带电粒子范文10篇

带电粒子范文篇1

带电粒子的沟道效应和沟道辐射便是人们发现的重要现象之一。由此发展起来的沟道技术在固体物理和原子核物理中得到了广泛应用，而且还成功地用它来研究了形(应)变超晶格。

2超晶格的粒子输运

到目前为止，我们并没有很严格地区分量子阱和超晶格这两个概念。严格说超晶格材料是：量子阱之间的势垒较薄，各量子阱的束缚能级相互祸合，形成微带。这种微带类似于固体中的能带，但又有很大的区别，因为微带是一维的，其布里渊区很小，且能带宽度很小。这种特性决定了某些物理现象(如布洛赫振荡)在一般固体中观察不到，而在超晶格中应观察到。Chometre等人用光学方法研究微带输运，证明了在超晶格中存在电子、空穴通过微带的垂直输运。

超晶格器件中的电子输运：超晶格器件在结构上的最主要待征则是，在电流传播方向上具有由多个量子阱层和势垒层构成的周期性结构，隔开各阱层的势垒层很薄，具有较大的电子隧穿几率，电子在沿垂直超晶格平面的方向连续穿过多个周期势垒运动。

在超晶格中，带电的电子在单个量子阱中形成一定的量子能级。超晶格内相邻量子阱中的量于能级通过它们之间的薄势垒层有一较弱的耦合，因而每一量子能级扩展成一个能带。由于耦合很弱，形成的能带较窄，称作于能带。设电子的能量为Eb。超晶格周期为d，于能带宽度为D，电场强度为E，

当电场时．平均漂移速度有极大值。当E进一步增大时，速度反而减小，阈值电场。即使有散射存在，在超晶格的J—v曲线中，最初电流随电压的增加而增大，当电压使得电场达到阈值时，电压的进一步增加反而使电流减小，出现负的动态电阻。随着电压不断增大，还可能出现多个电流峰值和多个负阻区间。从理论上讲，如果完全不存在散射，电子的运动无沦在速度空间或动量空间都可能表现出振荡行为。这一现象称为布洛赫振荡，对应于布洛赫振荡的电子输运过程也是一种负微分电导现象。如图1.

在超晶格器件中的负微分电导机制，即扩展态——局域态转变。它所描述的物理意义是，在沿着其周期方向足够强的外电场中，超晶格在一个周期上的电位差将大于于能带宽度，此时相邻量子阱中的量子能级彼此错开，一个量子阱中量子能级的能量处于相邻量子阱的能隙中，电子在各量子阱中的量子能级变成高度为Eed的wannier—Stark阶梯。在这种情况下，相邻量子阱的量子能级状态之间的耦合很弱，电子波函数变得定域化了，电子隧穿过势垒的几率很小，因而超晶格的电导变得很小；当沿着超晶格方向所加的电场由小变大时，由于电子的状态由扩展态转变成定域态，使电导由大变小，即出现负的微分电导。

3带电粒子与超晶格相互作用识别超高能粒子

带电粒子的沟道效应和沟道辐射广泛被人们关注，而超晶格的沟道效应和沟道辐射也正在被人们深入研究。经典物理学证明，在电磁场中作加速运动的带电粒子要辐射电磁波。1946年，苏联物理学家金斯堡和弗兰克进一步指出，当带电粒子穿过电磁性质不同的两种介质界面时，即使加速度为零也要向外辐射能量，这种辐射称为渡越辐射。事实上，在第一介质中远离边界的地方，粒子具有一定的场，而这个场就携带了粒子和第一介质相互作用的信息；当粒子进入第二种介质时，远离边界的场也携带了粒子和第二种介质相互作用的信息。值得注意的是，即使在整个过程中粒子的加速度为零，只要两种介质的电磁性质不同，初场和终场就一定不同。因此，当带电粒子趋近并穿过界面时，场必然会自动调整。正是在这种调整过程中带电粒子将向外辐射能量。

非沟道粒子与物质(晶体)的相互作用的最大特点是粒子将穿过两种不同介质(真空和晶体)的界面。非沟道粒子一旦穿越这样的界面就要产生渡越辐射，而这种辐射可能对沟道辐射产生一定影响。注意到超晶格是由两种不同介电常数的材料交替生长而成的多层薄膜结构，因此，带电粒子同超晶格相互作用就是带电粒子同多层薄膜相互作用。粒子每穿越一层薄膜就要穿越一次界面，每穿越一次界面就要产生一次渡越辐射，这种辐射就有较大的应用前景。

渡越辐射对沟道辐射的影响主要是在长波区域使沟道辐射的本底增强。在渡越辐射能量公式中，由于含有相对论因子γ，可以用它来识别超高能粒子。一个典型的例子是，具有多层薄膜结构的超晶格，可以用它的渡越辐射来识别超高能粒子。

4超晶格与带电粒子相互作用的系统行为

由于超晶格材料的特殊几何结构，可望得到均匀半导体材料所不具有的光电特征。从而引起了人们对它的极大兴趣。由于超晶格具有特殊的层状结构，可望用它把沟道辐射改造为X激光或γ激光，从而开辟超晶格材料应用的新领域；又由于超晶格材料的组分和层厚等均可以人为控制，可望得到均匀半导体材料所不具有的光电特征。注意到粒子在面沟道中运动时，由于不断受到“折沟道”对它的作用，它的横向动量在界面处发生突变。效果等效于在直沟道中运动的粒子受到如“折沟道”相似的相互作用势的调制，调制的强弱与晶格畸变有关。当然与平面连续势相比，它只是一个小量。从一般运动方程出发，把“折沟道”的退道效应等效为面沟道粒子受到弱的周期调制，利用正弦平方势，把粒子运动方程化为具有外周期弱调制的非线性微分方程，并利用Melnikov方法分析了系统出现Smale马蹄的临界条件，预言了带电粒子同超晶格相互作用过程中，系统可能出现的混沌行为。

事实上，在研究超晶格光磁电效应时，可能会遇到由于混沌引起的噪声问题。如果这个问题存在，只需适当调整参数(比如超晶格的层厚或组分等)，便可以使这种噪声得以消减。

以超晶格面沟道效应为例来说明沟道粒子的共振行为。假设带正电的粒子运动在(x，z)平面内，如图3，其中z是沿沟道中心线方向，x是粒子在沟道平面内离开z轴的距离。注意到超晶格的沟道不再是直沟道，而是轴线呈锯齿状的折沟道，于是，粒子与晶面的相互作用势就不再是平面的，而是受到折沟道调制的非平面连续势；再注意到任何假设都是近似的，没有近似就没有认识。不妨假设

V(x)=V0(x)+V1(x)W(z)，

其中V0(x)是直沟道中的平面连续势，V1(x)W(z)是沟道偏折引起的扰动项。W(z)是以层厚l0为周期的锯齿形函数。通过理论推导和公式代入计算可以得到进一步讨论Smale的马蹄与混沌行为。

推导得出系统关系式，我们关心的是系统的Smale马蹄与混沌行为。为此，首先找出系统的分界线和它内部的周期解；然后构造相应的Melnikov函数，再根据Melnikov函数的特征，讨论系统稳定和不稳定流形的横向交截条件，然后判断系统是否存在Smale马蹄与Smale马蹄意义上的混沌行为。

把超晶格“折沟道”对粒子的作用等效为形状相似的弱周期调制。利用正弦平方势把粒子运动方程化为具有外周期弱调制的非线性微分方程,并利用Melnikov方法分析，可以得出系统出现Smale马蹄的临界条件和Smale马蹄意义上的混沌行为。也说明了带电粒子同超晶格相互作用过程中，系统可能出现的混沌行为。

5小结

结合超晶格的特点，以及对带电粒子的研究，本文讨论了超晶格与带电粒子的相互作用所产生的一些系统行为，以及带来新的发展应用，为将来对超晶格的研究做了一定的铺垫，也为半导体超晶格材料的制备和半导体超晶格光磁电效应提供了基本的理论分析，同时也给识别超高能粒子的研究提供了较好的依据。

参考文献

[1]彭英才,傅广生.半导体超晶格研究与相关学科领域发展的关系[J]半导体杂志,2000,(01).

[2]罗诗裕,周小方.形变超晶格的位错模型与粒子的退道效应[J]半导体学报,2003,(05).

[3]MatthewsJW,BlakesleeAE.Defectsinepitaxialmultilayers.JournalofCrystalGrowth.1974,27:118.

[4]RobinN,HeilandW,JensenJ,etal.ChannelingEffectsObservedinEnergy-lossSpectraofNitrogenIonsScatteredofaPtSurface[J].PhvsRev,2001,A64:052901,1.

带电粒子范文篇2

关键词带电粒子超晶格混沌

1引言

随着加速器技术的发展，人们对带电粒子与物质相互作用进行了广泛而深入的研究。带电粒子的沟道效应和沟道辐射便是人们发现的重要现象之一。由此发展起来的沟道技术在固体物理和原子核物理中得到了广泛应用，而且成功地将这一技术用来研究超晶格。1970年，Esaki和Tsu首次提出了超晶格概念。最初的超晶格是用两种晶格常数相同的材料交替生长，形成一种多层薄膜结构。

带电粒子在电场的作用下定向运动，从而形成电流。在多体带电体系中，由于库仑作用，带电粒子处于两种电场中：一是形成定向运动的外电场，二是粒子之间的库仑相互作用。考虑分立的多体带电系统，这时形成电流是由于带电粒子的隧道效应，从分立的一部分到达分立的另一部分。理论预言，电流一定条件下会中断。这就是所谓的库仑阻塞。这是一种带电粒子的关联现象。带电粒子如电子、离子等以及某些极性分子的运动在磁场特别是在强磁场中会产生根本性变化。

超晶格中电子态研究的一个基本环节就是隧穿现象，它是一种垂直于因品格异质结界面的电子输运过程。在隧穿问题的研究中，人们最感兴趣的是双势垒谐振隧穿效应。所谓谐振隧穿是指当电子接连隧穿过两个靠得很近的势垒时，隧穿几率随入射电子能量的变化会出现致个极大值。对于具有对称双势垒结构，发生谐振时的电子最大隧穿几宰等于1，即对称双势垒对某些能量的入射电于是完全透明的、发生谐振隧穿的物理机制来自于两个势垒之间的势阱内电子能量的量子化。当入射电子能量等于势阱中电子的量子化能级时，谐振现象发生。

带电粒子的沟道效应和沟道辐射便是人们发现的重要现象之一。由此发展起来的沟道技术在固体物理和原子核物理中得到了广泛应用，而且还成功地用它来研究了形(应)变超晶格。

2超晶格的粒子输运

到目前为止，我们并没有很严格地区分量子阱和超晶格这两个概念。严格说超晶格材料是：量子阱之间的势垒较薄，各量子阱的束缚能级相互祸合，形成微带。这种微带类似于固体中的能带，但又有很大的区别，因为微带是一维的，其布里渊区很小，且能带宽度很小。这种特性决定了某些物理现象(如布洛赫振荡)在一般固体中观察不到，而在超晶格中应观察到。Chometre等人用光学方法研究微带输运，证明了在超晶格中存在电子、空穴通过微带的垂直输运。

超晶格器件中的电子输运：超晶格器件在结构上的最主要待征则是，在电流传播方向上具有由多个量子阱层和势垒层构成的周期性结构，隔开各阱层的势垒层很薄，具有较大的电子隧穿几率，电子在沿垂直超晶格平面的方向连续穿过多个周期势垒运动。

在超晶格中，带电的电子在单个量子阱中形成一定的量子能级。超晶格内相邻量子阱中的量于能级通过它们之间的薄势垒层有一较弱的耦合，因而每一量子能级扩展成一个能带。由于耦合很弱，形成的能带较窄，称作于能带。设电子的能量为Eb。超晶格周期为d，于能带宽度为D，电场强度为E，

当电场时．平均漂移速度有极大值。当E进一步增大时，速度反而减小，阈值电场。即使有散射存在，在超晶格的J—v曲线中，最初电流随电压的增加而增大，当电压使得电场达到阈值时，电压的进一步增加反而使电流减小，出现负的动态电阻。随着电压不断增大，还可能出现多个电流峰值和多个负阻区间。从理论上讲，如果完全不存在散射，电子的运动无沦在速度空间或动量空间都可能表现出振荡行为。这一现象称为布洛赫振荡，对应于布洛赫振荡的电子输运过程也是一种负微分电导现象。如图1.

在超晶格器件中的负微分电导机制，即扩展态——局域态转变。它所描述的物理意义是，在沿着其周期方向足够强的外电场中，超晶格在一个周期上的电位差将大于于能带宽度，此时相邻量子阱中的量子能级彼此错开，一个量子阱中量子能级的能量处于相邻量子阱的能隙中，电子在各量子阱中的量子能级变成高度为Eed的wannier—Stark阶梯。在这种情况下，相邻量子阱的量子能级状态之间的耦合很弱，电子波函数变得定域化了，电子隧穿过势垒的几率很小，因而超晶格的电导变得很小；当沿着超晶格方向所加的电场由小变大时，由于电子的状态由扩展态转变成定域态，使电导由大变小，即出现负的微分电导。

3带电粒子与超晶格相互作用识别超高能粒子

带电粒子的沟道效应和沟道辐射广泛被人们关注，而超晶格的沟道效应和沟道辐射也正在被人们深入研究。经典物理学证明，在电磁场中作加速运动的带电粒子要辐射电磁波。1946年，苏联物理学家金斯堡和弗兰克进一步指出，当带电粒子穿过电磁性质不同的两种介质界面时，即使加速度为零也要向外辐射能量，这种辐射称为渡越辐射。事实上，在第一介质中远离边界的地方，粒子具有一定的场，而这个场就携带了粒子和第一介质相互作用的信息；当粒子进入第二种介质时，远离边界的场也携带了粒子和第二种介质相互作用的信息。值得注意的是，即使在整个过程中粒子的加速度为零，只要两种介质的电磁性质不同，初场和终场就一定不同。因此，当带电粒子趋近并穿过界面时，场必然会自动调整。正是在这种调整过程中带电粒子将向外辐射能量。如图2.

非沟道粒子与物质(晶体)的相互作用的最大特点是粒子将穿过两种不同介质(真空和晶体)的界面。非沟道粒子一旦穿越这样的界面就要产生渡越辐射，而这种辐射可能对沟道辐射产生一定影响。注意到超晶格是由两种不同介电常数的材料交替生长而成的多层薄膜结构，因此，带电粒子同超晶格相互作用就是带电粒子同多层薄膜相互作用。粒子每穿越一层薄膜就要穿越一次界面，每穿越一次界面就要产生一次渡越辐射，这种辐射就有较大的应用前景。

渡越辐射对沟道辐射的影响主要是在长波区域使沟道辐射的本底增强。在渡越辐射能量公式中，由于含有相对论因子γ，可以用它来识别超高能粒子。一个典型的例子是，具有多层薄膜结构的超晶格，可以用它的渡越辐射来识别超高能粒子。

4超晶格与带电粒子相互作用的系统行为

由于超晶格材料的特殊几何结构，可望得到均匀半导体材料所不具有的光电特征。从而引起了人们对它的极大兴趣。由于超晶格具有特殊的层状结构，可望用它把沟道辐射改造为X激光或γ激光，从而开辟超晶格材料应用的新领域；又由于超晶格材料的组分和层厚等均可以人为控制，可望得到均匀半导体材料所不具有的光电特征。注意到粒子在面沟道中运动时，由于不断受到“折沟道”对它的作用，它的横向动量在界面处发生突变。效果等效于在直沟道中运动的粒子受到如“折沟道”相似的相互作用势的调制，调制的强弱与晶格畸变有关。当然与平面连续势相比，它只是一个小量。从一般运动方程出发，把“折沟道”的退道效应等效为面沟道粒子受到弱的周期调制，利用正弦平方势，把粒子运动方程化为具有外周期弱调制的非线性微分方程，并利用Melnikov方法分析了系统出现Smale马蹄的临界条件，预言了带电粒子同超晶格相互作用过程中，系统可能出现的混沌行为。

事实上，在研究超晶格光磁电效应时，可能会遇到由于混沌引起的噪声问题。如果这个问题存在，只需适当调整参数(比如超晶格的层厚或组分等)，便可以使这种噪声得以消减。

以超晶格面沟道效应为例来说明沟道粒子的共振行为。假设带正电的粒子运动在(x，z)平面内，如图3，其中z是沿沟道中心线方向，x是粒子在沟道平面内离开z轴的距离。注意到超晶格的沟道不再是直沟道，而是轴线呈锯齿状的折沟道，于是，粒子与晶面的相互作用势就不再是平面的，而是受到折沟道调制的非平面连续势；再注意到任何假设都是近似的，没有近似就没有认识。不妨假设

V(x)=V0(x)+V1(x)W(z)，

其中V0(x)是直沟道中的平面连续势，V1(x)W(z)是沟道偏折引起的扰动项。W(z)是以层厚l0为周期的锯齿形函数。通过理论推导和公式代入计算可以得到进一步讨论Smale的马蹄与混沌行为。

推导得出系统关系式，我们关心的是系统的Smale马蹄与混沌行为。为此，首先找出系统的分界线和它内部的周期解；然后构造相应的Melnikov函数，再根据Melnikov函数的特征，讨论系统稳定和不稳定流形的横向交截条件，然后判断系统是否存在Smale马蹄与Smale马蹄意义上的混沌行为。

把超晶格“折沟道”对粒子的作用等效为形状相似的弱周期调制。利用正弦平方势把粒子运动方程化为具有外周期弱调制的非线性微分方程,并利用Melnikov方法分析，可以得出系统出现Smale马蹄的临界条件和Smale马蹄意义上的混沌行为。也说明了带电粒子同超晶格相互作用过程中，系统可能出现的混沌行为。

5小结

结合超晶格的特点，以及对带电粒子的研究，本文讨论了超晶格与带电粒子的相互作用所产生的一些系统行为，以及带来新的发展应用，为将来对超晶格的研究做了一定的铺垫，也为半导体超晶格材料的制备和半导体超晶格光磁电效应提供了基本的理论分析，同时也给识别超高能粒子的研究提供了较好的依据。

参考文献

[1]彭英才,傅广生.半导体超晶格研究与相关学科领域发展的关系[J]半导体杂志,2000,(01).

[2]罗诗裕,周小方.形变超晶格的位错模型与粒子的退道效应[J]半导体学报,2003,(05).

[3]MatthewsJW,BlakesleeAE.Defectsinepitaxialmultilayers.JournalofCrystalGrowth.1974,27:118.

[4]RobinN,HeilandW,JensenJ,etal.ChannelingEffectsObservedinEnergy-lossSpectraofNitrogenIonsScatteredofaPtSurface[J].PhvsRev,2001,A64:052901,1.

TheResearchonInteractionbetweenChargedParticleandSuperlattice

带电粒子范文篇3

在“感生电动势与动生电动势”一节中，人教版高中物理选修3-2教材在提出了“磁场变化时产生了电动势，哪一种作用扮演了非静电力的角色？”问题之后，就直接给出了物理学家麦克斯韦的结论:磁场变化时会在空间激发一种电场———感生电场［1］。以教师视角看，尽管结论非常直接，但却容易使正处于思维发散状态下的学生感到结论下得既突然又武断，同时也不利于学生探究能力的培养，难以让人信服。为此，笔者设计了验证感生电场存在的实验。实践证明，该实验既达到了培养学生能力的目的，又能增强教学效果。

2设计思路及实验器材

2.1设计思路。该实验设计能获得较强、持续的变化磁场，并找到一个带电粒子；在受力作用下，带电粒子的运动状态会发生改变，若改变的原因能排除是洛仑兹力，则只能是磁场变化时产生的作用力，即感生电场的作用力。2.2实验器材。FB201-Ⅰ型交变磁场实验仪、FB201-Ⅱ型交变磁场测试仪、阴极射线管、高压电源、导线。FB201-Ⅰ型交变磁场实验仪是集信号发生、信号感应、测量于一体的多用途教学实验仪器，它可以在亥姆霍兹线圈中产生磁场。经理论计算证明，给亥姆霍兹线圈通入同方向的电流，则两个线圈的合磁场在轴上(两线圈圆心连线）附近较大范围内呈均匀分布状态［2］。磁场的分布如图1所示，其中x为轴上某一点到线圈圆心O′的距离，由于通过亥姆霍兹线圈的电流是交变电流，沿两个线圈轴线方向产生的是均匀交变磁场，具有强度大、持续时间可人为确定、便于控制的优点，其磁感应强度约为1.0×10-3T。FB201-Ⅱ型交变磁场测试仪作为信号源，其激励信号的频率、输出强度均连续可调，信号频率可调范围是30～200Hz，分辨率为0.1Hz。亥姆霍兹线圈允许的最大电流是1A(50Hz），每个线圈共为400匝，线圈等效半径为105mm。带电粒子由正常工作时的阴极射线管产生，可通过打到荧光板上发出的浅绿色径迹显示粒子的运动状态。

3验证原理

将阴极射线管带电粒子径迹方向沿亥姆霍兹线圈圆心连线方向放置，此时带电粒子运动方向平行于磁场方向，不会受到洛仑兹力的作用，则带电粒子是直线径迹，表明没有感生电场产生；保持阴极射线管带电粒子径迹方向沿亥姆霍兹线圈圆心连线方向放置方式不变，给线圈通入交变电流，此时沿两个线圈轴线方向产生均匀的交变磁场，则带电粒子的径迹有规律地向着两个相反方向偏转，表明磁场发生变化并使电荷受到作用力（即感生电场的作用力），说明有感生电场存在。

4实验方法

（1）用导线将阴极射线管和高压电源连接起来，把Ⅰ型交变磁场实验仪和Ⅱ型交变磁场测试仪按照图2所示加以连接。（2）调节高压电源的输出电压，保证阴极射线管正常工作，调整阴极射线管并使带电粒子直线径迹方向与亥姆霍兹线圈轴线方向平行放置，适当远离连线，实验装置照片如图3所示。（3）保持阴极射线管和亥姆霍兹线圈放置方向不变，打开交变磁场实验装置开关，给线圈通入交变电流，观察到带电粒子的径迹有规律地向着两个相反方向偏转。（4）改变Ⅱ型交变磁场测试仪输出的交变电流信号的频率，观察到带电粒子的径迹在向两个相反方向偏转时存在快慢不同的现象。为使实验现象更加清晰，可视度更好，可以采取减少室内采光的措施，以便利用实物投影仪将装置的主要部分投影到大屏幕上。

5结语

感生电场存在的实验很少能在大学、中学教材或期刊杂志中见到，其原因是极不容易获得较强、持续的感生电场；而赫兹实验虽然能够验证感生电场的存在，但却较难做，且说服力远远不够。笔者所设计的验证实验为不同功能仪器的组合实验，利用亥姆霍兹线圈的交变磁场对运动的带电粒子作用的效果来研究感生电场的存在，直接将抽象的问题直观化、抽象的概念形象化，效果明显，能充分说明问题，易于被学生所探究和认识。FB201交变磁场实验装置是整个实验的“心脏”，它所产生的是强度大、持续时间便于人为控制的均匀交变磁场，即调整带电粒子直线径迹方向与亥姆霍兹线圈圆心连线方向平行放置（即带电粒子运动方向平行于磁场方向），是保证该实验效度和信度的关键。

作者:李斌 单位:涟源市第一中学

参考文献

带电粒子范文篇4

关键词：个性化；研究性；物理教学

一、中国民航大学物理教学现状

中国民航大学坐落于天津市，是中国民航局直属的以培养民航高级工程技术和管理人才为主的高等学府。目前在校学生28000余人，专职教师1500余人，其中普通物理授课教师30余人。中国民航大学开设有34个本科专业，6个专科专业，大学物理是绝大部分专业的基础必修课，每学期在学人数（含重修班学生）约6000人。课程内容涵盖力学、简谐振动、波动、波动光学、热学、电磁学、狭义相对论和量子力学基础，共计120学时，分别在大一下学期和大二上学期开课。基于上述数据，大学物理教学中存在班级容量大（通常大于120人/班）、课程内容丰富、课时紧张等特点。大学物理的教学改革已进行了多年，在教学理念、教学模式等方面都有一定的进步，但仍然存在一些问题，例如：（1）传统的课堂教学强调知识的重点、难点，而且过于注重教学内容的系统性、逻辑性、数学演绎等理论知识，与当今高新科技、实际应用脱节，和专业融合不紧密，因而工科学生对学习物理课的兴趣淡漠。（2）教学中缺乏分层次教学，教师课堂讲授过细，用于举例和题解的时间多，留给学生独立思考和分析的时间少，学生的主动性没有得到发挥，远不足以使学生有能力运用知识，这不利于学生解决复杂工程问题能力的培养。（3）在教学过程中发现，大部分学生虽然掌握了基本的理论知识，但在面对实际问题时不知道该如何入手，解决问题能力差。尤其是在大学生创新创业训练中，同样发现学生无法很好地将物理知识与其它学科知识相互结合去解决实际问题。由此可见，为了培养复合型的工程人才，为了提升课程质量，针对上述存在的问题，对大学物理教学进行更深层次的改革亟需探索和实践。

二、个性化研究性教学实例

个性化研究性教学，是以学生成长目标为导向，根据学生的个性、兴趣及发展目标进行个性化培养[1-3]，形成“以学生为中心、以探索为导向、以教学科研相结合”的教育教学模式，其目的是借助多元化的教学手段来激发学生自主学习的兴趣和动力，挖掘及发挥学生的潜能，培养学生个人能力特色，促进学生全方位、个性化成长。在传统的课堂教学中，教师的主要任务是将物理知识传授给学生，增加学生的知识储备，而忽略对学生对知识迁移能力的培养。我们认识到，个性化培养模式是提升学生学习兴趣、增强创新创业能力、跨界整合能力的内在要求。我们应尊重学生作为个体的发展需要，充分考虑每个学生的个体差异，在学生自愿深入学习的基础上，给予部分学生充分的机会提升自己，进而达到更高层次的学习效果。例如：在教学中，我们会在部分课后布置与课程知识点相关的研究性课题（结合教师自身的科研背景），该类课题不同于常见的课后作业题，它具有一定的综合性、前沿性、应用性，需要学生综合运用多学科知识，如高等数学、大学物理、计算机等，去解决实际问题。例如，在讲授电磁学内容时，教师会引导学生利用电磁学基本知识去分析带电粒子的运动问题，通过计算机实现可视化的带电粒子的运动轨迹，从而使学生对知识的理解和运用达到融会贯通，不仅如此，还可以锻炼学生运用综合知识解决复杂问题的能力。为了帮助学生顺利达到课程目标，任课教师对课题由浅入深做了如下设计：（1）带电粒子库伦势的空间结构；（2）带电粒子在均匀磁场下的运动轨迹；（3）带电粒子在均匀电磁场下的运动轨迹；（4）带电粒子在不均匀电场场下的运动轨迹。上述四个物理内容的分析如下：假定一个带电粒子的电量为Q，放置于一个二维x-y空间，根据库伦势基本公式，在Matlab中写出库伦势的表达方式，最后利用直角坐标-极坐标变换关系，做出库伦势的空间分布，如图1所示。在该环节中，需要学生理解库伦势的表达形式，能够运用Matlab编程语言，同时还需要学生掌握坐标变换的方法。图1库伦势的空间结构为了强化学生对运动学和电磁学的结合运用，我们在第二、三、四设计了不同层次的分析过程，即在第二个环节中，我们设计了较为简单的情况：带电粒子Q在均匀磁场B中的运动，假定粒子的初速度分别有垂直于磁场和平行于磁场的分量，利用Matlab语言，图2给出了带电粒子的螺旋进动轨迹。该环节需要学生能够推导出粒子的轨迹方程、并且灵活运用Matlab语言实现粒子的运动过程。第三个环节中，在均匀磁场的基础上，增加了垂直于B的均匀电场E，同时考虑两种质量不同的带电粒子。该环节同样要求学生推导出粒子的轨迹方程，相比第二个环节难度要大很多，图3给出了这种情况下带电粒子的漂移进动轨迹。图2带电粒子在均匀磁场下的运动轨迹最后，第四个环节中，我们考虑更为复杂的情况，即磁场为反剪切形式，电场具有一定梯度，同时两者方向垂直。根据粒子的运动方程，图4给出了不同磁场剪切情况下带电粒子的运动轨迹。在该环节中，需要学生自学龙格库塔或者与预报修正方法对粒子的运动轨迹加以分析，这极大地锻炼了学生的钻研精神。通过上述四个环节的训练，学生综合运用物理、数学、计算机编程、数值方法的能力大大加强。在上述训练中，教师给出研究性课题，同时给出课题的结果，中间实现过程交由学生去完成。该种教学模式的出发点如下：（1）通过生动的图像抓住学生的注意力，无形之中激发了他们的学习兴趣；（2）通过图像的展示，让学生大致了解本课题的结果，从而有明确的努力方向，并且主动搜集资料补充自己知识库；（3）通过结果展示，使得学生知晓老师有充足的知识储备，可以为他们的研究性学习做深入指导；（4）通过结果展示，激发学生的求知欲，促进教师和学生更深入地交流；（5）通过结果展示，带动更多的学生投入物理学习，从而提升班级整体学习效果。上述教学方法开阔了学生的眼界，有利于学生发散思维的训练以及分析问题、解决问题的能力的培养，学生对物理的学习兴趣得到了一定程度的提高，特别是在大学生创新创业项目中，参与训练的学生表现较好，不仅能够通过自主性学习、团队协作顺利完成上述课题，并以此为基础开展下一步的研究工作。在天津市大学生物理竞赛中，很多学生也获得了很好的成绩，其中有多人次获特等奖和一等奖。

三、新工科背景下个性化研究性培养的探索

新工科是根据国家发展战略新需求、国际竞争新形势及立德树人新要求而提出的国家工程教育改革的方向[4-5]，重中之重是培养大量具有匠人精神的创新性卓越工程人才，然而学生解决复杂工程问题的能力[6-7]仍是我国工程教育的主要短板。我校以航空工程学院和电子信息与自动化学院两个学院中的四个专业开展新工科试点班的建设，这四个特色专业分别是飞行器制造工程专业、飞行器动力工程专业、电气工程与自动化专业和自动化专业。大学物理是理工科专业的重要基础课，在培养复合型创新型人才的知识结构中发挥着先导性与根基性的作用，其教学质量的好坏会直接影响工程人才培养的质量。在新工科背景下，各高校纷纷进行大学物理课程教育教学改革的探索[8-11]。为满足新工科专业对创新型工程技术人才的新要求，我们重新设计了教学大纲。第一，将大学物理和物理实验合并为一门课程，使物理实验变成课内实验，二者相互配合与协调，加强理论联系工程实际；第二，对大学物理内容进行了梳理，并且进行了模块化的设计，由通识模块和选增专业模块构成。第三，在理论课程教学中，采用双课堂。第一课堂大班授课，采用启发与讨论式教学方法，在课程教学设计时体现“教师指导－学生探究－培养能力”的教学特点，同时有意识地培养学生用科学的世界观和方法论去认识和解决物理问题，并结合讲授内容使物理原理与科学技术、自然现象等领域有机结合，培养学生的科学素养和初步的工程意识。第二课堂小组讨论，鼓励通过查找网络资源、习题/案例讨论、探索性实践等多种方式开展探究式学习，加强对学生分析和解决问题能力的培养，可以适当安排学生在计算机上使用仿真物理实验软件巩固和加深其对于物理概念的理解，尽量鼓励学生利用已掌握的计算机的知识编程设计物理现象并能建立模型来解决物理中一些难题。第四，在实验教学中，以“实验活动为中心，理论与实验相结合”的教学方法引导学生注重实验现象的观察，并将所学的物理知识和物理规律用于对实验现象的分析和解释，培养学生的观察能力和自主实验能力。只有善于观察的人才有可能“有所发现”，才有可能“有所创造”，培养创新能力首先要从学会观察现象开始[12]。在新工科背景下，物理教学应从知识教育为主转变把科学素质和工程能力的培养放在第一位，要从偏重依靠教师“教会”转变为注重引导学生“学会”，并使学生“会学”“会应用”，物理教学中注意理论与实际相结合，与工科专业相融合，为学生打下牢固而坚实的物理基础的同时，也为他们对工程科技知识的掌握和长远的发展提供支撑。

四、结束语

个性化研究性教学方法是基于当前物理教学中普遍存在的问题提出的新探索，具有一定的针对性。本文以电磁学内容为例，讨论了改进物理教学的个性化研究性教学方法，在具体实践中，该方法已经体现出来一定的积极作用，同时，我们也认识到该方法还有待改进，其局限性体现如下：（1）由于课题具有一定的难度，能够深入参与其中的学生有限；（2）课题设计需要教师有一定的知识积累，特别是计算机、数值计算等方面能力的提升；（3）对于个性化研究性物理教学，当前情况下的物理课时稍显不足；（4）由于大学物理是我校基础必修课，开设时间只有两个学期，因此物理课程学习结束后，有较好潜质的学生逐渐脱离本研究性课题，无法进行连续性的教学案例分析。

总之，在新工科背景下，高等教育人才培养的结构和质量都面临着更大的挑战，我们反思传统大学物理教育在人才培养方面的不足，提出了个性化研究性教学模式以适应学生个性化发展的卓越人才培养。在实际的教学中，教师应充分尊重学生间的差异以及学生的学习主体性，从个性化人才培养的视角，提升学生应用物理知识解决复杂问题的能力。

参考文献：

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[11]姜宇，刘艳磊，等.新工科背景下大学物理案例教学的探索[J].高教学刊，2019（20）：102-104.

带电粒子范文篇5

从现代教育技术的功能中可以看出它在教育教学中有如下作用:

1、集中注意，激发学习动机。注意是学生获得知识的前提，上课注意力集中学习效果就好，但是人的注意力集中到一定的时间就会分散，幻灯投影、电视、计算机等多媒体，可以直观地再现客观事物，它们生动形象的画面本身就能引起学生的注意。

2、材料直观，有利感知。学生对学习内容的感知，要以大量的感性经验为依据。学生的感性认识有些是在生活和学习中积累的，大量的还要靠老师讲解和学生的观察。这就要求教师在课堂上讲解生动，而且要充分利用电教手段来调动学生的视、听感官进行感知，物理教学尤为突出。

3、具体形象，有利理解。电教手段以直观形象尤为特长，对于突破教学中的难点、突出重点有很好的作用。如物理教学中的楞次定律等一些定律或实验现象，教学中既是重点，又是难点，这时不妨用动态的投影片或计算机动画方式呈现给学生，学生看后就容易理解。

4、提供示范，培养技能。在培养学生的技能时，除教师用语言讲解外，还应通过实际动作或有关的视觉材料提供示范，使学生获得有关练习或操作的印象，有模仿的样板。如物理实验，实验前把实验过程的录像播放给学生，再加上教师的讲解，学生就会掌握实验的正确操作方法，可以在短时间内较为规范地完成实验。

5、提高教育质量。教育质量的高低，主要是看学生在德、智、体几方面的发展。现代教育技术能够促进学生良好思想品德的形成:电影、电视、计算机、VCD能用生动形象的画面把内容呈现出来，使学生易于接受，生动形象的故事情节，容易造成学生情感上的共鸣，容易激发学生的兴趣和内部动力，使学生轻松愉快地学习，从而促进学生知识和能力的发展。

6、提高教学效率。教学效率的提高主要指以下两个方面:对教师而言，在一定时间内要完成比原先更多的教学任务;对学生来说，在一定时间内要学到比原来更多的内容。从以上介绍的学习比率、注意比率、记忆比率的研究中可以看出:在学习中，眼和耳最有效;多种感官并用效率最高。

二、现代教育技术在中学物理教学中的应用

2．1在物理理论课堂教学方面的应用用多媒体辅助物理课堂教学，是教育现代化的必然要求。在以往长期的课堂教学实践中，教师们一直沿用“一支笔、一张嘴、物理现象全凭讲”的传统教学模式，教师普遍感到“物理难教”;学生感觉“物理难学”。有了多媒体的辅助，利用计算机设计的图形，特别是三维动画结合多媒体优势，使学生在较短的时间内在头脑中建立起相对完整的物理过程，有助于理解和记忆，可极大地提高学生学习物理的兴趣和学习效率，难教与难学在一定程度上必然有所缓解。多媒体声、光、色、形综合表现力强，且不受时空限制，通过图像的翻滚、闪烁、定格、色彩及声响效果，给学生以新的感受，吸引学生的注意力，使学生从多媒体假设的情境中，联系已有知识或日常生活经验提出问题引发思维，激发学习兴趣。

2．2在物理实验教学中的应用教育技术在物理实验教学中的应用会给传统物理实验教学带来新的生机和活力，在中学物理教学中受某些条件的限制，一些实验根本就不能做或难以实现，而电脑模拟实验则可以突破空间、时间的限定，化抽象为具体、动静结合再现物理实验场景，从而发挥现代教育教学手段在物理教学中的作用。

1、计算机辅助物理实验教学就是利用现代教育技术手段和功能齐全的设计软件，特别是由计算机创造的二维、三维动画模拟某些实验，再现物理情景和过程，对揭示物理规律有良好的优化作用。

2、中学物理中的某些现象是很难理解又无法通过常规实验了解的。如:原子物理中的粒子散射、原子结构等，尽管教师费尽九牛二虎之力讲解，但学生还是难以理解，而如果利用计算机的模拟功能，则α粒子散射实验现象就可以通过计算机模拟系统，输入数据控制α粒子的偏转，使学生清楚地看到α粒子的运动轨迹。

带电粒子范文篇6

什么是科学探究呢?在《物理课程标准》中，科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式之一。将科学探究列入内容标准，旨在将学习重心从过分强调知识的传承和积累向知识的探究过程转化，从学生被动接受知识向主动获取知识转化，从而培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神。学生在科学探究活动中，通过经历与科学工作者进行科学探究时的相似过程，学习物理知识与技能，体验科学探究的乐趣，学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和精神科学探究的形式是多种多样的，其要素有：提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作。在学生的科学探究中，其探究过程可以涉及所有的要素，也可以只涉及部分要素。科学探究渗透在教材和教学过程的不同部分。

一、物理科学探究课必须是一堂物理课

一堂物理课，应当有一定的课堂结构，对内容的处理要详略得当，不可面面俱到，没有重点。既要有三维一体的教学目标，又要有流畅的逻辑结构，还必须具有物理特色。按照新的教学理念，教学目标分为三维：知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观。传统的教学过分地注重知识的传承，对过程与方法、情感态度与价值观未引起足够的重视。在物理教学中，除了科学知识外，还有科学发现过程中的科学方法、科学思想、科学态度等。这些是科学素养中不可或缺的部分。当然，在科学探究课中，情感、态度和价值观重在体验，让学生在体验中升华，不可贴标签或喊口号。

一堂好的物理课必须有流畅的逻辑结构。好的一堂课，宛如一首优美的散文诗，一气呵成。如果一堂课在逻辑上颠三倒四，听起来就会味同嚼蜡。如“带电粒子在磁场中的运动”，学生已经知道物体做匀速圆周运动的规律和提供带电粒子做圆周运动的向心力是洛伦兹力，而某教师在教学中通过一个虚拟实验让学生来探究带电粒子在磁场中的运动半径与电荷的大不、电荷的质量、磁场的大小之间的关系。这个虚拟实验是建立在上的。这样做，在逻辑上是不允许的。

一堂物理课必须具有物理特色，要创建真实的物理情景，提供产生“问题”的土壤，有真实的物理实验作为支撑。从这次比赛的情况来看，绝大部分的问题是教师提出来的，而不是学生提出来的，问题就在于教师没有提供明确的物理情景，或是联系实际、联系科技，、生活不够紧密，致使学生提不出问题。有一种观点认为，虚拟实验可以代替真实实验，让学生通过虚拟实验来探究并且以科学家模拟原子弹的爆炸等为例来说明其可能性。要知道，学生要探究的是其中的原理，而不仅仅是结果，最重要的是让学生在真实的物理实验中，亲身体验物理过程，领悟物理思想和方法，证实或证伪自己的猜想。

二、合理地选择科学探究课的课题

科学探究课的选题非常重要。因为在科学探究活动中，学生必须要通过经历，科学工作者进行科学探究时的相似过程，在原有的知识基础上构建新的物理知识，通过实验学会新的技能，体验科学探究的乐趣，学习科学家进行科学探究的方法，领悟科学的思想和精神没有探究的价值，没有学生探究经历的真实过程，没有学生探究的背景知识，、技能，没有学生探究的实验条件，这样的科学探究就没有必要或没有可能进行。因此，科学探究课的课题必须有探究的价值、学生探究的思维基础和技能、探究的时间和空间、探究的实验条件。

有时有些课题虽然可以按探究课来上，但必须考虑其有无价值。如“探究怎样用变阻器改变灯泡的壳度”在学生知道变阻器的原理后，这样的探究就没有意义了。科学探究不是万能的，不是所有的课题都可以作为科学探究课来上，有些陈述性知识，特别是一些“是什么的问题”用传统的讲授方法可能事半功倍，而用探究就可能事倍功半，如“气体的性质”是运用分子理论来解释的；程序性知识也只能靠传授，如科学探究的要素是程序性知识，他们怎能按探究的课型来上呢?又如“带电粒子在磁场中的运动”，学生已经知道物体做匀速圆周运动的规律和提供带电粒子作圆周运动的向心力是洛伦兹力，学生不难理解，没有必要让学生通过虚拟实验来探究带电粒子在磁场中的运动半径与电荷的大小、电荷的质量、磁场的大小之间的关系，这样的探究没有实际价值。即使是可以探究的内容，由于有些探究的实验没有相应的设备和条件，有些探究学生可能没有相应的知识基础和技能，也无法探究。如“行星的运动”中开普勒三定律无法探究、“电磁波”中“电磁波是横波”也无法用实验验证。

三、正确处理好科学探究中各个要素

在提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作七个要素中，评估、交流与合作应该贯穿于整个探究过程中，不只是在最后再作评估。如对于学生的计划与实验方案的设计，如果不做评估、交流，有时可能就可能无法进行实验。

在提出问题时，是创设情景让学生提出问题，还是教师自己提出问题，应该根据具体情况而定，但在一般情况下，首光是考虑让学生自己提出问题来。在实际的教学过程中，往往是教师越俎代庖，并且有时提出的问题缺乏针对性。如在《科学探究：怎样产生感应电流》一课中，有位教师出示了一个水电发电机组的课件，问学生“电是怎样产生的?”，教师的本意是希望学生猜想出感应电流是由于线圈在磁场中转动而产生的，但学生可以回答说“是由于水冲动或水冲动水轮机组而产生的”本来教材上有一个发电机模型，教师可以安排实验，让学生在观察实验的过程中提出电是怎样产生的，进而做出种种猜想。即使是教师提出的问题既应该有一定的思维基础或生活体验，也应该有一定的发散性，以利于培养学生的发散思维能力。在引导学生提出的问题中，问题应该有一定的层次性，让不同层次的学生都能享受提出问题的乐趣。

带电粒子范文篇7

一、正向思维和逆向思维

所谓正向思维就是“循规蹈矩”，从问题的始态到终态，顺着物理过程的发展去思考问题．而逆向思维则是反其常规，是将问题倒过来思考的思维方法．有很多物理习题，利用正向思维方法解决比较困难或解决起来十分繁琐，而利用逆向思维却能收到很好的效果．

例1物体以速度v0被竖直上抛，不计空气阻力，在到达最高点前0．5s内通过的位移为多大？（g＝10m／s2）

分析求解本题用正向思维不好求解，但利用逆向思维可很快求出答案．

若将物体从被上抛至到达最高点这一过程逆向看，将是一个自由落体运动，而此题所求的“到达最高点前0．5s内的位移”，正是自由落体前0．5s内的位移．则

s＝（1／2）gt2＝（1／2）×10×（0．5）2＝1．25（m）．

二、形象思维和抽象思维

形象思维是指从具体的、较真实的、易理解的角度思考问题，而抽象思维则与之相反，是指人脑把各种对象或现象间共同的、本质的属性提取出来，并同非本质属性分离出来的过程．在物理解题时，抽象思维是学生把实际问题转化为典型物理问题的重要思维形式．如果把具体的物理问题化形象为抽象，找出事物的本质属性，则可简化解题过程．

例2如图1所示，abc和a''''b''''c''''为平行放置的光滑金属导轨，ab、a''''b''''段形成一翘起斜面，bc、b''''c''''段形成一水平面．在bc、b''''c''''的水平部分导轨之间穿过磁感强度为B、方向垂直向上的匀强磁场．在导轨水平部分放有质量为m的金属杆PQ，让质量为M的金属杆JK由距水平面高为h处无初速下滑．如果JK始终不与PQ接触，导轨的水平部分足够长并始终在磁场区域中，那么JK的最后速度是多大？

图1

分析求解金属杆JK滑到轨道水平部分时的速度不难由机械能守恒定律求得为v＝，当金属杆JK继续滑动将引起闭合回路面积、磁通量、感生电流以及金属杆JK、PQ所受的安培力的一系列相互关联的变化．按上述物理过程用数学方法求出金属杆JK的最后速度v''''十分繁琐．但是，若能透过电磁现象抓住问题实质就会发现，金属杆JK、PQ所组成的系统在水平轨道上运动的过程中，所受的外力的矢量和时时刻刻为零，因此系统的动量守恒，而且二者最后具有相同的速度v．这就是对具体问题进行了抽象思维，提取出了问题的本质和规律．因此，由动量守恒定律，得

Mv＝（M＋m）v''''，

v''''＝［M／（M＋m）］v＝［M／（M＋m）］．

可见，把具体的物理问题进行抽象思维，抓住事物的本质，能使运算变得简捷明快，而转化的关键是进行模型抽象的物理思维．

三、隔离思维与整体思维

隔离思维是解题中的一种普遍有效的思维方法，使用它不仅能求出与部分有关的物理量，而且可以求出与整体有关的物理量；而整体思维方法即本着整体观念对系统进行整体上的分析．处理好隔离思维与整体思维的关系，可以找出解题的简捷方法．

例3如图2所示的容器中，容器A与容器B相连并通过阀门S隔开，其中容器A内充满6atm的气体，容积为6L，容器B内充满同样的气体，容积为4L，压强为8atm．求阀门S开通后气体的压强（设温度不变）．

图2

分析求解由于pB＞pA阀门S开通后有一部分气体将从容器B进入容器A，由于玻意耳定律只适用于质量一定、温度不变的气体，而A、B两容器中气体的质量均有变化，故对容器A、对容器B都不能直接应用玻意耳定律求解．若将容器A、容器B两部分气体看作一个整体，整体气体质量、温度均不变．则对整体由玻意耳定律，有

pAVA＋pAVB＝p（VA＋VB），

解得p＝（pAVA＋pAVB）／（VA＋VB）＝6．8atm．

例4如图3（a）所示，底座A上装有一根直立长杆，共总质量为M，杆上套有一质量为m的圆环B，它与杆间有摩擦．当圆环以初速度v0沿杆向上运动时，圆环的加速度大小为a，底座A不动，求底座在圆环上升和下落过程中，水平面对底座的支持力分别是多大？

图3

分析因圆环上升和下降过程中底座不动，且上升和下落过程中圆环对底座的作用不同，所以在计算此题时，不能将圆环和底座视为整体，应用隔离法．

略解圆环上升时，对其作受力分析，如图3（b）所示．

对圆环：f＋mg＝ma，①

对底座：f''''＋N1－Mg＝0，②

f＝f''''．③

联立①、②、③式，可求得水平面对底座的支持力为

N1＝Mg－m（a－g）．

圆环下落时，对圆环和底座两个物体进行受力分析，如图3（c）所示．

对底座：Mg＋f''''－N2＝0，

对圆环：mg－f＝ma''''，

f＝f''''，

联立以上三式，求得圆环下落时水平面对底座的支持力为

N2＝Mg＋m（g－a''''）．

四、发散思维和收敛思维

所谓发散思维就是多角度、全方位的思考问题．而收敛思维是将大量的、甚至零乱的事实集中于一点的思维方式．

发散思维必须对某问题的共性有全面的掌握，联系得越多，发散得越广，产生对问题的求解方法就越多，从而可做到一题多解，并从多种解法中选择出一种简单明快的方法；收敛思维须对问题的个性有明确的认识，分辨得越清，收敛得越准，这种思维方式可做到多题一解．

例5某一物体被竖直上抛，空气阻力不计．当它经过抛出点上方0．4m处时，速度为3m／s．当它经过抛出点下方0．4m处时，速度应为多少？（g＝10m／s2）

分析求解此题可从多个方面入手求解．

解法一设到达抛出点上方0．4m处时还能上升高度为h，则

h＝v02／2g＝32／（2×10）＝0．45（m）．

物体从最高点自由下落高度为H＝（0．45＋0．4＋0．4）m时的速度为

vt＝2gH＝2×10×1．25＝5（m／s）．

解法二设位移为h1＝0．4m时速度为v1，位移为h2＝－0．4m时速度为v2，则

v12＝v02－2gh1，

v22＝v02－2gh2，

即32＝v02－2×10×0．4，

v22＝v02－2×10×（－0．4），

解得v2＝5m／s．

解法三根据竖直上抛物体的上抛速度与回落速度等值反向的特点可知：物体回落到抛出点上方0．4m时，速度为3m／s，方向竖直向下．以此点为起点，物体做竖直下抛运动，从此点开始到原抛出点下方0．4m处的位移为h＝（0．4＋0．4）m，那么，所求速度为这段时间的末速度，即

vt＝＝5m／s，

再看如下两题：

例6质量为m的子弹以水平速度v0射入放于光滑水平桌面上的质量为m的木块中未射出，若要求子弹99％的动能转化为内能，应满足什么条件？

例7如图4所示，金属杆A从h高处沿光滑的弧形平行导轨下滑，进入光滑导轨水平部分后，有竖直向上的匀强磁场B，水平导轨上原来静止放置着另一个金属棒C．设A、C两棒不会相撞，水平导轨足够长，若使A棒有90%的机械能转化为电能，应满足什么条件？

图4

上面两题中的前者属于力学中完全非弹性碰撞之类，后者属于电磁感应之类．我们仔细分析不难发现，两者均可以收敛于“完全非弹性碰撞”，即通过动量守恒定律和能量守恒定律求解（解略）．

五、等效思维

等效思维是指以效果相同出发，对所研究的对象提出一些方案或设想进行研究的一种方法．等效条件、等效变换、等效假设等均属此列．这种方法具有启迪思维、扩大视野、触类旁通的作用．如力学中的合力是分力的等效代替，运动学中的合运动是分运动的等效代替，以及电路的等效，质量的等效等等．

例8如图5所示，真空中一带电粒子，质量为m、带电量为q，以初速度v0从A点竖直向上射入水平向左的匀强电场中，此带电粒子在电场中运动到B点时，速度大小为2v0，方向水平向左，求该电场的场强和A、B间的电势差？

分析带电粒了受力如图6所示，经分析带电粒子做类斜抛运动（斜抛运动已超纲），学生很难解答，如果能把这个复杂的运动等效成竖直向上的匀减速运动和水平向左的匀加速运动，学生便容易解答．

图5

图6

略解带电粒子A到B点时速度水平向左．粒子在竖直方向上做匀减速运动，速度从v0减为零，在相同的时间内，粒子在水平方向做初速为零的匀加速运动，速度从零增为2v0，可得水平加速度a＝2g．

（1）Eq／m＝2g，E＝2mg／q．

（2）Uq＝（1／2）m（2v0）2＝2mv02，U＝2mv02／q．

六、图象思维

所谓图象思维是指利用图象的物理意义来分析问题的思维方法．如运动学中的追及问题、振动和波的问题、热学中气体状态连续变化的问题，均可利用图象进作分析，既直观又方便．

例9如图7所示，粗细均匀、两端封闭的U形玻璃管中A、B两部分气体被水银柱分开．若A、B气体开始温度相同，最后升高相同的温度时，水银柱将向哪个方向运动？

图7

图8

分析由题意可知，初始状态，B中气体压强高于A中气体压强，当升高相同的温度时，A、B气体的三个参量都发生变化，因此我们可假设A、B气体体积不变，把它们的“等容”变化情况反映到p－T图象中，比较ΔpA和ΔpB的大小．在p－T图象中设A的“等容”线与T轴的夹角为α；B的“等容”线与T轴夹角为β．如图8，显然tgβ＞tgα，而ΔpA＝ΔTtgα，ΔpB＝ΔTtgβ，则ΔpA＜ΔpB，故水银柱向A运动．

七、临界思维

临界思维是指利用物体处于临界状态时的条件来解决物理问题的一种思维方式．

例10如图9（a）所示，斜面倾角θ＝60°，物体的质量为m，若整个装置以加速度a＝g向右做匀加速直线运动时，则细绳对物体的拉力是多大？

分析求解此题若不加分析，按常规方法用牛顿第二定律求解，将必会出错．正确方法是用临界思维方法求解．设物体将离而未离斜面时的临界加速度为a．（此时N＝0）

图9

由图9（b）列牛顿第二定律方程为：

Tcosθ＝ma0，①

Tsinθ＝mg．②

由①／②得a0＝gctgθ＝（／3）g．

因为a＝g＞a0，所以物体已飞离斜面．

如图9（c），设物体的连线与竖直方向的夹角为β，则

Tsinβ＝ma，③

Tcosβ＝mg．④

由③／④得tgβ＝a／g＝1，β＝45°，

带电粒子范文篇8

运用现代教育技术进行教学，可以将视、听、说、练紧密结合，可以激发学生学习兴趣，突破难点，化难为易，化繁为简，可以优化教学过程，提高课堂教学效率。

农村中学一般没有或仅有一间多媒体教室，教师无法节节课都使用现代教育技术教学。但我们可以充分利用现有的电视，再配备数码相机进行简单的现代技术教育教学，同样可以收到较为理想的教学效果。

教师可以有选择地从网上下载相关的物理教学资料，再结合学生的实际情况，制成幻灯片或者简短的课件，利用数码相机和电视展示(我使用的数码相机是三星SAMSUNGS600数码相机，价格1600元左右)，虽然与满堂的多媒体教学有很大的差距，但实际教学效果很好。

一、演示模拟实验

物理教学离不开演示或分组实验，但有些实验学生只能看出一些表面现象，实验的本质和物理意义学生难以看透，如果在演示实验之后再用慢动作或电脑动画将实验过程放映给学生看，对促进理解有很大帮助。例如，学习机械振动时，大多数学生很难理解振动图像，教师虽做了演示实验，学生对图像的物理意义仍然难以理解，因为图像太抽象。为此，我在电脑上制作了动画，用数码相机拍摄下小球振动和木板匀速移动的整个过程，再连接到电视机中放映，这样学生可以从感观上理解图像的意义，学习起来更容易了。学习平抛运动、带电粒子在电场中的偏转时，我也是先制作动画，然后连接到电视上放映，教学上都能收到事半功倍的效果。

二、投影演示实验，增加观察效果

有些演示实验教师在讲台上做，真正看得清的是前排几个学生，后边的学生根本看不清楚。为此，我在演示实验时，让相机处于静态摄影状态，直接拍摄实验过程，相机与电视相连，学生可从电视上清楚地观看实验过程。例如，演示摩擦因数与接触面粗糙程度有关、与接触面材料有关实验时，我用数码相机拍摄“弹簧秤拉着滑块在不同材料的物体表面上滑动的过程”，然后将其在电视中播放，这样学生就都能从电视上清晰地看清读数变化。又如，演示“洛伦兹力使带电粒子作圆周运动”这一实验时，仪器只能平放在讲台上，学生无法看清粒子的运动，教师只能让学生轮流上讲台观看，如果用相机将粒子的运动拍摄后传输到电视上播放，观察效果更好，而且可节省大量时间。演示油膜法估测分子的直径，学生看不见油膜，更看不到油膜因为酒精的挥发面积变小的现象，我用数码相机拍摄后，学生也能从电视上看清实验全过程，效果相当好。

三、创设情境，培养学生学习兴趣

带电粒子范文篇9

[关键词]几何画板;辅助教学;实例探究

几何画板在构建物理模型时有其简洁、直观的特点。我选取了以下物理模型做了研究。

一、火星的逆行

人教版必修二第六章第一节介绍了行星的运动，其课后阅读材料中介绍了火星的逆行。火星在天空中划过的轨迹和太阳月亮不一样，不是总是自东向西的，有一段时间是向东运动的，称之为火星的逆行。（如下左图所示，每天晚上火星在天空中的位置都会变化。）学生对这个问题很感兴趣，火星的逆行用日心说和地心说都能解释。利用日心说解释时，以太阳（Sun）为中心，用几何画板画两个圆（实际为椭圆，这里近似为圆），使圆上两个点运动。火星转得慢，地球转得快。所以某些时候，地球和火星在靠近，某些时候又在远离。如上右图所示。利用地心说来解释火星逆行比较困难，但是利用几何画板在课堂上就可以轻易重复几千年以前托勒密所做的工作。见下图，其中托勒密假设了本轮、均轮，解释了为什么从地球的角度看火星运动会有逆行。通过几何画板，以地球（Earth）为中心，先画出本轮，然后在本轮上选一个点，画出均轮，均轮上再选一个点，即火星（Mars）。通过动画功能，让均轮圆心和火星运动起来，就很轻松地模拟了火星的逆行。如下左图，图中轨迹即火星轨迹。可以看到，很好地解决了火星逆行的图线问题。其问题实质是参考系的变换。选择地球为参考系，太阳绕地球转，火星又绕太阳转，而火星相对太阳转得比地球更慢些。而同样的工作，通过数学公式去计算，则相当的抽象。利用几何画板就可以突出问题的重点，即物理问题本身，不需要解决复杂的数学难题，直接就能讲清物理问题。该问题的拓展，如果本轮和均轮速度相同，则看不到火星的逆行，通过几何画板，调节两者速度相同，即可看到这一点，如上右图。

二、小船过河

小船过河问题也可以通过几何画板来实现，在解决这一问题时，所用知识点是速度的合成。引入几何画板，图中AO的长度代表船的静水速度，AC的长度代表水速，两者合成，AB的长度代表船在水中的实际速度方向。如图所示。由图中可知，船速比水速小（即AO比AC短），此时小船过河的最短位移是如何的？常规作图是不断调整AO的方向，求合速度。利用几何画板，只需要沿着虚线圆移动O点（O点只在虚线圆上运动，代表船的静水速度大小不变，只改变了船的速度方向），可以发现小船位移AL在变化。可以利用几何画板的测量功能，直接测量小船位移AL的长度，以及测量角ABC的角度。同学们通过观察，发现当角ABC为90°时，AL最小。为什么呢？利用辅助圆C，可以解释这个问题。AB为小船实际速度方向，要小船位移AL最短，就是要让AB尽量靠近水平虚线（就是垂直河岸的线）。由于B点只能在辅助圆C上，只有当AB与圆C相切时距离小船位移最短。通过这个例子，降低了数学要求，重点突出了“速度的合成”这一物理情境。这样的教学设计，设置了更小的台阶，有利于学生的学习。另外如图所示，后续的计算也可以通过几何画板处理。当然学生也要自己画图，这样才能更好掌握。

三、带电粒子在磁场中的运动

如图所示。空间中有垂直纸面的匀强磁场，粒子从B点以速度V射出，方向任意。若在B点前方H远处放一个挡板J，板长为L，试讨论粒子能否打上极板的条件，以及若能打上，其区域有多大？这个问题的情况较为多也较为复杂，若学生能抓住粒子的轨道半径R与H之间的关系，分析其几何结构，那问题就迎刃而解。但是实际教学中，时间紧、任务重，让第一次接触这一问题的学生自己用尺规作图解，较为困难。如果能够利用几何作图，让学生自主研究其中的情况，这样既锻炼了学生的动手能力，又促使他们思考了这个问题的物理情境，物理情境的构建能力也得到提高。由图中可知，圆A轨迹为粒子轨迹，C点为粒子轨道圆心，所在的虚线构成的虚线圆为圆心C的在空间中所有可能存在的位置，移动C点，即可发现临界条件，而这不需要几何知识，就像玩游戏一样，实线圆A与线段J相交和不相交的情况可以轻松获得。而一旦学生找到了这几个条件，其物理知识就已经掌握了，余下的就是去强化数学上的几何学知识。如下左图，不打上极板的临界条件一，粒子绕一周未遇到极板J，下右图，右侧极限条件，当粒子在板右侧与板相切。若学生对于左侧也得出如下左图，则应提问这真的是临界吗？如下中图，粒子还可以打在J板更左的位置。让学生认识到左右侧边界的不同。最后总结得出结论。应注意的是重视物理情境，强化几何特征的教学，不是放弃数学的教学，而恰恰是为了将学生的思维聚焦到物理上来。先突破物理问题，然后解决数学问题，分解了教学难度。同时利用几何画板让学生自己动手操作，丰富了学生的认识，激活了学生学习的动力。

四、几何画板在日常物理教学中的一些感悟

带电粒子范文篇10

关键词：物理实验；仿真实验；高中物理；核心素养

物理实验在物理教学过程中起着重要作用，通过物理实验帮助学生建构物理模型。由于传统实验受空间和时间因素的制约，仿真实验的优势正好可以弥补这些缺点。通过这样一种全新的方式，将课上枯燥乏味的物理现象通过仿真展现出来可以激发学生学习的积极性，提升高中物理教学的质量和效率。

1传统物理实验在高中课堂的现状

1.1物理实验的难度较大

物理学是以实验为基础的一门科学，《普通高中物理课程标准》明确了物理实验在高中课堂教学中的地位的重要性。新课程标准将科学探究和物理实验能力放在首要的位置[1]。由于初中物理实验现象简单、直观、清晰，学生易于理解。初中物理阶段只是培养学生学习物理兴趣，初中生对物理实验的认知是感性认识，分析问题也是简单的定性分析。但是高中阶段的物理实验往往比较抽象复杂，还有一些定量计算和数据处理，有时出现误差使得实验得到的结果有较大的出入。

1.2物理实验没有受到学校的重视

但是由于现实原因学校要参考学生考试成绩，很多学校并不注重物理实验，更有甚者学校不开设物理实验。这就导致了很多老师通过课堂讲解实验原理，严重阻碍了学生知识生成性的过程，失去了物理学科探究学习的灵魂。处于高中阶段的学生抽象思维不强，必须借助于具体、形象的实验现象帮助学生搭建抽象思维的桥梁[2]。

1.3物理实验在教学上不受重视

在平时教学过程中，很多教师也缺乏对实验的重视，觉得物理实验浪费时间，学生对物理实验有强烈的好奇心，由于学生有活泼好动的特点，不易于管理。学生若不遵守实验规定有可能出现安全事故，物理实验室也是应付检查时才启用。老师并没有意识到物理实验的重要性。因为老师觉得物理实验占用大量课上时间，因此选择课上讲解，做习题辅助理解。对于抽象的物理实验，老师选择播放实验视频以代替学生动手实验，使得物理课堂学习枯燥乏味[3]。有一些老师也让学生做实验，但是只是让学生按要求一步步操作，不给学生做原理讲解。综上所述，在长期应试教育大环境的影响下，学校、教师和学生都选择了只关注考试内容，在升学压力面前选择了妥协，使得物理教学方式偏离了原轨道。

2仿真实验在高中物理教学的优势

21世纪电子信息技术的快速发展给教育教学的发展带来了机遇，教育信息化也成为人们关注的热点之一。2018年颁布的《普通高中课程标准》[4]提出，积极探索信息技术与物理教学的融合，开发与利用多媒体来拓展物理教学与学习的途径。首先，保证绝大部分学生接触实验。在以往的物理实验有时出现器材短缺导致实验无法进行。仿真实验恰好打破这种限制，仿真实验保证了绝大多数学生都能参与整个实验过程。第二，满足学生的学习需求。例如，仿真软件NOBOOK可以对高中物理实验进行仿真，通过手机、平板、电脑实现且仿真界面生动形象。通过实验仿真培养了学生的学习乐趣，使得学生学习有积极性。第三，仿真实验将肉眼看不见的物理现象通过动画表现出来，比实验还要形象具体。例如，磁感线、电场线、等势面、电流等，动画将枯燥的实验变得生动利于学生物理模型建立和抽象思维的形成[5]。仿真实验也避免了危险事故的发生，更具有安全性。第四，不受空间的限制。例如打点计时器测瞬时速度实验，把打点计时器搬到教师进行实验比较麻烦，实验步骤也十分烦琐。实验结束后还要测量纸带等等。通过实验仿真快速搭建物理器材，实验结束后系统自动显示纸带相邻点距离，这既节省了时间也减小了人工测量纸带的误差。根据实验数据还可以绘制v-t图像进行分析。实验内容丰富并且形象，以NOBOOK物理实验的力学部分为例，力与运动提供了运动对象，轻绳、轻杆、弹簧、导轨、电荷等实验器材；各种场如重力场、电场、磁场、万有引力等实验环境。支持任意搭建实验场景，不但能够完成一些常规的实验如自由落体运动、平抛运动、验证机械能守恒、验证动量守恒实验，单摆、牛顿摆到弹簧振子实验，而且能够完成一些实验室不好完成的实验。如带电粒子在电场中的加速与偏转实验，带电粒子在磁场中的圆周运动、粒子加速器、粒子速度选择器模型等，还有地球人造卫星、太阳系的运行等，既涵盖了传统实验内容，又可以做传统实验不能实现的内容。

3仿真实验在高中物理课堂应用

3.1斜面物体的受力分析

仿真实验可以辅助高中物理实验教学，学生利用仿真实验使学习效率提高。如图1所示，对小球进行受力分析，应用物理仿真软件NOBOOK进行仿真。在物理学习过程中对于刚刚接触受力分析的高一学生来说，解题困难点比较多。初中阶段的受力分析只接触过受力方向只在一条直线上的二力平衡的问题。从初中跨越到高中对于矢量概念理解不到位，仅依靠自己的经验和感性认识进行受力分析，对于物体受到几个力才能保持平衡状态的判断比较模糊。在此阶段正是建立物理模型的关键时机，因此仿真实验利于学生对物理模型的建立和抽象思维的形成。根据仿真软件NOBOOK可以清晰地看出弹力方向以及大小，通过改变挡板的角度可以看到挡板对小球弹力的方向发生了变化，大小也发生了变化。由此形象地看出弹力是垂直于接触面的，这样的动画可以形象的模拟真实的受力。因传统实验是看不出弹力、重力方向和大小，所以这种仿真易于学生理解接受。

3.2自由落体运动的仿真应用

以匀加速直线运动为例，进入高中阶段的物理学习，先学习了机械运动的概念。初中只学习了匀速直线运动，进入高中后很多学生不理解匀加速直线运动过程。例如，一个物体以初速度v=10m/s，加速度为a=5m/s2匀加速运动，等到速度为0m/s时，反向匀加速直线运动，问什么时刻速度为0m/s，5s末位移是多少？对于这种学生对运动过程十分清晰的问题，可以直接套用公式求解出答案。但是对刚进入高中学习的学生还是沿用初中物理解决问题的方式，学生不理解过程直接套用物理公式的方法，用初中学习物理的方法去学习高中物理是行不通的。但是，根据高中物理实验仿真工具可以模拟整个过程，而且还可以绘制出此过程的v－t图像，根据图像可以观察图像面积，斜率等信息描述运动过程中的位移和加速的信息。下面结合着虚拟物理仿真软件对物体的自由落体进行分析。若取重力加速度g＝9.8m/s2，首先进行新课导入，亚里士多德观点认为物体越重的物体下降越快，例如石头和棉花在相同高度同时释放，实验结果是石头先落地。此时老师可以用演示实验给学生展示纸和粉笔看看哪个先落地，然后老师提出假设认为因为粉笔比纸重因此先落地。通过测量粉笔的质量为5g纸张和质量为3g，将纸和粉笔固定在一起后对比5g的粉笔。经过试验发现5g粉笔先落地了这一点和亚里士多德的想法正好是矛盾的，伽利略推翻了亚里士多德观点。他认为两物体在做自由落体的时候应该是同时落地的，此时同学们产生了疑惑。因为现实条件找不出实例，老师可以用两张A4纸，一张纸捏成纸团另一张纸对折。两物体在相同高度静止释放，发现纸团先落地。细心的同学发现对折的纸“飘来飘去”由此有的同学可以想到是空气阻力的影响作用。然后正好也是伽利略的观点，实验如果要验证必须需要一个真空环境，这时候可以用NOBOOK仿真实验加以验证。在仿真实验中加入空气阻力的影响，选择相同体积不同质量的物体。先进行第一组实验m=0.6kg记录落地时间t1，接下来进行第二组实验m=0.06kg记录物理落地时间t2发现质量大的先落地正好与得到的结论相同。在进行忽略空气阻力的实验发现两物理落地时间t1=t2，由此验证自由落体落地时间与质量大小无关。物体做自由落体时，通过位移传感器，传感器接收端固定不动，发射端做自由落体运动，由此记录时间和位移。实验仿真有DIS（数字系统），通过DIS可以绘制出物体运动的v-t图像、x-t图像、a-t图像。当位移传感器以速度大小v0弹射，v0大于0m/s根据DIS显示其运动信息，此时物体初速度、末速度、加速度、位移都有准确的量化。学生也可以根据表格自己计算结果，当然实验也会存在误差，例如有时候做仿真实验其加速度大小为10.12m/s2的情况。这是由于实验中传感器未调零原因导致，这就要求学生要养成认真严谨的科学态度。当物体落地后物体会反弹一定的高度，根据图像也可以理解，如图2所示。物体落地触底反弹是一个竖直上抛的过程，由此可以拓展到竖直上抛运动。竖直上抛的位移大小与下落大小相等，根据图2可知s2=s3、s4=s5。并且图像也是对称的，其斜率的物理意义是加速度g=9.8m/s2是恒定不变的。在仿真实验中有运动过程，也有运动图像的数据分析，这些对于学生的学习理解具有促进作用。

3.3带点粒子在磁场中的应用

带电粒子在磁场中的应用中粒子运动过程较为复杂，很多学校对于演示实验洛伦兹力演示仪没有展示实验过程。磁场这一节运动形式较为抽象，以质谱仪为例粒子先进入匀强电场对粒子进行加速，加速完成后垂直射入匀强磁场，带电粒子在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动进行偏转。通过测量粒子打在照相底片不同的地方，会形成若干谱线状细线。粒子做圆周运动的半径R，就可以求出粒子的比荷q/m，如果再已知带电粒子的电荷量q，就可计算出粒子的质量m，从而区分同位素。此时可以根据仿真实验测量出粒子的质量。在实验中通过对比三个质量不同的粒子可以看出粒子运动的快慢，运动慢的加速度小质量大。粒子在电场运动过程中可以看到粒子运动的速度逐渐变大，进入磁场速度不发生变化。速度大小都是实时显示的，根据运动过程可以清晰看出质量小的运动快的先打在距离入射点近一点的地方，质量大的速度小的距离远一些。在运动过程中可以看粒子速度方向和向心力方向是红色运行轨迹的一点上有两条垂直的白线，一条是运行方向一条是向心力方向。

4总结

将物理仿真实验应用于高中物理课堂教学有利于提升学生探索物理的兴趣，极大地调动学生探索物理知识的积极性。仿真实验操作过程省时、高效，仿真实验是对物理实验的补充，它弥补了传统物理实验的短板，且不受环境以及实验仪器影响，在一些抽象实验或者实验效果并不明显的实验中具有一定的优势。但是仿真实验仅仅是物理实验的补充，仿真实验不能取代物理实验。物理实验在进行过程中因人为原因和外部因素影响具有较大误差，仿真实验是理想状态下的实验。作为物理实验的补充，仿真实验具体形象的特点对于老师提升物理教学水平、教学效率、提升学生核心素养具有重要的作用。高中物理教师应深入研究仿真实验，拥抱21世纪电子信息技术的机遇，发挥仿真实验的优势，促进物理教学能力的提升[5]。

参考文献：

〔1〕辛明洁.高中物理演示实验现状调查和改进措施[D].河南师范大学,2017.

〔2〕周朝敏.新课程理念下高中物理抽象思维能力培养研究[D].东北师范大学,2010.

〔3〕刘勇博.高中物理实验教学的现状及对策[J].学周刊,2021，15(02):35-36.

〔4〕中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社,2018.