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1、教师科学素养教师科学素养（物理）（物理）丰台分院丰台分院乔小光乔小光2012年年12月月15日日物理学的概念物理学的概念物理学是认识世界的科学物理学是认识世界的科学;物理学是改变世界的科学。物理学是改变世界的科学。物理学是研究物质世界最基本形态的科学。物理学是研究物质世界最基本形态的科学。1.科学知识科学知识（1）自然科学知识）自然科学知识v了解物质世界从微观到宏观的大致尺度，按原子、了解物质世界从微观到宏观的大致尺度，按原子、分子、细胞、生物体、地球、太阳系、银河系的顺分子、细胞、生物体、地球、太阳系、银河系的顺序排列出大致尺度。序排列出大致尺度。(培训指南第培训指南第24页）页）物理学研究
2、的范围物理学研究的范围物质世界的层次和数量级物质世界的层次和数量级物质世界的时间尺度物质世界的时间尺度物质世界的空间尺度物质世界的空间尺度物物质质世世界界的的时时间间尺尺度度物物质质世世界界的的空空间间尺尺度度物物质质世世界界从从微微观观到到宏宏观观的的大大致致尺尺度度1.科学知识科学知识（1）自然科学知识）自然科学知识v能量的转化和守恒定律是自然界中的基本和能量的转化和守恒定律是自然界中的基本和普遍定律。认识能量可以由一个物体转移到普遍定律。认识能量可以由一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以相互转化。另一个物体，不同形式的能量可以相互转化。如：光能、机械能、内能、电磁能、化学能如：光
3、能、机械能、内能、电磁能、化学能和势能。和势能。（培训指南第（培训指南第24页）页）v能量的转化和守恒定律能量的转化和守恒定律能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。在转化或转移的过程中，能量的总量不变。v动能动能物体由于运动而具有的能，叫做动能。物体由于运动而具有的能，叫做动能。v势能势能物体由于被举高而具有的能量，叫重力势能。物体由于被举高而具有的能量，叫重力势能。物体由于发生弹性形变而具有的能
4、量，叫弹性势能。物体由于发生弹性形变而具有的能量，叫弹性势能。重力势能和弹性势能统称为势能。重力势能和弹性势能统称为势能。v机械能机械能动能与势能统称为机械能。动能与势能统称为机械能。v内能内能物质是由分子组成的（包括多原子分子和单原子分子）物质是由分子组成的（包括多原子分子和单原子分子）分子在不停地做着无规则的热运动，运动的分子也具有动能。物体的温度越高，分子在不停地做着无规则的热运动，运动的分子也具有动能。物体的温度越高，分子运动得越快，它们的动能越大。分子运动得越快，它们的动能越大。由于分子间有相互作用力，所以分子间还具有势能。由于分子间有相互作用力，所以分子间还具有势能。物体内部所有分
5、子热运动的动能与分子势能的总和，叫做物体的内能。物体内部所有分子热运动的动能与分子势能的总和，叫做物体的内能。v电磁能电磁能与电磁场相关的能。与电磁场相关的能。v光能光能光所具有的能量。光能是由太阳、蜡烛等发光物体所释放出的一种能量形式。光所具有的能量。光能是由太阳、蜡烛等发光物体所释放出的一种能量形式。v化学能化学能化学能是物体发生化学反应时所释放的能量。如石油和煤的燃烧、炸药爆炸、化学能是物体发生化学反应时所释放的能量。如石油和煤的燃烧、炸药爆炸、人吃的食物在体内发生化学变化时候所放出的能量，都属于化学能。还有化学电人吃的食物在体内发生化学变化时候所放出的能量，都属于化学能。还有化学电池放
6、出的能量，也属于化学能。池放出的能量，也属于化学能。能量转化举例能量转化举例1.科学知识科学知识（2）关于科学的知识）关于科学的知识v新方法和新技术，如半导体与超导体、纳米材料、新能源；新方法和新技术，如半导体与超导体、纳米材料、新能源；（培训指南第（培训指南第25页）页）v半导体与超导体半导体与超导体v半导体是指常温下导电性介于导体和绝缘体之间的材料。半导体是指常温下导电性介于导体和绝缘体之间的材料。v超导体超导体是在一定温度下电阻几乎完全消失的物体。导体的电阻消失（在是在一定温度下电阻几乎完全消失的物体。导体的电阻消失（在仪器测量的精度内，电阻为零）的现象被称为仪器测量的精度内，电阻为零）
7、的现象被称为超导现象超导现象。具有超导现象。具有超导现象的材料被称为超导体，而对应于某一超导体电阻突然消失的温度被称为的材料被称为超导体，而对应于某一超导体电阻突然消失的温度被称为该材料的超导临界转变温度，一般用该材料的超导临界转变温度，一般用Tc来表示。来表示。纳米材料纳米材料v纳米纳米材料是指在材料是指在三维空间三维空间中至少有一维处中至少有一维处于纳米尺度范围于纳米尺度范围(1-100nm)(1-100nm)或由它们作为或由它们作为基基本单元本单元构成的材料，这大约相当于构成的材料，这大约相当于1010010100个个原子原子紧密排列在一起的尺度。紧密排列在一起的尺度。v1 1米米=10
8、0=100厘米，厘米，1 1厘米厘米=10000=10000微米，微米，1 1微米微米=1000=1000纳米，纳米，1 1纳米纳米=10=10埃埃v新能源新能源v所谓所谓能源能源是指能够提供某种形式能量的物质资源。是指能够提供某种形式能量的物质资源。人类人类最先使用的最先使用的能源是人的能源是人的体能以及畜力、风力、水力等。体能以及畜力、风力、水力等。随着生产和随着生产和科学技术的发展，人类逐步扩大了能源的利科学技术的发展，人类逐步扩大了能源的利用范围。用范围。v新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括风能、海洋能、太阳能、地
9、热能、氢能、生能源，包括风能、海洋能、太阳能、地热能、氢能、生物质能及核聚变能等。物质能及核聚变能等。而已经广泛利用的而已经广泛利用的煤炭煤炭、石油石油、天然气天然气等能源，称为常规能源（非再生能源）。随着等能源，称为常规能源（非再生能源）。随着常常规能源规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特质的新能源越来越得到各国的重视。再生为特质的新能源越来越得到各国的重视。v科学家及其成就，如爱因斯坦、牛顿、爱迪生、钱学森；科学家及其成就，如爱因斯坦、牛顿、爱迪生、钱学森；（培训指南第（培训指南第25页）页）v爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦（爱因斯坦
10、（18791955），美籍德国），美籍德国犹太人犹太人。他创立了代表现代科学。他创立了代表现代科学的的相对论相对论，并为核能开发奠定了理论基础，在现代科学技术和他的深，并为核能开发奠定了理论基础，在现代科学技术和他的深刻影响及广泛应用方面开创了现代科学新纪元，被公认为自伽利略、刻影响及广泛应用方面开创了现代科学新纪元，被公认为自伽利略、牛顿以来最伟大的牛顿以来最伟大的科学家科学家、思想家思想家。1921年年诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖获得者。获得者。现代现代物理学物理学的开创者和奠基人。的开创者和奠基人。 1999年年12月月26日，爱因斯坦被美国日，爱因斯坦被美国时代周刊时代周刊评选为评选为
11、“世纪伟人世纪伟人”。2005年被联合国定为年被联合国定为“世界物理世界物理年年”，以表彰爱因斯坦对科学的贡献。，以表彰爱因斯坦对科学的贡献。爱因斯坦创立爱因斯坦创立“相对论相对论”,提出提出“光子说光子说”v牛顿牛顿艾萨克艾萨克牛顿爵士是人类历史上出现过的最伟大、最有影响的牛顿爵士是人类历史上出现过的最伟大、最有影响的科学家科学家，同时也是同时也是物理学家物理学家、数学家数学家和和哲学家哲学家，晚年醉心于炼金术和神学。他，晚年醉心于炼金术和神学。他在在1687年年7月月5日发表的不朽著作日发表的不朽著作自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理里用数学方里用数学方法阐明了宇宙中最基本的法则法阐明了
12、宇宙中最基本的法则万有引力定律万有引力定律和三大运动定律。这和三大运动定律。这四条定律构成了一个统一的体系，被认为是四条定律构成了一个统一的体系，被认为是“人类智慧史上最伟大的人类智慧史上最伟大的一个成就一个成就”，由此奠定了之后三个世纪中物理界的科学观点，并成为，由此奠定了之后三个世纪中物理界的科学观点，并成为现代工程学的基础。牛顿为人类建立起现代工程学的基础。牛顿为人类建立起“理性主义理性主义”的旗帜，开启的旗帜，开启工工业革命业革命的大门。牛顿逝世后被安葬于的大门。牛顿逝世后被安葬于威斯敏斯特大教堂威斯敏斯特大教堂，成为在此长，成为在此长眠的第一个科学家。眠的第一个科学家。牛顿在物理学上
13、最主要的成就，是创立了经典力学的基本牛顿在物理学上最主要的成就，是创立了经典力学的基本体系，从而完成了物理学史上第一次大综合。体系，从而完成了物理学史上第一次大综合。v爱迪生爱迪生托马斯托马斯阿尔瓦阿尔瓦爱迪生（爱迪生（1847年年1931年），年），美国美国发明家发明家、企业家企业家，拥有众多重要的，拥有众多重要的发明专利发明专利。他拥有他拥有2000余项发明，包括对世界极大影响的余项发明，包括对世界极大影响的留留声机声机，电影摄影机电影摄影机，和，和钨丝灯泡钨丝灯泡等。在美国，爱等。在美国，爱迪生名下拥有迪生名下拥有1093项专利，而他在美国、英国、项专利，而他在美国、英国、法国和法国和德
14、国德国等地的专利数累计超过等地的专利数累计超过1500项。项。1892年创立年创立通用电气公司通用电气公司。他是有史以来最伟大的发。他是有史以来最伟大的发明家，迄今为止，世界上没有一个人能打破他创明家，迄今为止，世界上没有一个人能打破他创造的发明专利数世界纪录。造的发明专利数世界纪录。爱迪生在科学技术中最重大的贡献是爱迪生在科学技术中最重大的贡献是发明了留声机和白炽电灯。发明了留声机和白炽电灯。v钱学森钱学森钱学森（钱学森（19112009），男，汉族，），男，汉族，浙江浙江杭州人。杭州人。中国共产党中国共产党优秀党员、忠优秀党员、忠诚的诚的共产主义共产主义战士、享誉海内外的杰出战士、享誉海内
15、外的杰出科学家科学家和中国和中国航天航天事业的奠基人，中事业的奠基人，中国国两弹一星两弹一星功勋奖章获得者。曾任美国功勋奖章获得者。曾任美国麻省理工学院麻省理工学院和和加州理工学院加州理工学院教授及教授及中国人民政治协商会议中国人民政治协商会议第六、七、八届全国委员会副主席、第六、七、八届全国委员会副主席、中国科学技术协中国科学技术协会会名誉主席、全国政协副主席。名誉主席、全国政协副主席。1995年年5月，经中共中央宣传部批准，原月，经中共中央宣传部批准，原西西安交通大学安交通大学图书馆更名为图书馆更名为钱学森钱学森图书馆，图书馆，江泽民江泽民主席为之题写了馆名。主席为之题写了馆名。2011年
16、，上海交大也建成钱学森图书馆。同年年，上海交大也建成钱学森图书馆。同年12月月8日，纪念钱学森同志诞辰日，纪念钱学森同志诞辰100周年座谈会在人民大会堂举行。周年座谈会在人民大会堂举行。中国科学家，火箭专家中国科学家，火箭专家3.科学态度科学态度（1）居家生活）居家生活v日常生活中电话、微波炉、电视、网络技术日常生活中电话、微波炉、电视、网络技术所涉及的电、声、光、磁等基本原理，自行所涉及的电、声、光、磁等基本原理，自行车行驶和汽车驾驶中所涉及的机械运动和力车行驶和汽车驾驶中所涉及的机械运动和力学原理，尤其是上述用品的安全使用常识。学原理，尤其是上述用品的安全使用常识。（培训指南第（培训指南第
17、26页）页）v电话电话电话通信是通过声能与电能相互转换、并利用电话通信是通过声能与电能相互转换、并利用“电电”这个媒介来传输语言的一种通信技术。这个媒介来传输语言的一种通信技术。(a)当发话者拿起电话机对着话筒讲话时，声当发话者拿起电话机对着话筒讲话时，声带的振动激励空气振动，形成声波。带的振动激励空气振动，形成声波。(b)声波声波作用于话筒上，使之产生电流。作用于话筒上，使之产生电流。(c)电流沿着线路传送到对方电话机的听筒内。电流沿着线路传送到对方电话机的听筒内。(d)听筒的作用与话筒刚好相反听筒的作用与话筒刚好相反把电流转化把电流转化为声波，通过空气传至人的耳朵中。为声波，通过空气传至人
18、的耳朵中。这样，就完成了最简单的通话过程。这样，就完成了最简单的通话过程。话筒、听筒、电话线；话筒、听筒、电话线；电流把信息传到远方电流把信息传到远方v微波炉微波炉v微波炉利用电磁波来加热食品。微波炉利用电磁波来加热食品。微波炉内有很强的电磁波，微波炉内有很强的电磁波，因为这种波波长很短，所以叫微波。因为这种波波长很短，所以叫微波。v通俗地讲，通俗地讲，微波是一种高频率的电磁波微波是一种高频率的电磁波，其本身并不产生，其本身并不产生热，在宇宙、自然界中到处都有微波，但存在自然界的微热，在宇宙、自然界中到处都有微波，但存在自然界的微波，因为分散不集中，故不能加热食品。食物的分子在微波，因为分散不
19、集中，故不能加热食品。食物的分子在微波的作用下剧烈振动，使得内能增加，温度升高。由于电波的作用下剧烈振动，使得内能增加，温度升高。由于电磁波可以深入食物内部，所以用微波炉烧饭时食物的内部磁波可以深入食物内部，所以用微波炉烧饭时食物的内部和外部几乎同时变熟，省时、省电。和外部几乎同时变熟，省时、省电。v食物中的水分子比其它分子更容易吸收微波的能量，所以食物中的水分子比其它分子更容易吸收微波的能量，所以含水量高的食物在微波炉中温度上升更快。含水量高的食物在微波炉中温度上升更快。v使用专门的微波炉器皿盛装食物放入微波炉中加热使用专门的微波炉器皿盛装食物放入微波炉中加热v忌使用金属容器忌使用金属容器（
20、微波能在金属中产生强大的电流，会损坏微波炉）（微波能在金属中产生强大的电流，会损坏微波炉）v忌使用普通塑料容器忌使用普通塑料容器（普通塑料会放出有毒物质，污染食物，危害人体健康（普通塑料会放出有毒物质，污染食物，危害人体健康）v忌使用封闭忌使用封闭容器容器（加热液体时，热量不易散发，使容器内压力过高，易引起爆破事故（加热液体时，热量不易散发，使容器内压力过高，易引起爆破事故）v微波同其他频率的电磁波一样，过量的照射对人体微波同其他频率的电磁波一样，过量的照射对人体有害。微波炉的外壳是金属壳，炉门的玻璃上有金有害。微波炉的外壳是金属壳，炉门的玻璃上有金属网，这样就能保证电磁波的泄露不会超过允许值
21、。属网，这样就能保证电磁波的泄露不会超过允许值。v电视电视电视用电磁波传递图像信号和声音信号。电视用电磁波传递图像信号和声音信号。v网络技术网络技术v网络技术是从网络技术是从1990年代中期发展起来的新年代中期发展起来的新技术，它把技术，它把互联网互联网上分散的资源融为有机上分散的资源融为有机整体，实现资源的全面共享和有机协作，整体，实现资源的全面共享和有机协作，使人们能够透明地使用资源的整体能力并使人们能够透明地使用资源的整体能力并按需获取信息。资源包括高性能按需获取信息。资源包括高性能计算机计算机、存储资源、数据资源、存储资源、数据资源、信息资源信息资源、知识资、知识资源、专家资源、大型源
22、、专家资源、大型数据库数据库、网络、传感、网络、传感器等。器等。网络可以构造地区性的网络、企事网络可以构造地区性的网络、企事业内部网络、业内部网络、局域网局域网网络，甚至网络，甚至家庭网络家庭网络和个人网络。网络的根本特征并不一定是和个人网络。网络的根本特征并不一定是它的规模，而是它的规模，而是资源共享资源共享，消除资源孤岛。，消除资源孤岛。v家庭电路家庭电路v安全用电安全用电（1）安全电压：不高于）安全电压：不高于36V的电压。的电压。（2）不要接触火线或与火线连通的导体，特）不要接触火线或与火线连通的导体，特别注意原来绝缘的物体导了电。别注意原来绝缘的物体导了电。（3）不要靠近高压带电体，
23、因为高压触电有）不要靠近高压带电体，因为高压触电有两种类型：高压电弧触电和跨步电压触电，不接两种类型：高压电弧触电和跨步电压触电，不接触也可以触电。触也可以触电。（4）触电处理：有人发生触电事故，绝不用）触电处理：有人发生触电事故，绝不用手拉触电人，应赶快切断电源，或用干燥绝缘体手拉触电人，应赶快切断电源，或用干燥绝缘体把线挑开；高压触电，宜赶快通知专业人士。把线挑开；高压触电，宜赶快通知专业人士。（5）急救：触电人如果昏迷，应做人工呼吸，）急救：触电人如果昏迷，应做人工呼吸，并送医院；如发生火灾，应先断电，再灭火。并送医院；如发生火灾，应先断电，再灭火。v保险丝保险丝作用：在电路电流过大时，
24、自动熔断，切断电路；作用：在电路电流过大时，自动熔断，切断电路；材料：电阻率较大而熔点较低的铅锑合金制成；材料：电阻率较大而熔点较低的铅锑合金制成；原理：根据焦耳定律可知，保险丝的电阻比较大，原理：根据焦耳定律可知，保险丝的电阻比较大，通过的电流较大，在相同时间内产生的热量就比较多，通过的电流较大，在相同时间内产生的热量就比较多，温度上升的较高，而保险丝的熔点又较低，所以会迅温度上升的较高，而保险丝的熔点又较低，所以会迅速熔断；速熔断；选择：保险丝的熔断电流稍大于家庭电路允许通过选择：保险丝的熔断电流稍大于家庭电路允许通过的最大电流，不能用更粗的保险丝，更不能用铜丝或的最大电流，不能用更粗的保
25、险丝，更不能用铜丝或铁丝代替保险丝。铁丝代替保险丝。为什么金属外壳的用电器要接地？为什么金属外壳的用电器要接地？v有金属外壳的用电器一般带三脚插头，对应有金属外壳的用电器一般带三脚插头，对应插入三孔插座时，把用电器的金属外壳和大插入三孔插座时，把用电器的金属外壳和大地连接起来，这是为什么呢？原来有金属外地连接起来，这是为什么呢？原来有金属外壳的用电器在内部由于火线绝缘皮的破损或壳的用电器在内部由于火线绝缘皮的破损或失去绝缘性能，致使外壳与火线接通而带电，失去绝缘性能，致使外壳与火线接通而带电，人触摸外壳就会触电。当把外壳与大地连接人触摸外壳就会触电。当把外壳与大地连接起来，外壳带的电会通过地线
26、流到大地，人起来，外壳带的电会通过地线流到大地，人触摸就没有危险。触摸就没有危险。自行车自行车自行车是我们熟悉的交通工具，从自行车的结构和使用来自行车是我们熟悉的交通工具，从自行车的结构和使用来看，它涉及不少有关摩擦的知识。请判断下列各项内容中看，它涉及不少有关摩擦的知识。请判断下列各项内容中哪些是增大摩擦的？哪些是减小摩擦的？哪些是增大摩擦的？哪些是减小摩擦的？v轮胎上有花纹（轮胎上有花纹（）v车轮做成圆形（车轮做成圆形（）v在转动部分添加润滑油（在转动部分添加润滑油（）v脚蹬板凹凸不平（脚蹬板凹凸不平（）v刹车时用力捏闸（刹车时用力捏闸（）v车轴处装有滚珠（车轴处装有滚珠（）v车的把手上有
27、凹槽（车的把手上有凹槽（）v答案答案v轮胎上有花纹（轮胎上有花纹（增大摩擦增大摩擦）v车轮做成圆形（车轮做成圆形（减小摩擦减小摩擦）v在转动部分添加润滑油（在转动部分添加润滑油（减小摩擦减小摩擦）v脚蹬板凹凸不平（脚蹬板凹凸不平（增大摩擦增大摩擦）v刹车时用力捏闸（刹车时用力捏闸（减小摩擦减小摩擦）v车轴处装有滚珠（车轴处装有滚珠（减小摩擦减小摩擦）v车的把手上有凹槽（车的把手上有凹槽（增大摩擦增大摩擦）v汽车汽车问题问题为了提醒司机朋友在雨雪天要注意行车安为了提醒司机朋友在雨雪天要注意行车安全，高速公路上设置了全，高速公路上设置了“雨雪天路滑，减雨雪天路滑，减速缓行速缓行”的警示语，请简要说明这句话的的警示语，请简要说明这句话的物理道理。物理道理。v答案答案雨雪天路滑，汽车受到的摩擦力较小，在相雨雪天路滑，汽车受到的摩擦力较小，在相同车速的情况下，汽车刹车后滑行的距离变同车速的情况下，汽车刹车后滑行的距离变长，汽车较难停下来。长，汽车较难停下来。练习题练习题感谢聆听！祝大家成功！感谢聆听！祝大家成功！
