的材料在复杂的服役条件下的响应.显然服役性能对材料质量的要求更为严格.
一般来说,对传统材料,材料科学侧重于研究材料的性能、结构以及它们之间的相互关系;材料工程则侧重于研究材料的制备或合成工艺和材料的服役性能.但是随着科学技术的发展,各种先进材料,尤其是低维材料的制备工艺本身就有不少科学问题要解决,材料科学与材料工程之间的界限愈来愈模糊.
2 物理学与材料科学交叉的历史回顾
在物理学,特别是凝聚态物理学与材料科学的交叉领域,重大的科学研究成果层出不穷.一方面物理学的新成就大大推动了材料和材料科学的发展,另一方面,材料和材料科学中难题的挑战又吸引着物理学家.这样一种互动的过程,使得这个交叉领域一直生机勃勃.
下面我们举一些近代历史上物理学与材料科学交叉的典型的例子.
金属在拉伸过程中会发生形变和断裂.20世纪30年代,利用量子物理已能计算出晶体中原子间的结合力.但是理论计算出来的金属强度比实际强度要高2个数量级.这一尖锐的矛盾使物理学家提出位错的概念,提出金属形变是由位错的运动造成的,在较小的应力作用下开始运动.位错的存在及其运动规律,不但为金属材料强度的提高指明了方向,也为其他材料(如半导体、金属间化合物)有关性能的改进提供了思路.
1947年,晶体管的发明是物理学与材料科学交叉的范例.这一非凡的发明是直接基于晶体中电子的量子理论,这种量子概念的具体化是一个材料问题.只有人们能够制备出具有足够纯度和晶格完整性的半导体材料后,晶体管才成为现实的器件.在晶体管的基础上,后来半导体器件不断小型化、集成化,不仅对材料生长技术、加工技术提出更高的要求,而且也使物理学家面临建立新的理论体系的挑战,如表面、界面的结构,能带的弯曲,表面态的分布等成为科学研究的新热点.半导体超晶格概念最初是物理学家的设想,但很快就得以实现,并开辟了人工设计材料的新纪元,而人工设计材料的多样化发展也为物理学由研究天然材料转向人工材料创造了物质基础.半导体超晶格、量子阱、量子线及量子点的低维半导体量子体系成为半导体物理学和半导体材料科学的重要交叉领域.
激光的发现,最初完全是出于科学上的好奇心,而不是出于技术上的刻意创新.激光的发明是基于对量子物理的深刻理解.如今激光技术已在许多领域,例如测量学、制造业、医学和光学通信中得到广泛应用.激光技术所以得到如此迅速的发展,完全依赖于物理学家与材料科学家之间紧密的合作,从初期阶段,制备出均匀掺杂的红宝石单晶,直到现在发展新型半导体激光材料和结构.反过来激光可以作为探测新材料光学性能的有力手段,其实验结果将有利于促进量子电子学的进一步发展.
20世纪70年代,重整化群理论应用到临界现象,对材料的研究产生了深远的影响.例如,当铁磁体加热到居里点附近,或者液体加热和加压到气相和液相无法区分的临界点时,体系序参量产生巨大涨落.临界点在相变理论中起着独特的作用.当体系从高温趋近其临界点时,它开始在微观水平上调整,产生巨大的涨落.到临界点时,出现序参量,某些热力学量变成无限大.临界点在种类繁多的系统中出现,例如铁磁体中的居里点,超导体的临界温度T c ,合金中的有序-无序转变温度,以及反铁磁体的Neel 温度等.在趋近临界点时,这些不同体系的行为显示出巨大的相似性.因此在物理学中形成了致力于临界现象的研究领域,取得重要成果.物理学家开
始系统地探讨在多元系中相平衡的复杂形式,包括解释合金相图中的多临界点,以及仅利用合金组元的原子性质进行数值计算以预言上述相图.与此相关,上述研究成果有助于对材料中相变动力学过程(例如脱溶沉淀过程和凝固过程)更深入的理解[2].
3物理学与材料科学的交叉
近几十年来,人们愈来愈多地需要从分子、原子尺度来研究和控制材料,这使得物理学家加深理解物理世界的愿望和材料科学家制备和控制材料的愿望联系到一起.许多重大的发展都取决于物理学家和材料学家紧密的合作,物理学家对新现象给予解释,材料科学家制备出相应的新型材料.对材料中物理现象的深刻理解,经常导致对材料的新认识,从而使这些材料能在一些不可预料的方面得到应用.在许多情况下,物理学和材料科学之间的界限是无法严格划分的,即使给出了某种界限也只是定义或个人的偏爱.
物理学和材料科学的研究范围都十分广阔.由于篇幅限制我们不可能讨论所有的交叉领域,下面仅介绍当前十分活跃的一些交叉领域,如表面和界面、缺陷、理论和模型、微结构表征、新材料和新工艺等几个方面;然后再讨论物理学在纳米材料发展中的作用.我们介绍过去和现在相互促进的一些领域,也介绍一些材料科学中尚待解决的问题,这无疑是今后需要研究的课题.
311表面和界面
表面和界面科学是物理学和材料科学交叉的一个重要的领域.许多相互作用都发生在材料的表面和界面,体状态的性质决定材料的热力学过程,而表面和界面通常控制着动力学过程.材料表面和界面的研究已成为近年来物理学和材料科学研究很活跃的一个领域.
物理学的新进展为材料的表面和界面的理论与应用研究提供了可能.例如,离子束是物理学的一个重大发现,人们从20世纪60年代开展了用离子束注入材料表面以改变表面特性的研究.而70年代中期应用于半导体材料表面改性,用离子注入精细掺杂取代热扩散工艺,发展了平面集成.70年代末,离子注入、离子刻蚀和电子束暴光技术的结合,形成集成电路微细加工新技术,为半导体材料的发展奠定了基础.当前离子束、电子束和激光束的发展也在其他多种材料表面加工中得到广泛的应用.
表面和界面只占材料很少的体积,物理学为研究只有几层原子的结构和成分,发展了许多特殊技术,如扫描探针显微镜(SPM)、电子能量损失谱(EE LS)、扩展X射线吸收精细结构谱(E XAFS)X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)、紫外线光电子能谱(UPS)、低能电子衍射(LEED)、高分辨透射电镜(HRE M)和原子探针-场离子显微镜(AP-FIM)等方法,它们对理解表面与界面作出了重要贡献.
催化和腐蚀是人们经常提到的由表面控制的两个过程.遗憾的是,到目前为止,催化(每年为化学工业创造数十亿美元的财富)和腐蚀(每年造成数百亿美元的损失)的机理还不十分清楚.为研究它们的动力学过程,物理学家、材料科学家和化学家正在通力合作,其中物理学家提供了实验工具和电子态的理论;材料科学家集中研究结构、晶粒大小和表面、界面偏聚在这些过程中的作用;化学家提出了化学反应的知识和应用.
近年来,薄膜功能材料成为研究的热点材料,其中表面和界面所占的相对比重增大,相应的物理效应也更为突出.例如:光的干涉效应引起选择性透射和反射;电子与表面碰撞发生非弹性散射会使电导率、霍尔系数、电流磁场效应等发生变化;当薄膜厚度比电子的平均自由程小得多且与德布罗意波长相近时,在膜的两个表面之间往返运动的电子就会发生干涉,与表面垂直运动相关的能量将取分立值,由此会对电子输运产生影响;在表面,原子周期性中断,因而将产生表面能级,表面态数目与表面原子数有同一量级,对于半导体等载流子少的物质将产生较大影响;表面磁性原子的近邻原子数减少,引起表面原子磁矩增大等都是当前理论和应用研究的课题.
表面和界面在微电子学方面也是极为重要的.半导体和金属界面,半导体和氧化物界面的性质对器件有重大的影响,但是人们对界面的电性能,如肖特基势垒知之甚少.晶界是一类重要的内界面,它对材料的性能产生重要的影响.要有效地提高太阳能转换效率,必须控制多晶太阳能电池的晶粒大小.晶界也影响材料的物理和化学特性,因此研究晶界原子和电子结构,杂质偏聚,解释晶界与掺杂复合的量子效应,探索材料强度及脆性的微观机制是当前晶界电子理论研究的重要内容.
总之,表面和界面的研究不断地在理论上和实验上对物理学家提出巨大的挑战,而每一关键问题
的解决都可能具有巨大的实际应用价值.
312缺陷
许多先进材料均为单晶,但没有一种单晶是完美的,其性质往往由晶体缺陷所决定.这些缺陷可能是点缺陷,如空位或杂质原子,它们会影响原子运动和扩散过程,这对时效沉淀、受损伤晶体的退火等现象有重要的作用;这些缺陷也可能是线缺陷,如位错,它们决定了固体的力学性能,而且对于结晶过程、相沉淀、相转变也起了重要作用.半导体中的缺陷会影响材料的电学性质,甚至会使器件失效.因此在单晶材料的应用中,缺陷的控制是绝对必要的.
物理学家已经在原子水平上建立模型,解释缺陷如何影响材料的宏观性质,分析它们的来源,这些都加深了人们对缺陷结构和性质的理解.材料科学家在对缺陷深入认识的基础上,在实践中不但提出了减少缺陷的方法,如在半导体硅材料研究中相继提出无位错硅单晶生长方法,还提出利用缺陷的方法,如在集成电路用的硅片中广泛采用/缺陷工程0等措施,大大改善了材料的使用性能,提高了器件的成品率,并为材料发展开辟了新路.
对硅中缺陷的研究比较详细,但仍存在许多问题有待解决.如硅中不同缺陷的成因和本质,它们对材料和器件性能的影响,以及与缺陷相关联的杂质的行为和控制,仍是要继续深入研究的课题.对其他半导体材料中的缺陷了解得更少,控制更难,例如降低砷化镓、磷化铟单晶的位错密度,研究位错与点缺陷、微沉淀物间的关系就是十分重要的课题.
在非单晶材料中,缺陷同样十分重要.例如,反应堆内壁材料受辐照后点缺陷的产生与湮灭规律及其对材料性能的影响,还有不少课题要研究.此外如在准晶、薄膜等材料中缺陷的形态及其对性能影响的研究.
313理论和模型
理论和模型对材料科学的贡献是大量的而且是多方面的,一些是直接的,但有许多是间接的.
计算物理学是材料科学家广泛应用的新工具,并促进了计算材料学的诞生.定量模型的发展是物理学和材料科学交叉的另一个主要部分,物理学家已提出了许多详细的材料工艺模型,如在非晶和无序材料中努力改善模型和使用计算机模拟.物理学的一些新概念也常常在材料科学中得到应用,如分形是一个重要的理论概念,它在相变、断裂和微结构演化方面有很多应用前景.统计力学方法,例如重整化理论在临界现象和微结构演化中也是非常重要的.对微电子工业十分重要的晶体生长曾经是相当大的模型和计算机模拟课题,该课题的研究使人们能在原子水平上相当详细地了解这个复杂的生长过程.渗流概念也已用于相分离和玻璃结构.液晶中的相变理论已经与生物功能膜的活动相关联[2].
物理理论和模型促进了材料科学的发展,但是现在也仍然有许多挑战.例如,非晶态的结构和弛豫性质还很不清楚,对非晶半导体的电子性质知之甚少.在前面提到的许多材料中,缺陷结构和电子性质还需要从理论上深入探讨,在材料科学中还需开展微观与宏观之间相互关联机制和相互跨越问题的理论和模型的研究.这对物理学家来说,存在着许多诱人的机遇和挑战.
314微结构表征
过去几十年中,基于近代物理学原理的测定材料微结构的仪器不断涌现,其中影响最大的要数1986年获诺贝尔物理学奖的电子显微镜(被誉为20世纪最重大的发明之一)和扫描隧道显微镜(被认为是20世纪80年代世界十大科技成就之一),以及由它们派生出来的各种相关仪器.其他获诺贝尔物理学奖的项目,如X射线(1901年)、穆斯堡尔谱(1961年)也都对材料的发展产生深远的影响
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图2各类显微镜和谱仪的原理示意图
各类显微镜和谱仪的基本原理如图2所示,其中的圆圈代表待分析试样,指向试样(向内)的箭头表示用来激发试样的各种探针,图中共6种.试样对这些激发可能产生的响应用离开试样(向外)的箭头表示,这些响应中包括了有关试样的各种信息.每种一个向内箭头和一个向外箭头的组合,可以构成一种潜在的分析技术.从图2看出,只有36种组合可供选择,人们已对所有这些种组合进行过尝试,大约有半数组合已被或多或少地普遍应用.当然,实际的
测试仪器种类数比这些组合数更多很多.实际上,一种组合可能发展成几种完全不同的测试仪器.例如对于电子-电子组合,即入射束为电子,当从样品激发出来的也是电子的情况下,如果收集从样品表面弹性散射的电子,则可得到样品表面原子排列的信息(低能电子衍射技术LEED),如果测量表面散射电子的特征能量损失,在高低不同的能损区,又可得到内层电子能级激发、外层电子气的集体振荡和表面晶格振动的不同信息.因此新的测试仪器种类的数目远不止以上的估计.此外旧的测试技术还可以通过改进,或用新的理论模型分析所得到的信息,使测试性能得到提高.如今,空间分辨率在一定的条件下已能观察到单个原子.时间分辨率已达到10-15s,快于分子振动周期,有可能更仔细地研究某些动力学过程.可以毫不夸张地说,没有这些分辨率愈来愈高的现代测试仪器,材料科学不可能获得今天如此巨大的进步.
微结构的定量描述一直是材料科学中的重要课题,成为物理学家和材料科学家合作的又一领域.这方面的工作才刚刚开始.
315新材料
物理学对新材料的发现和材料的新应用有直接的作用.智能材料的研究是近年来材料科学与工程领域的热点之一,有人把21世纪称为智能材料世纪.智能材料是一门多学科的交叉,其中一些分支的发展是与物理现象的发现和物理理论的指导密切相关的.例如,形状记忆合金就是由偶然发现的物理现象发展起来的.它在某些领域已达到实用化程度,但在许多领域仍有待进一步完善,例如扩大实用合金种类等.光导纤维材料是现代信息中最重要的传输材料,用其制成的光纤传感器,具有优异的特点,但是其物理理论基础仍是当前器件研究的主要课题之一,如一些材料的实用性、传感器的灵敏度的限度和适应性等.
高温超导材料是当代材料科学的又一个热点. 1986年以前人们寻找到的超导材料的临界温度T c 最高仅有23.2K;1986年K.A.M ller和J.G.Bednorz 发现在35K的超导现象,这是最近几十年来物理学和材料科学领域中的重大突破之一,由于这一成就,他们在1987年获得了诺贝尔物理学奖.自1901年以来,因为超导研究而获得诺贝尔奖的有8位物理学家,这足以说明超导电性在物理学中的重要地位和物理学对超导材料发展所起的重要作用.目前高温超导仍处于研究阶段,一方面是高温超导理论尚未建立,高温超导体向传统理论提出挑战,因此如果物理学家给超导一个合理的解释,不但会消除材料发展的障碍,也将对凝聚态物理学的发展产生极为深远的影响;另一方面是实践应用上的困难,例如,何时才能找到室温下稳定的高温超导体,如何解决超导体和非超导体的衔接,如何降低成本,使样机实用化,这些实用上出现的困难对物理学和材料科学都是挑战和机遇.
物理学家也促进了导电分子晶体、导电聚合物的发展及对分子组合的理解.生物医学材料是材料科学和医学间重要的相关领域,物理学家也面临着人工材料和生命体系之间的复杂现象的挑战.
316新工艺
物理学主要通过提供新技术和对原有工艺的改进来促进工艺技术发展.
离子束刻蚀技术是由物理学家开拓的,而且其与材料表面的相互作用涉及到等离子体物理和原子物理理论.由于其可在较低温度成膜,可溅射沉积各种材料,适用于高性能、高功能和特殊性能的薄膜的要求,可用来探索新材料.
激光技术在材料科学也得到广泛应用,如激光拉曼光谱与XRD技术配合可确定新材料的晶体结构,它也是研究半导体材料的重要手段.激光还可以用来研究材料表面,激光探针可以用于材料的微区成分分析.而且激光束作为载能束之一,可用于制备新材料和对材料表面改性,是近十几年来材料科学的新技术之一.
外延是一种制备单晶薄膜的技术,分子束外延是新发展起来的典型的外延制膜方法,它的发展也是与物理学相关的.
随着材料科学中工艺技术的发展,对物理学也提出更高的要求.例如半导体集成电路集成度的增加、最小线宽的缩小、芯片面积的增加,使离子注入、激光退火、吸除工艺等在半导体器件制备中更加重要,在完善集成电路级晶片加工工艺和包封技术方面,在发展半导体材料微区的自动、快速和无损检测手段,实施集成电路制备的在线监控,研究新的测试方法方面,对物理学都有许多重要的机遇存在.
4物理学在纳米材料发展中的作用
1959年,著名物理学家、诺贝尔奖获得者费恩曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,最后将变成根据人类意愿,逐个地排列原子,制造产品,
这是关于纳米技术中最早的梦想.20世纪70年代,科学家开始从不同的角度提出关于纳米科学的构想[3].1981年,德国学者格莱特首次提出纳米材料的概念[4].今天,纳米材料和加工技术的出现,正在把他们的向往展现在人类面前.
纳米材料科学研究是与凝聚态物理学研究紧密结合的.纳米材料至少在一维方向上受到纳米尺度调制,可以分为三维、二维和一维.这种独特的结构特征就产生了新的物理现象,如量子限域,介电限域效应,表面、界面效应,小尺寸效应,量子尺寸效应等.这预示着微观结构的新问题,如电子的相关性、电子能级及其分布、表面结构和表面态、局域化、量子输运和量子隧穿等物理问题,这也预示着宏观性质的新变化,如强度、硬度增大,低密度、低弹性模量,高电阻、低热导率等优良的性能.理论不仅可以解释这些性能,而且为材料的改性和发展新一代高性能的纳米材料创造了条件.
纳米材料是一种新型材料,人们对它的特殊性能的应用抱有极大兴趣.例如纳米微粒的小尺寸效应,可用来制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等,还可制成磁性液体,应用于电声器件、阻尼器件、润滑等.纳米陶瓷的塑性高、烧结温度低,但仍具有类似于普通陶瓷的硬度.纳米金属材料熔点极低,不仅可以在低温下烧结成合金,而且可望将一般不可熔的金属冶炼成合金,制成质量轻、韧性好的/超塑0钢等特种合金.纳米颗粒也是一种极好的催化剂,不仅能提高催化效率,还可以改善材料的催化选择性.纳米半导体材料有可能成为新的光电子材料.随着颗粒尺寸减少,禁带宽度增大,发光颜色变化的特征具有广泛的应用前景.20世纪90年代以来,碳纳米管的发现成为纳米材料发展的新亮点[5],它是典型的一维量子线,有奇特的物理性质,即在平行于它的轴向加一磁场时,通过它的磁通量是量子化的.
纳米材料具有广泛的应用前景,但其实用化还依赖于制备技术的发展及人们对其结构性能的进一步理解,这需要材料科学、物理学、化学和化学工程等多方面的配合与协作.作为未来全球科技发展的关键技术之一的纳米科技的研究和应用,必将有着十分广阔、诱人的发展前景.
5结束语
物理学研究的进展促进了材料科学的发展,同时材料科学中的问题也向物理学家提出意义深远的挑战,它们是紧密结合的,从最基础的科学研究到最直接的技术应用没有截然的界限,特别是随着科学技术的高速发展,这种联系更加明显.从1901年至2000年的诺贝尔物理学获奖项目中,据我们统计,与材料科学有直接或间接联系的约有70项,其中材料科学基础理论方面的约有6项,与材料的性能、结构、机理研究有关的约29项,与材料的测试技术、仪器、器件应用有关的约35项.其中不少项目对物理学和材料科学研究都有重大意义,如第一届获奖项目伦琴的X射线的发现,既是拉开现代物理学革命序幕的第一项重大成就,又为X射线学以及材料的一系列X射线研究、表征和测试方法开辟了道路.如中子的发现既是核物理学的重大发现,又为材料物理中探索物质成分、结构的研究,提供了中子活化分析、中子散射技术等研究方法.而穆斯堡尔效应的发现,既是凝聚态物理学的理论研究,也发展了材料的研究方法.因此,这些诺贝尔物理奖项也是对物理学和材料科学交叉学科发展的支持.2001年10月,欣闻21世纪第一年的诺贝尔物理奖项目是因发现一种新的物质状态、并可用于精确测量和纳米技术而被选中的,无疑这是一个好的预兆,祝在21世纪物理学和材料科学的共同发展有一个美好的未来.
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李荫远院士新书赠阅
编辑部现有李荫远院士编著的5当代新诗100首赏析(1949)2000)6若干,每本均有李先生的亲笔签字.为与物理学界广大诗歌爱好者交流沟通,李先生愿意向5物理6的读者赠送该书.凡喜好诗歌的读者,可以向编辑部来信免费索取,来信请注明详细通讯地址以及个人简单信息,数量有限,送完即止.
2.运动的合成与分解 1．知道什么是合运动和分运动。 2．理解分运动的独立性，掌握运动合成与分解的方法。 3．能用平行四边形定则分析运动的合成与分解。 1.一个平面运动的实例 在蜡块匀速上升的同时，将玻璃管紧贴着黑板沿水平方向向右匀速移动。 (1)建立坐标系：以蜡块开始匀速运动的位置为原点O，以水平向右的方向和竖直向上的方向分别为x轴和y轴的方向，建立□01平面直角坐标系。 (2)蜡块运动的轨迹：若以v x表示玻璃管向右匀速移动的速度，以v y表示蜡块沿玻璃管匀速上升的速度，则有x＝□02v x t，y＝□03v y t。消去t，得到y＝□04 v y □05直线。 v x x，可知蜡块的运动轨迹是 (3)蜡块运动的速度：v＝□06v2x＋v2y，方向满足tanθ＝□07v y v x。 2．运动的合成与分解 (1)合运动与分运动：如果一个物体同时参与□08几个运动，那么物体实际发 □09合运动。那几个运动就叫作这个实际运动的□10分运动。 (2)运动的合成：由分运动求□11合运动的过程。 (3)运动的分解：由合运动求□12分运动的过程。 (4)运动的合成与分解实质是对物体的□13速度、加速度、位移等物理量进行
合成与分解。 (5)运动的合成与分解遵从□14矢量运算法则。 判一判 (1)合速度就是两个分速度的代数和。() (2)合速度不一定大于任一分速度。() (3)合位移一定大于任意一个分位移。() (4)运动的合成就是把两个分运动加起来。() (5)运动的分解就是把一个运动分成两个完全相同的运动。() (6)运动的合成与分解遵循平行四边形定则。() 提示：(1)×合速度是各分速度的矢量和，而不是代数和。 (2)√ (3)×根据矢量三角形可知，合位移不一定大于任一分位移。 (4)×运动的合成遵从平行四边形定则，而不是简单相加。 (5)×(6)√ 课堂任务运动的合成与分解 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：如果玻璃管沿水平方向匀速运动，蜡块实际的运动会怎么样？ 提示：蜡块参与了两个运动，就是水平方向的匀速直线运动和竖直方向的匀速直线运动。蜡块实际上做匀速直线运动，如图乙中斜线。 活动2：如果玻璃管沿水平方向做加速运动，蜡块的运动又会怎么样？ 提示：玻璃管沿水平方向做加速运动，蜡块也被迫在水平方向做加速运动，这样，蜡块运动到玻璃管顶部的过程不再是条直线而是曲线。
信息技术与物理教学 利用信息技术辅助中学物理教学，可以将内容结构的表达多媒体化，变微观为宏观、变抽象为形象、变静态为动态、变不可操作为可操作过程，有效地激发学生的学习兴趣，产生浓厚的求学动机，同时也可以提供多种感官的综合刺激，延长知识的保持时间，增加获取信息的数量，掌握更多的知识。信息技术在物理教学中最重要的应该是应用与创造性。 （一）、挖掘计算机的基础作用与学科进行巧妙结合 学生通过用温度计测量正在加热的水的温度后收集到每一分钟后水上升的温度，面对这些枯燥简单的数据他们能发现其中的秘密吗？为了把抽象的数字变得具体形象，我采取让学生分组把收集到的数据填写到EXCEL表格中，然后我提出能把这些数字一下儿变成图，一听这儿，学生更加来了精神，一个都瞪大了眼睛想看个究竟。当我做出折线图后进一步对图进行分析，这时我提出通过折线图你发现其中的秘密了吗？学生一听折线图里还藏有水温变化的秘密，一个个更加好奇。于是学生纷纷画出本组折线图进行谈论研究。很快水在升温时先快后慢的规律就揭开了。按照同样方法，水降温时的规律学生自己研究也很快得出了答案。通过EXCEL软件的一个小小作用在教学中的使用不仅仅轻而易举地解决了本课的问题，而且还使学生掌握了一种分析数据来解决问题的方法。
（二）、在活动中采取协作学习 在学生活动中我采取了让学生分工合作来共同进行研究的教学形式。如：每组5个人，有负责看时间的；有负责想电脑中录入数据的；有看温度计的……各有其职，每一个学习者都扮演一定的角色，每一个人的工作都直接影响着小组任务的完成。实践证明，每一个学生都非常投入，在愉快而忙碌的活动中他们共同互相学习，互相帮助。当发现其中的秘密时他们又共同分享着喜悦与成功。 （三）、在学习中让学生处处体验科学研究的过程与方法 科学研究是经历一个不断探索发现---假设---实验研究---验证等的实践过程。所以在教学中我采取了让学生经理收集数据---进行假设---分析数据得出结论---验证结论这一科学研究过程，使学生体会研究问题的方法。同时科学又是解决一个问题又会不断发现新的问题。为此本课设计时我还采取了以问题开始以问题结束，不断印发学生思考，从而激发学生不断探究的欲望与兴趣。 三、值得进一步研究的问题 将信息技术应用与教学所追求的目标应是提高教学效果和促进学生的全面发展应用信息技术重要的是应用的理念。如何创造性地运用信息技术下的教学。 （一）、多猜，给学生一个独立思考与学习的支点
信息技术与初中物理课程整合教学设计——压强 一、教学目标 ●知识与技能目标 1．理解压力的概念，知道压力的作用效果跟压力大小和受力面积的大小有关 2．掌握压强的概念，知道压强的计算公式，会进行压强的简单计算 3.了解增大或减小压强的主要方法 4.使学生初步掌握运用现代信息技术和网络技术等多媒体工具．进行协作式自主学习。 ●情感、态度与价值观目标 通过科学探究活动，渗透逻辑推理的方法．学习科学家丰富的想象力和不断进取的精神，团结协作的精神，培养学生终身学习的能力和对自然学科探究学习的兴趣。 二、重点难点分析 重点：探究压力作用效果影响因素的实验。 难点：概括实验结论而引导出压强的概念。 三、教学对象分析及其学习需要分析 通过上一章的学习，学生已经知道力学的一些基本知识。通过现代信息技术课程的学习，大多数学生已经初步掌握多媒体电脑的基本操作，如word文档、powerpoint的制作、输入、编辑，以及网络的初步知识，会收发邮件，会上网搜寻相关的信息等。在此基础上，通过设计多媒体模拟实验，教师指导学生进行科学探究，协作学习，反馈交流，应该能够很好地突破本节课的难点．达到预期的目标。 四、教学媒体设计阐述 本节课利用现代信息技术精心设计、选择足够的信息资源完成教学。内容包含发现并提出问题、猜想与假设、实验探究、得出结论、意义建构、应用创新等多种学习情景．可方便地为具有不同认知水平的学生。同时创设了多个多媒体动画模拟学习情景和相关的信息链接．如动画展示雪地行走，脚容易陷入积雪，有了宽宽的滑雪板，运动员不仅不会陷进雪里，而且还能在雪地上飞速滑行进行设疑。同时利用人机交互性激发学生探究规律的兴趣。保证学生的学习活动始终处于正确的轨道上。为了充分调动学生的思维，发展学生的创造能力，在教学过程中设计了学生探究性实验，我给每小组准备如下的器材：海棉、压力小桌、砝码、木板、装有沙的容器，同时电脑模拟压力作用效果的影响因素，放映增大和减小压强的方法等等，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力，尊重客观事实，实事求是的科学态度，促使学生形成良好的学习习惯和终身学习的能力。 五、教学过程 ●教学媒体 教师：大屏幕投影、网络教室、多媒体计算机 学生：网络教室、多媒体计算机、海棉、压力小桌、砝码、木板、装沙的容器等 ●教学方法 主要采用探究式教学法，让学生教师引导下，通过自主探究来发现规律。 ●主要教学过程设计 (一)引入新课。 实验：手指压住铅笔两端，感觉有什么不同？（图实验一） 问：为什么笔尖的一端手指感到痛？是压力大吗？ (二)压力
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/c411117799.html, 信息技术与初中物理教学的深度融合 作者：林晓群 来源：《学习与科普》2019年第28期 摘要：面对新一轮的课程改革，将信息技术与学科教学深度融合，已然成为广大教学工作者的共识和共同追求目标。对其进行研究，无论是对于学生学习兴趣的充分激发，抑或是课堂教学质量的优化提升，乃至教育教学改革的深入推进都有着极为重要的作用和意义。基于此，本文就对信息技术在初中物理教学中的具体运用策略展开论述，以供参考。 关键词：信息技术;初中物理;导入;情境;探究 长期以来，我国初中物理课堂的教学模式单一僵化，即教师只是一味地向学生讲授和灌输课本内容，这便在极大程度上僵化了学生的学习思维，进而不利于激发学生的学习兴趣，也不利于深化学生的理解认识。鉴于此，作为初中物理教师，我们应当勇于革新传统的教学观念，并积极探索和寻求将信息技术与课堂教学深度融合的途径与方法，以优化物理教学过程，提高课堂教学效率，从而获取理想中的教学预期。 一、运用信息技术，实现有效导入，激发学习兴趣 课堂导入作为一节课的开端，它虽然所占时间很短，但却在极大程度上影响着课堂教学质量的优劣，关乎着学生学习兴趣的高低。基于此，作为初中物理教师，我们应在充分认识到课堂导入重要性的基础上，积极借助丰富多彩的图片或生动形象的视频来导入新课，以便在激发学生学习兴趣的同时，还能够顺理成章地引出新课内容，从而为接下来教学活动的顺利开展奠定一个坚实的基础。 在教学《变阻器》这节之初，我先是运用信息技术向学生播放了一小段杨丽萍的舞蹈视频——《月光》。在观看视频的过程中，学生都表现出了极大的兴趣。待其播放完毕，我适时向学生问道：“同学们，舞蹈看完了，你有什么感受？思考一下，除了舞蹈家精湛的舞蹈功底，还有什么是完成一场精彩的舞蹈表演所必须具备的？”一石激起千层浪，待学生简要阐述了自己的想法之后，我先是对学生的回答予以了充分的肯定，并继续说道：“刚刚我听到有的同学说灯光效果。没错，一个好的灯光效果确实可以极大程度地渲染舞台氛围，那么这些变幻莫测的灯光是靠什么来调节的呢？”如此，通过以一段舞蹈视频引入新课教学，不仅激活了课堂教學活力，而且还聚焦了学生的注意力，激发了学生的学习兴趣，这便为接下来教学内容的讲授奠定了基础。 二、运用信息技术，创设直观情境，突破教学难点 物理学是一个十分广博和复杂的知识体系，正是由于物理学科极具时空性、微观性、运动性等其他学科所无法比拟的特点，决定了许多物理学的真实情景无法进行直观展示，这便为学
专题9 运动的合成与分解 命题点一曲线运动的条件和特征 1．条件 物体受到的合外力方向与速度方向始终不共线． 2．特征 (1)运动学特征：做曲线运动的物体的速度方向时刻发生变化，即曲线运动一定为变速运动． (2)动力学特征：由于做曲线运动的物体所受合外力一定不为零且和速度方向始终不在同一条直线上(做曲线运动的条件)．合外力在垂直于速度方向上的分力改变物体速度的方向，合外力在沿速度方向上的分力改变物体速度的大小． (3)轨迹特征：曲线运动的轨迹始终夹在合外力的方向与速度的方向之间，而且向合外力的一侧弯曲． (4)能量特征：如果物体所受的合外力始终和物体的速度垂直，则合外力对物体不做功，物体的动能不变；若合外力不与物体的速度方向垂直，则合外力对物体做功，物体的动能发生变化． 【例1】如图所示，一个物体在外力F的作用下沿光滑的水平面沿曲线从M加速运动到N，下面关于外 力F和速度的方向的图示正确的是（） A．B． C．D． 【例2】物体做曲线运动时，可能是以下哪种情况（） A．速度的方向不发生变化而大小在不断地变化
B ．速度的大小和方向都不发生变化 C ．速度的大小不发生变化而方向在不断地变化 D ．加速度一直为零 命题点二 运动的合成与分解 1．分析运动的合成与分解问题时，一般情况下按运动效果进行分解． 2．要注意分析物体在两个方向上的受力及运动规律，分别在两个方向上列式求解． 3．两个方向上的分运动具有等时性，这常是处理运动分解问题的关键点． 【例3】如图所示，某同学对着墙壁练习打乒乓球，某次球与墙壁上A 点碰撞后水平弹离，恰好垂直落在球拍上的B 点，已知球拍与水平方向夹角=60θ?，AB 两点高度差1m h =，忽略空气阻力，重力加速度210m/s g =，则球刚要落到球拍上时速度大小为（ ） A ．m/s B ．m/s C m/s D ．m/s 【例4】如图所示，跨过同一高度处的光滑定滑轮的细线连接着质量相同的物体A 和B ，A 套在光滑水平杆上，B 被托在紧挨滑轮处，细线与水平杆的夹角为30°，定滑轮离水平杆的高度h ，不计空气阻力。当B 由静止释放后，以下说法正确是（ ） A ． B 物体到最低点前，A 速度始终大于B 的速度 B ．B 物体到最低点前，A 速度始终小于B 的速度
信息技术与初中物理教学的整合 山南镇中心学校毛玉峰E-mail: 关键字：网络互动物理学习资源库自主性学习 信息时代的到来极大地改变着人们的思维方式和学习方式，并导致学校教育越来越走向网络化、虚拟化、个性化。面对这种日新月异的数字化学习环境，物理教学应重点放在研究现代信息技术环境下学生的学习问题上，信息技术与初中物理新课程的整合不能停留在工具层面上，应深入探究教学设计、教学策略，以形成教学模式，应结合教学理论和实践，以推进物理教学的彻底变革。通过学习 觉得如下较为有效： 一、物理教学中的网络互动教学 网络互动教学模式使教师的主导地位和学生的主体地位得到了充分的体现。教师的主导地位的体现，一个方面在课前的准备（包括教学设计、资源准备、课件设计等）上，另外一方面在于上课时对课堂的控制。而网络互动本身又存在多种互动类型，其教学目标的实现与教学创新是模式转变的亮点与难点所在。 1、课前准备 实施网络互动模式，教师的课前准备工作变得更加复杂与更有意义，教师不仅要熟悉教学内容，备好课本，而且要花大量的时间与精力搜集与教学内容相关的、可以突出教学重点和突破教学难点的资料用以制作网络课件，这些资料包括文字、图片、声音、动画、视频等等，在计算机的控制下有机的整合起来，运用到局域网中得到高速的传输，。教师的教学思想与设计要在课件的制作中体现出来，对学生在利用网络课件上课的过程中可能出现的问题要作出适当的预测，并且为了实现教学目标对课件进行精心的设计。传统物理教学的课前准备在某种程度上不是教师的＂独角戏＂，因为物理课本身的原因，真正要求学生参与预习和备课，和教师一起做好课前准备。同时网络氛围下，教师可以发动学生积极参与资料的搜集与材料的整理与加工，在参与的过程当中不知不觉的对新知识已经有 一定了解。 2、教学控制
信息技术与初中物理课程整合教学设计 ——————压强 一、教学目标 ●知识与技能目标 1．了解压强的概念，理解什么是压力，什么是物体的受力面积，理解压强的大小跟哪些因素有关。 2．了解压强公式中各个物理量的名称、单位及符合，知道压强单位的由来。 3. 了解压强的增大和减小的主要方法。 ●过程与方法目标 1．观察生活中各种和压强有关的现象，了解对比是提高物理思维的基本方法。 2．通过探究压力的作用效果的影响因素，使学生初步掌握“提出问题一猜想与假设一设计方案一实施方案一分析论证一评估矫正”等基本环节。 3.使学生初步掌握运用现代信息技术和网络技术等多媒体工具．进行协作式自主学习。 ●情感、态度与价值观目标 1. 经历观察、实验及探究等学习活动，培养学生尊重客观事实，实事求是的科学态度。 2.通过科学探究活动，渗透逻辑推理的方法．学习科学家丰
富的想象力和不断进取的精神，团结协作的精神，培养学生终身学习的能力和对自然学科探究学习的兴趣。
二、教学内容及重点难点分析 教学内容：探究压力的作用效果的影响因素，推理得出压强的概念。 重点：探究压力作用效果影响因素的实验。 难点：概括实验结论而引导出压强的概念。 三、教学对象分析及其学习需要分析 通过上一章的学习，学生已经知道力学的一些基本知识。通过现代信息技术课程的学习，大多数学生已经初步掌握多媒体电脑的基本操作，如word文档、powerpoint的制作、输入、编辑，以及网络的初步知识，会收发邮件，会上网搜寻相关的信息等。在此基础上，通过设计多媒体模拟实验，教师指导学生进行科学探究，协作学习，反馈交流，应该能够很好地突破本节课的难点．达到预期的目标。 四、教学媒体设计阐述 以现代教育理论为指导，以学生发展为目标。依据基于现代信息技术和网络技术构建起来的初中物理网络化课堂教学模式的基本操作程序．结合“压强”知识，贯穿“从生活走向物理，从物理走向社会”的基本思想，设计本节网络化课堂教学方案．以此推动信息技术与物理学科整合教学，达到新课标要求。使学校资源得以充分的利用。
信息技术与物理学科的整合 一、“整合”是时代的需要 目前我国的基础教育改革，以推进素质教育为目标，以实现教育信息化为特征，正在突飞猛进的发展。陈至立部长明确指出，教育信息化的目标就是要实现课程的有机“整合”。在开好信息技术课程的同时，要努力推进信息技术与其它学科的整合，鼓励在其他学科的教学中广泛应用信息手段，并把信息技术教育融合在其它学科的学习中。各地要积极创造条件，逐步实现多媒体教学进入每一间教室，积极探索信息技术教育与其他学科教学的整合。并且在这种整合中，要引入先进的教学观念，与之相应的新的教学目标、教学方法及评测手段。 摆在物理学科面前的重要任务，就是要努力推进信息技术与物理学科的“整合”，在新的形势下，以新的条件、新的手段、新的教育教学观念、新的视角，对物理学科进行改革，这种改革将在不同层次逐步推进，上至大纲教材，下至课堂、课外。这种改革是时代的需求，带有信息时代的特色，步入一个崭新的跨跃阶段，对于每一个学校，每一个教师都是一个机遇、一次挑战。物理教学所面对的是新的目标和要求，是空前扩展的教学资源、是空前广阔的视野、是空前便捷的条件，必然带来全新的教学模式和教学方法，达到空前优化的教学效果。 信息技术与物理学科的整合，不是简单的“叠加”、“掺合”，而是使信息技术成为课堂教学内在的组成部分。这里有二层含意，一是信息技术要广泛进入物理课堂，使之成为整合起来的课程的一个组成部分;二是物理学科要广泛采用信息技术,用信息技术去整合学科课程,即它是整合的手段。信息技术是课堂不可缺少的组成部分，不是附加的、辅助的、可有可无的，而是与物理课程有机结合的、融为一体的。 信息技术与物理学科要整合，首先要转变观念，要懂得目前已经进入信息时代，人们生活在信息的海洋，但又感到信息的饥渴，日新月异的信息技术，涌进人们的生活，必将改善表达信息的形式与能力，缩短传播信息的时间与途径，提高处理信息的速度与质量，因此，必须寻求最佳的传递和处理信息的方法。多媒体教学根据思维科学关于形象思维与抽象思维交叉进行和谐发展的原理，既要充分发挥教师组织与主导教学的作用，又要启发学生通过对各类形象化教学媒体的观察思维去积极主动地、生动活泼地感知教材，只有这样才能跟上时代的步伐，实现物理教学的整体优化。 二、“整合”是改革的过程 信息技术与物理学科的“整合”，不是一个简单的操作过程，而是一个长期的复杂的学习、研究和实践的过程，是一个上上下下，多方合作的整体工程。需要有体现“整合”观念的物理教学大纲及课程标准，需要有体现“整合”精神的物理教材，需要有经过培训具有“整合”思想的物理教师，需要有方便教师使用的经过科学整合的多媒体教育教学素材库，需要有与之相适应的硬件设施等，这就需要方方面面对众多的项目进行广泛的探索、研究、实践。对于一般学校和物理教师而言，最直接的研究项目，就是在已有教学大纲和教材的框架下，去研究信息技术与物理课程的“整合”。 信息技术与物理课程的“整合”，是一个教学改革过程，要破要立，要改变那种只重教
学科教师辅导教案 组长审核：
（三）本节考点讲解 考点一：力的合成与分解 一）例题解析 例1 (多选)如图所示，物体在恒定外力F的作用下沿曲线从A运动到B，此时突然使物体受到的力F反向，大小不变，则关于物体以后的运动情况，下列说法中正确的是( ) A．物体不可能沿曲线Ba运动 B．物体不可能沿直线Bb运动 C．物体不可能沿曲线Bc运动 D．物体不可能沿原曲线由B返回A 相关知识点讲解、方法总结 【知识点1】曲线运动 1．速度的方向：质点在某一点的速度方向，沿曲线上该点的切线方向。 2．运动性质：做曲线运动的物体，速度的方向时刻改变，故曲线运动一定是变速运动，即必然具有加速度。3．物体做曲线运动的条件 (1)运动学角度：物体的加速度方向跟速度方向不在同一条直线上。 (2)动力学角度：物体所受合外力的方向跟速度方向不在同一条直线上。 1、总结升华 决定物体运动的两因素 决定物体运动的因素一是初速度，二是合力，而物体运动的轨迹在合力与速度方向的夹角范围内，且弯向受力方向，这是分析该类问题的技巧。 二）巩固练习
1.一个物体在光滑水平面上以初速度v0做曲线运动，已知此过程中水平方向只受一个恒力的作用，运动轨迹如图所示，M点的速度为v0，则由M到N的过程中，速度大小的变化为( ) A．逐渐增大B．逐渐减小 C．先增大后减小D．先减小后增大 2．质点在xOy平面内运动的轨迹如图所示，已知质点在y方向的分运动是匀速运动，则关于质点运动的描述正确的是( ) A．质点在x方向先减速运动后加速运动 B．质点所受合外力的方向先沿x正方向后沿x负方向 C．质点的加速度方向始终与速度方向垂直 D．质点所受合外力的大小不可能恒定不变 考点二：运动的合成与分解 一）例题解析 例1、[2017·太原模拟](多选)如图在灭火抢险的过程中，消防队员有时要借助消防车上的梯子爬到高处进行救人或灭火作业。为了节省救援时间，在消防车向前前进的过程中，人同时相对梯子匀速向上运动。在地面上看消防队员的运动，下列说法中正确的是( ) A．当消防车匀速前进时，消防队员一定做匀加速直线运动
专题：运动的合成与分解的应用 合运动与分运动的关系：满足等时性、等效性与独立性．即各个分运动是独立进行的，不受其他运动的影响，合运动和各个分运动经历的时间相等，讨论某一运动过程的时间，往往可直接分析某一分运动得出． 一、小船渡河问题分析 小船渡河是典型的运动的合成问题。需要理解运动的独立性原理，掌握合速度与分速度之间的关系。小船在有一定流速的水中过河时，实际上参与了两个方向的分运动，即随水流的运动v 水（水冲船的运动），和船相对水的运动v 船（即在静水中的船的运动），船的实际运动v 是合运动。 小船渡河 两种情况：①船速大于水速；②船速小于水速。 两种极值：①渡河最小位移；②渡河最短时间。 1、v 水
探索信息技术与物理学科的整合 研究报告 课题探索信息技术与物理学科的整合 组长王贤勇 成员王贤勇 时间2004年2月20号 内容摘要：21世纪是信息技术占主导地位的世纪，信息技术正在影响和改变着各个领域。如今，信息技术已经步入课堂，它将导致教育思想、教学理论、教学模式、教学方法、教学手段等发生重大的变革。本课题探索的目标就是如何让信息技术与物理学科很好的整合，从而推进物理教学的发展，培养学生的信息素养能力、信息处理能力、创新能力、创造能力以及实践能力。 关键词：信息技术整合物理教学创新精神创造能力实践能力准备阶段（2001年8月——2002年6月） 课题背景：当今世界正进行着一场以信息技术发展为主流的科学技术革命，人类社会正在由工业化转入信息化。步入21世纪后，把信息技术引入课堂，已成为教学中的一种强有力的、必不可少的工具，缺了它的教学可以说是不属于21世纪的教学。在世界教育改革风浪中，信息技术与课程整合已经成为最重要的议题。我国高度重视信息技术与课程的整合，在新课程中明确提出了信息技术与课程整合的目标与内容。教育部在《基础教育课程改革纲要（试行）》
中提出：“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合，逐步实现教学内容的呈现方式。学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具。” 对课题的理解和学习：这个课题是在学校的组织下而进行的。学校成立了课题领导小组，而且领导小组先组织学习了课程整合的含义，然后再召集老师一起共同学习和研讨，让所有的老师都理解整合的含义和意义。关于对整合的学习，学校还印发了一些有关整合的学习资料，（可见，学校对教学科研是十分关心的，也体现了学校对老师的要求是十分严格的，不仅要能教书育人，而且还应有一定的科研能力。）经过学习，懂得了整合的含义和意义。 所谓“课程整合”，就是通过课程把信息技术与学科教学有机地结合起来，从根本上改变传统教和学的观念以及相应的学习目标、方法和评价手段。从理论上讲，课程整合(Curriculum Integration)意味着对课程设置、各课程教育教学的目标、教学设计、评价等诸要素作系统的设置与操作，也就是说要用整体的、联系的、辩证的观点来认识、研究教育过程中各种教育因素之间的关系。 目前国内对课程整合比较主流的理解是“把计算机技术融入到各学科教学中，就像使用黑板、粉笔、纸和笔一样自然、流畅”。这种观点将课程整合的重点放在CAI，即计算机辅助教学上。它突出计算机作为工具，去辅助各传统学科的教学。现代信息技术使物理的教学过程和学生的学习过程具有更强的交互性、灵活性和直观性，起到传统物理教学所不能达到的教学效果。经过学校组织的学习和自己在网络中查阅而学习了大量的整合知识后我对整合终于有了自己的理解和看法。 第一. 课程整合是信息时代发展的必然结果。在这个充满网络信息的社会，必然导致教育向新的理论和领域发展，要求当今的 教师必须用信息与发展的眼光去分析事物的变化和发展，教 育的理念不能老停留在昨天的成功之处，要随时更新，把知 识的传授和创新推向新的领域，推向更高的境界！
曲线运动 运动的合成与分解 1. 质点仅在恒力F 的作用下，由0点运动到A 点的轨迹如图所示，在A 点时速度的方向与x 轴 平行，则恒力F 的方向可能沿（） A. 匀加速直线运 动 B 匀减速直线运动 C 匀变速曲线运动 D.变加速曲线运 动 3.如图所示，船从A 处开出后沿直线AB 到达对岸，若AB 与河岸成 伸长的轻绳与重物B 相连。由于 B 的质量较大，故在释放B 后, A 将沿杆上升，当A 环上升至与定滑轮的连线处于水平位置时, 的是（） 轴正方向 轴负方向 轴正方向 轴负方向 2.某一物体受到几个共点力的作用而处于平衡状态, 当撤去某个恒力F i 时，物体可能做（） 则船从A 点开出的最小速度为（ A.2 m/s B.2.4 m/s C.3 m/s D.3.5 m/s 4.如图所示，套在竖直细杆上的环 A 由跨过定滑轮的不可 37°角，水流速度为4 m/s ， 其上升速度V i M0,若这时B 的速度为V 2,则（） =V 1 > V 1 5.如左下图所示，河的宽度为L ,河水流速为V 水，甲、乙两船均以静 水中的速度V 同时渡河。出发时两船相距 2L ,甲、乙船头均与岸 边成60°角，且乙船恰好能直达正对岸的 A 点。则下列判断正确 A. 甲船正好也在A 点靠岸 B. 甲船在A 点左侧靠岸 C 用、乙两船可能在未到达对岸前相遇 D.甲、乙两船到达对岸的时间相等 2L L
6.在杂技表演中，猴子沿竖直杆向上做初速度为零、加速度为a 的匀加速运动，同时人顶着直 杆以速度v o水平匀速移动，经过时间t,猴子沿杆向上移动的高度为h,人顶杆沿水平地面移动的 距离为X,如右上图所示。关于猴子的运动情况，下列说法中正确的是（） .4v0 7.小河宽为d，河水中各点水流速度大小与各点到较近河岸边的距离成正比，V水=kx, k=-孑，X 是各点到近岸的距离，小船船头始终垂直河岸渡河，小船划水速度为V0,则下列说法中正确的 A.小船的运动轨迹为曲线 B.小船渡河所用的时间与水流速度大小无关 C小船渡河时的实际速度是先变小后变大 D 小船位于河中心时的合速度大小为5v o 8.如图所示的直角三角板紧贴在固定的刻度尺上方，一支铅笔沿三角板直角边向上做匀速直线运动的同时，三角板沿刻度尺向右匀加速运动，下列关于铅笔尖的运动及其留下的痕迹的判断, 其中正确的有（） A.笔尖留下的痕迹是一 条倾斜的直线 C在运动过程中，笔尖的速度方向始终保持不变 D在运动过程中，笔尖的加速度方向始终保持不变 9.在河面上方h=20 m的岸上有人用长绳拴住一条小船, 定的速率v=3 m/s拉绳，使小船靠岸，那么（） s时绳与水面的夹角为60° s后小船前进了15 m A.相对地面的运动轨迹为直线 B.相对地面做变加速曲线运动 时刻猴子对地速度的大小为v o+at 时间内猴子对地的位移大小为 开始时绳与水面的夹角为30。。人以恒 B.笔尖留下的痕迹是一条曲
信息技术与初中物理教学整合 信息技术与初中物理教学整合，为新型课堂教学提供了理想的教学环境。利用信息技术，可以将知识的表达多媒体化，可以建构个别化的学习情境，可以营造协作化的学习氛围。随着计算机、网络和多媒体技术的迅速发展，现代信息技术已广泛的应用到物理教学之中，特别是多媒体课件在物理教学中的使用，使物理课堂变得更加丰富多彩，这都是传统的教学方法无法做到的。主要体现在： 1、信息技术丰富了课堂教学手段。 信息技术中图文并茂、丰富多彩的知识表现形式，能克服传统物理教学中语言描述具有不确定性、文字说明比较抽象乏味、实验演示只能给学生以结论的缺陷，有利于激发学生的学习兴趣。 2、信息技术突出了学生的主体性。 信息技术能够突破教育环境的限制，使学生在特定的接近现实的情景中，主动地获取知识，学生从被动听讲的接受者，转变为主动参与的学习主体。 3、信息技术更适于创设探究情境。 信息技术的充分应用，提供了极丰富的信息资源，构成进行自由探究和自主学习的开放环境，能有效地培养学生自主发现、探索的学习能力，有利于发挥学生思维的主动性，实现培养创新精神和促进信息能力发展的探究式学习。 4、信息技术落实了因人施教原则。 信息技术借助于建立虚拟学习环境，能对教育信息及时收集与反馈，使表现方式和节奏更符合学生的学习进程，从而为实现物理教学过程中的因人施教提供技术支持和保障。 5、信息技术凸现物理教学开放性。 信息技术既可以构建个别化的学习环境，也可以营造协作式学习氛围。特别是网络能使教学过程从局限在课堂中的封闭性走向开放性，网络还为学习者提供了对相同问题的多种不同的观点的比较、分析和思考的条件，在集思广益的基础上，深化对知识的理解和掌握。 但随之也带来了一些消极的影响，没有把握好计算机辅助教学的特点而走人误区，主要体现在： 1、计算机代替教师 目前有些教师在应用信息技术时，只想增加信息量，几乎把一节课的全部内容，包括教师的提问、解答和板书都做成多媒体课件，事先输入计算机。上课时，教师看着屏幕向学生提出问题和进行解答，学生看着屏幕接受教师的讲解，课堂仍是教师的天下，课堂变成了“电灌”。在教学过程中缺少教与学的沟通，师生的互动交流，加上多媒体页面的转化速度快，学生来不及记笔记，学生对知识的重点、难点难以把握，影响整体学习效果。 2、课件演示代替实验 计算机模拟演示实验几乎达到以假乱真的程度。但物理是一门以实验为基础的学科，许多实验技能的掌握、实验原理的验证都离不开实验，只有身临其境地感知实验过程才能使学生感受更深，理解更透，才有利于培养学生的创新思维和实践能力。 3、花哨的形式替代实效的教学 很多教师在课件中集中了大量的声音、图像信息，并在课堂上大量运用，以迎合学生的口味；有的教师将插图弄得过分夸张甚至失真，或者随意地添加插图，只求得所谓的美化效果；还有的在课件里二维三维动画、影视录像应有尽有，看起来热热闹闹、新颖别致，让学生大开眼界，实际上却分散了学生的注意力，抑制了学生的思维活动，学生也容易对图像产生依赖而养成思维的惰性。这样实际上是扼杀了学生的想象力和创造力，给课堂教学带来负面影响。一个教学课件并不在于多么复杂以及有无动画效果，或者动画效果制作得多么逼真，而应看利用课件是否能把学生的积极性充分地调动起来，把学生的注意力集中起来，达到突出教学
物理教学与信息技术的融合 以多媒体计算机技术和网络技术为核心的信息技术越来越广泛地渗透到社会的各个领域，成为拓展人类能力的创造性工具，教育要跟上时代发展的潮流，必须加强信息技术与课程的整合，而课堂教学的整合是核心。物理学作为一门基础的自然科学，必须在思想观念、教学内容、教学手段和教学方法等方面进行变革,而信息技术给教学注入了新的活力。将信息技术融入物理课程，从教学规律和目标出发，恰当合理地应用网络教育技术重组教学内容，探索网络环境下的物理教学设计，使网络环境和资源走进学科教学。 1、信息技术在教学中得优势 多媒体信息技术应用到物理教学情境的创设，可以给学生带来视觉上的冲击、情感上的感染，展示物理世界的神奇与奥妙，同时又激发学生的好奇心和求知欲，提供师生互动的平台，把师生的注意力吸引到大屏幕，提高教学效果。例如，在探究“重力”一节时，播放“神舟”五号的升空、跳极游戏的录像等；又在学习“声音”一节时，播放音乐会录像资料，共振试验资料；在学到“浮力”时，播放人们热气球、死海中人们悠闲地游泳等，为新课的学习创设了一个丰富而又精彩的物理学习环境。 信息技术即“白板”与黑板的有机结合，能够增大课堂的信息容量，节省老师板书的时间，使学生所学的新知识，相对较长时间的保留在视野内，尤其是当时没有弄清楚的问题，还可以回头找时间继续思考；老师在黑板上板书时，也为学生理解新知识提供了宝贵的自主利用时间；黑板还能够呈现整节知识的整体结构和脉络，帮助学生理解知识、理清思路。当然黑板也有一定的局限性，需要和多媒体结合起来，优势互补，充分利用教学资源。另外用多媒体代替小黑板展示例题、习题或其他信息，省力省时，使用方便，且容量可以不受限制。 信息技术与演示实验的整合，可以弥补演示实验的不足，增强学生的感性认识。在做学生分组实验时，学生动手操作之前，老师先通过大屏幕讲解或者演示该实验的方法、步骤及注意事项等问题，能有效便捷地让学生领会和掌握实验的内容。在做课堂演示实验时，由于受到教学时间、空间或现实条件的限制，实验的观察或操作有时无法达到教学要求，例如，物理现象微弱，呈现的时间不足，现象稍纵即逝，微观领域中的物理现象等。而如果借以计算机的帮助，用摄像机把演示实验的现象录制下来，重放、慢放或者放大，甚至是模拟实验现象的关键部分，并依据需要，把长时间的过程缩短，或者把变化的瞬间拉长、展开，再现物理过程，能够帮助学生观察，从而弥补演示实验的不足，给学生产生不可磨灭的印象。例如平抛运动演示实验现象呈现的时间太短暂，我
曲线运动 运动的合成与分解 1.质点仅在恒力F 的作用下，由O 点运动到A 点的轨迹如图所示，在A 点时速度的方向与x 轴平行，则恒力F 的方向可能沿( ) A.x 轴正方向 B.x 轴负方向 C.y 轴正方向 D.y 轴负方向 2.某一物体受到几个共点力的作用而处于平衡状态， 当撤去某个恒力F 1时，物体可能做( ) A.匀加速直线运动 B.匀减速直线运动 C.匀变速曲线运动 D.变加速曲线运动 3.如图所示，船从A 处开出后沿直线AB 到达对岸，若AB 与河岸成37°角，水流速度为4 m/s ， 则船从A 点开出的最小速度为( ) A.2 m/s B.2.4 m/s C.3 m/s D.3.5 m/s 4.如图所示，套在竖直细杆上的环A 由跨过定滑轮的不可 伸长的轻绳与重物B 相连。由于B 的质量较大，故在释放B 后， A 将沿杆上升，当A 环上升至与定滑轮的连线处于水平位置时， 其上升速度v 1≠0，若这时B 的速度为v 2，则( ) A.v 2＝v 1 B.v 2＞v 1 C.v 2≠0 D.v 2＝0 5.如左下图所示，河的宽度为L ，河水流速为v 水，甲、乙两船均以静 水中的速度v 同时渡河。出发时两船相距2L ，甲、乙船头均与岸 边成60°角，且乙船恰好能直达正对岸的A 点。则下列判断正确 的是( ) A.甲船正好也在A 点靠岸 B.甲船在A 点左侧靠岸 C.甲、乙两船可能在未到达对岸前相遇 D.甲、乙两船到达对岸的时间相等
6.在杂技表演中，猴子沿竖直杆向上做初速度为零、加速度为a的匀加速运动，同时人顶着直杆以速度v 水平匀速移动，经过时间t,猴子沿杆向上移动的高度为h,人顶杆沿水平地面移动的距离为x,如右上图所示。关于猴子的运动情况，下列说法中正确的是( ) A.相对地面的运动轨迹为直线 B.相对地面做变加速曲线运动 C.t时刻猴子对地速度的大小为v +at D.t时间内猴子对地的位移大小为 7.小河宽为d，河水中各点水流速度大小与各点到较近河岸边的距离成正比，v 水=kx, k＝ 4v0 d， x是各点到近岸的距离，小船船头始终垂直河岸渡河，小船划水速度为v ，则下列说法中正确的是( ) A.小船的运动轨迹为曲线 B.小船渡河所用的时间与水流速度大小无关 C.小船渡河时的实际速度是先变小后变大 D.小船位于河中心时的合速度大小为5v 8.如图所示的直角三角板紧贴在固定的刻度尺上方，一支铅笔沿三角板直角边向上做匀速直线运动的同时，三角板沿刻度尺向右匀加速运动，下列关于铅笔尖的运动及其留下的痕迹的判断，其中正确的有( ) A.笔尖留下的痕迹是一条倾斜的直线 B.笔尖留下的痕迹是一条曲线 C.在运动过程中，笔尖的速度方向始终保持不变 D.在运动过程中，笔尖的加速度方向始终保持不变 9.在河面上方h=20 m的岸上有人用长绳拴住一条小船，开始时绳与水面的夹角为30°。人以恒定的速率v=3 m/s拉绳，使小船靠岸，那么( ) A.5 s时绳与水面的夹角为60° B.5 s后小船前进了15 m C.5 s时小船的速率为4 m/s
高一物理运动的合成与分解教案与练习题 一、新内容讲解 1. 合运动与分运动：如果一个物体同时参与几个运动，物体实际表现出的运动就叫那几个运动的合运动，那几个运动就叫这个实际运动的分运动。 2. 实验探究： 如图所示，同时由静止释放两个小铁球P ，Q ，轨道M ，N 是等高的，末端水平且在同一竖直线上，只改变轨道M 整体的高度，P ，Q 两球总在水平面上相碰。 结论：P 球虽然在竖直方向有下落的运动，但P ，Q 两球在水平方向的运动是相同的。 3. 合运动与分运动的关系 （1） 独立性 （2） 等时性 （3） 等效性 （4） 同体性 4. 合运动与分运动的判定方法：在一个具体运动中判断哪个是合运动，哪个是分运动的关键是弄清物体实际发生的运动是哪个，实际发生的运动就是合运动。物体实际发生的运动一般就是相对于地面发生的运动，或者说是相对于静止参照系的运动。 5. 合运动与分运动的求解方法：不管是运动的合成还是分解，其实质是对运动的位移s 、速度v 和加速度a 的合成与分解。因为位移、速度、加速度都是矢量，所以求解时遵循的原则是矢量运算的平行四边形定则（或三角形定则） 6. 确定一个运动的分运动的方法 运动的分解与力的分解一样，如果没有约束条件，一个运动可以分解为无数组分运动，但在具体分解运动时常遵循以下原则 （1） 使两个分速度方向垂直 （2） 按运动的效果分解 M 1 v 2 v v
三、课堂练习 1. 如图所示，竖直放置的两端封闭的玻璃管中注满清水，内有一个红蜡块能在水中以速度v 匀速上浮， 当红蜡块从玻璃管的下端匀速上浮的同时，使玻璃管水平匀加速向右运动，则蜡块的轨迹可能是 （ ） A ， 直线P B ， 曲线Q C ， 曲线R D ， 无法确定 2. 在灭火抢险的过程中，消防员有时要借助消防车上的梯子爬到高处进行救人或灭火，为了节省救援时间，在消防车向前前进的过程中，消防员同时相对梯子匀速运动，在地面上看消防员的运动，下列说法中正确的是 （ ） A ， 当消防车匀速前进时，消防员一定做匀加速直线运动 B ， 当消防车匀速前进时，消防员一定做匀速直线运动 C ， 当消防车匀加速前进时，消防员一定做匀变速曲线运动 D ， 当消防车匀加速前进时，消防员一定做匀变速直线运动 3. 关于运动的合成与分解，以下说法正确的是 （ ） A ， 一个匀加速直线运动，可以分解为两个匀加速直线运动 B ， 一个匀减速直线运动，可以分解为方向相反的匀速运动和初速度为零的匀加速直线运动 C ， 一个在三维空间中运动的物体，它的运动可以分解为在一个平面内的运动和在某一个方向上的直 线运动 D ， 一个静止的物体，它的运动可以分解为两个方向相反的匀速直线运动 4. 民族运动会上有一个骑射项目，运动员骑在奔驰的马背上，弯弓放箭射击侧向的固定目标，假设运动员骑马的速度为v 1，运动员静止时射出箭的速度为v 2，跑道离固定目标的最近距离为d ，要想在最短的时间内射中目标，则运动员放箭处离目标的距离为 （ ） A ， 22 122 d v v + B ，0 C ， 12dv v D ， 2 1 dv v 5. 人用绳子通过定滑轮拉物体A ，A 穿在光滑的竖直杆上，当以速度v 0匀速地拉绳使物体A 到达如图所示位置时，绳与竖直杆的夹角为θ，则物体A 实际运动的速度是 （ ） A ， 0sin v θ B ， sin v θ C ， 0cos v θ D ， 0cos v θ v A B C D P Q R 119
主题四 曲线运动 专题1 运动的合成与分解 复习案 【考纲要求】 运动的合成与分解 Ⅱ 2015年卷ⅡT16， 运动的合成和分解 【学习目标】 会运用合成和分解的方法研究曲线运动, 体验化曲为直、化繁为简的思想. 【梳理构建】 构建一：（1）当满足什么条件时物体做曲线运动？当满足什么条件时物体做直线运动？ （2）从运动状态和受力的角度分析曲线运动是什么性质的运动？切向力和法向力的作用。举实例分析曲线运动的轨迹、合力与速度之间的方向关系。 构建二：小船过河模型（作图分析）一小船渡河，河宽d=180m ，水流速度s m v /5.21 =． (1)若船在静水中的速度为s m v /52 =， ①欲使船在最短的时间内渡河，船头应朝什么方向?用多长时间?位移是多少? ②欲使船渡河的航程最短，船头应朝什么方向?用多长时间?位移是多少? (2)若船在静水中的速度s m v /5.12 =，要使船渡河的航程最短， ①船头应朝什么方向? ②用多长时间?位移是多少? 【探究设计】 问题1. 一个质点在恒力F 作用下，在xoy 平面内从0点运动到A 点的轨迹如图所示，且在A 点时的 速度方向与x 轴平行，则恒力F 的方向不可能的是( ) A ．沿+x 方向 B ．沿-x 方向 C ．沿+y 方向 D ．沿-y 方向 提升1.一个质点受两个互成锐角的恒力F 1和F 2作用，由静止开始运动，若运动过程中保持二力方向不变，但F 1突然增大到F 1+△F ，则质点以后 ( ) A ．一定做匀变速曲线运动 B ．在相等时间内速度的变化一定相等 C ．可能做匀速直线运动 D ．可能做变加速曲线运动 问题2. 如图所示，物体A 和B 的质量均为m 且分别有轻绳连接跨过定滑轮(不计绳子与滑轮、滑轮与轴之间的摩擦)．当用水平变力F 拉物体B 沿水平方向向右做匀速直线运动的过程中 ( ) A ．物体A 也做匀速直线运动 B ．绳子拉力始终大于物体A 所受的重力 C ．物体A 的速度小于物体B 的速度 D ．地面对物体B 的支持力逐渐增大 提升2.如图所示，水平面上有一物体，小车通过定滑轮用绳子拉它，在图示位置时，若小车的速度为5m/s 则物体的速度为 ( ) A ．5m/s B ．s m /35