物理结构

物理结构（共12篇）

物理结构 篇1

摘要：学生物理解题的思维结构由聚汇思维与发散思维、直觉思维与逻辑思维交替进行。物理解题的一般行为过程归纳为一个反复进行的过程:理解问题→寻找策略, 尝试→再前进若干步→遇到新的问题→重新理解问题→寻找新策略, 尝试→再前进若干步→又遇到问题……直到最后成功。物理解题的共同特征是问题理解、表征, 寻找策略 (尝试错误, 策略建立) 和策略变换。

关键词：物理解题,思维结构,解题教学

分析学生解题过程中各个环节的思维类型与思维要素，形成解题的合理思维结构是物理教学的重要任务。我们把学生的解题过程分为“审题、探索、表述、回顾”四个环节，为培养学生思维的创造性和深刻性，最重要的是探索、回顾两个环节。

审题聚汇问题的各个信息，理解问题内部各个表征，明确思维目标，接着就是从不同类型、不同层次、不同角度等方面探索、构思各种不同的处理方案，即寻找策略，然后对这些模糊的粗略的念头进行检验与评价，即策略变换、策略建立的过程。面临着的大量假设和猜测，一般学生是不能逐一作出检验的。因此选择主要是依靠直觉思维来进行的。探索阶段可分为检索联想与评价决策两个层次。

例如：一条粗细均匀的铜导线弯成如图一所示形状，它的质量为m，上面水平一段长为L，处在匀强磁场中，磁感应强度为B, B与导线垂直，导线下面两端分别插在两个浅水银槽里，两槽水银面与一带开关的外电源电动势为E联接。当S接通的瞬间，导线便从水银槽里跳起来。设跳起的高度为h，求通过铜导线横截面的电荷量是多少?

学生在探索过程中的思维活动大致如图二所示。

一些教师立足于用“磁场力F=BLI”为论据进行启发，把“检索联想”完全抹杀殆尽，而“评价决策”也就不存在了，这种只研究教材不研究学生物理思维活动的作法，在物理教学中是十分普遍的。难怪学生上课听得懂，课后却无法完成作业了。表面看起来把探索阶段的各种联想反映到课堂上来，不回避探索中的失败，似乎不大得体，主要是与教师常用的、得心应手的、训练有素的逻辑思维的讲法不同。当前，有见地的物理教师提出实行以“推迟判断”为特征的解题思维结构教学，把暴露物理思维过程当作物理探究教学的重要原则，给学生以自由表现的时间和空间，是值得提倡的。

审题是从直觉思维开始的。直觉思维是学生基于有限的数据资料和事实，调动一切已有的知识经验，对客观事物的本质及其规律联系作出迅速的识别、敏锐的洞察、直接的理解和整体判断的思维过程。直觉思维总是从整体上把握联想的方向。联想是学生由一种心理过程引入另一种与此相联系的心理过程，是学得的抽象化的知识得以具体化的必要环节。巴甫洛夫指出：“任何一个新问题的解决，都要利用主体经验中已有的同类课题。”因此学生需要在审题的基础上通过联想，使头脑中学得的知识复活起来，把它纳入相应知识系统，从而产生对问题性质的理解，进一步找到解决课题的途径和方法。学生在审题之后，教师可以启发学生根据条件和目标，进行顺向、逆向、横向、纵向等多向的、发散的联想，回忆与问题有关的知识技能，培养学生联想、转换、组合的能力。

心理学意义上的“问题”，并非那种一目了然、唾手可得的简单问题，而是指条件不充分、求解方向比较模糊、客体的本质隐藏较深的这样一类需要学生在头脑中不断翻转客体的复杂问题。显然，对许多复杂问题的创造性解法不是立即想出来的。学生在解答问题中往往尝试了各种可能性，这种尝试引导学生从失败走向成功。学生的各种尝试在原则上是不同的，是为一个自觉目的所指引，常常以一个明确的假设为先导，是自觉地加以组织，组成一个明确的探究系统，并经常以一种心理实验的形式出现的。只有在极低的水平上，这些尝试活动才是一个盲目的猜测。实际情况常常是这样的，思维发散并不限于问题解决的开始的某个阶段，在问题解决的中间过程，也有思维发散。因此，一个物理问题的解决，常常需要在各个层次中有思维发散。对于复杂的多层次的物理问题的解决尤其如此。为什么对许多复杂的问题学生不能立即获得创造性的解决?一个关键原因是题目条件不充分，即题目现有的信息量还不足以显示题目隐含的物理关系。因此，面对复杂问题的求解，一项重要的任务是要从现有信息中产生新信息，增加题目条件的信息量。解题中的各种尝试提供了这种机会。从每次尝试中，都可以得出有用的辅助信息 (如每个条件在题目中的整个物理过程中的作用是什么?各个条件在所对应物理过程的相互关系是什么?导致解题失败的原因是什么?等等) ，借助于它们去彻底弄清题目中隐蔽的物理关系这个深层信息，经过过滤、分析与综合，为创造性解决问题确定方向，实现条件与目的的沟通。

回顾阶段是解决问题之后的思考，通常是总结解题规律，检查解题中出现的知识缺陷，实际上，回顾与探索息息相关，是探索过程的继续和深化，它可以从逆向、纵向、横向的联系去进行发散思维，从条件与结论的变更、推广或延伸进行联想，把性质类似的习题化归为同一类型，或注意某些习题的实用性，用来解决一批习题。这是从同一来源中产生各种输出，从而又获得新的信息，形成系统的知识系列。如上例，思维的目标是求通过导体横截面的电荷量的表达式。从题目中所述的物理过程来看，可以从电流的定义式出发，从冲量和动量的关系出发，也可以从能的转化和守恒的观点出发，也可以从牛顿运动定律出发，等等，这些都可作为启发学生进行发散思维的出发点。

解法一：导线的质量应该很小，导线本身重量可略去不计。通电瞬间可认为导线仅受到一个磁场力F=BLI的作用。设通电时间为Δt，在这段时间内，导线所受的冲量FΔt=BILΔt，根据动量定理，冲量等于动量的变化，即BILΔt=mvt。

由机械能守恒定律或抛体运动规律知：

解题以后一想，题目中铜导线获得的能量是由电能转化来的，并且又被全部转化为重力势能。根据能量转化与守恒定律也可求得通过导线的电量。

解法二：设导线受磁场作用力这段时间为Δt，位移为Δs。那么。对初速度为零的匀加速运动来说，平均速度。

解法四：根据牛顿第二运动定律，

从以上各种解法中可以看到，物理中的某些常用方法和结论，若能突破限制，从以发现的研究对象或方法之间的联系或对比，把现有的范围延伸到相邻的有关内容，也就具有标新立异的作用。对学生来说，思维不落俗套、善于独辟蹊径就是创造性。上面几种证法来自学生，经过整理深化也能成为探索物理问题的重要方法。

总结上例结果，可将中学生物理解题的一般行为过程归纳为一个反复进行的过程：理解问题→寻找策略，尝试→再前进若干步→遇到新的问题→重新理解问题→寻找新策略，尝试→再前进若干步→又遇到问题……直到最后成功。从中可以进一步归纳出中学生解题的若干共同特征，即问题理解、表征，寻找策略(尝试错误，策略建立)和策略变换，见图三。

根据对上例的分析，解题中问题解决有三个要素：问题理解、策略建立和策略变换，其中，策略变换在问题解决中具有重要意义，即好的问题解决者，善于变换策略。

解题的各个环节，审题是从直觉思维开始的，然后由聚汇思维明确目标，通过发散思维去探索，再由直觉思维做出选择，用判断推理表述出来，最后通过发散思维进行回顾。这种由聚汇思维与发散思维、直觉思维与逻辑思维交替进行的过程，形成解题的思维结构。要培养学生思维的创造性，就必须在直觉思维与发散思维上下功夫。

教师的启发，应该和学生解决问题的思考序列同步，如果学生跨越了思考序列的层次，就应该安排“反思”程序，达到暴露被掩盖了的思维环节的效果。根据解题的不同环节，形成解题的思维结构，有助于训练思维的敏捷性，锤炼思维的深刻性，发展思维的批判性，启迪思维的创造性。

物理结构 篇2

通州市刘桥中学王红燕

摘要：对于新一轮课程改革中的物理教师知识结构问题，本文提出了教师应具有广博的本体知识、丰富的实践性知识、先进的条件性知识的观点，并对未来的教师知识结构作出了展望。关键词：本体知识实践性知识条件性知识

当今世界各国的课程改革都将课程功能的转变作为首要目标，作为课程改革的具体实施者的教师必须主动适应新目标和新要求。那新时期教师该具有何种知识结构呢？

一.广博的本体知识

德国思想家歌德指出：“一切才能都要靠知识来营养，这样才会施展才能的力量。”[1] 教师要施展出自己的全部才能，得首先要有丰富的知识。实践告诉我们，当一个人具有更加全面、更加丰富的知识时，他的思维就会更加活跃，对客观事物的分析就会更加精确，并作出正确的判断。

1、精深的专业知识

对于任何职业来说，都有一个扎实的专业基础知识的要求，因为没有这一起码条件，就不可能胜任本职工作，更不可能有所发明创造。教师的主要职责是教学，是通过系统的知识技能的传授达到培养一代新人的目的，因此教师在专业知识方面的要求应更高、更完整、更系统、更扎实。

教师的专业知识首先应做到一个“实”字。教师应该全面系统地钻研掌握本专业知识，做到踏踏实实、扎扎实实。浮光掠影，一知半解，不仅无益于专业基础知识的巩固、拓宽、提高，就连最起码的课堂教学也胜任不了。

教师对于专业知识其次要做到一个“深”字。教师在专业知识方面应该比学生高出几筹，深入几分。对教材以及与教材相关的知识，不仅要广泛涉猎，而且应深入研究；不仅要“深进去”知其然，而且也能“跳”得出来知其所以然。只有“高”出学生，才能带领学生在知识的海洋中遨游，起到向导的作用；只有“深” 1

于学生，才能把握科学知识的内在体系和必然规律，教给学生掌握各种知识技能的方法。“我们不需要死读硬记，但是我们需要用基本事实的知识来发展和增进每个学习者的思考力。”[2]

教师对知识结构还需要做到一个“活”字。只有那些真正理解、消化的知识才能转成为教师自己的知识，转化为智能，为教学服务。其次，要使专业知识“活”起来，还必须向学生学习、向社会学习，让自己的知识成为源源不断的“活水”。

2、必备的教育学科知识

教师的教学是一种艺术的创造，有位教育家曾把教育称为“一切艺术中最渊博、最高深的和最必需的艺术”。任何一位教师可以因承担不同科目的教学而彼此有专业分工，但教育学科的知识却是大家必备的，从某种意义上说，是否掌握教育理论和技巧，将决定着教师教学活动的成败。苏联杰出教育家马卡连柯曾深有体会地告诉我们：“我非常尊重教育理论，离开教育理论，我是不能工作的。”

[3]当前，教育理论学科已形成了一个分支繁多的庞大家族，作为一名教师虽然不能全部涉猎，但在当前有效的实施教育，至少应熟悉掌握以下有关教育学科知识。首先，熟练掌握教育学方面的知识，在众多的教育学理论分支学科当中，教师最起码要比较熟练地掌握普通教育学和学科教材教法两门理论。普通教育学（即教育学）是从理论上系统地总结和揭示教育的科学规律和方法的一门科学，作为一名教师，不仅要知道自己“教什么”，而且更要懂得“怎么教”，教育学就是从理论和方法上告诉我们“教什么”的问题。同样，教材教法理论也是从特定的专业教学要求出发，针对不同内容体裁特点的教材，进行最佳教学方案的设计与研究，总结出一系列规律，指导教师教学工作的科学化。

其次，要熟悉掌握心理学方面的知识。心理学是研究人的心理活动规律的科学。教学活动应包括教书和育人两个方面，两者结合起来才能达到发展智力、培养能力的目的。学生的成长，除了靠智力因素之外，还需靠非智力因素，而智力因素和非智力因素都是人的心理素质。了解不同年龄层次学生的心理特点和发展规律，总结学习活动的条件结构、创造心理要素及培养途径等对教学工作有极大的帮助作用。

再次，要熟悉掌握教育管理方面的知识。教师的教学过程不只是单纯的传授知识的过程，而是伴有科学的、严密的组织教学，管理教学过程。要上好一堂课

并非易事，教师必须具有驾驭、调节课堂学习气氛的本领，要通过自己的语言、手势和情感，把握学生的注意力，调动学生的学习情绪，并根据学生的表情反馈，及时调节自己的教学环节，把安排课堂教学的主动权牢牢掌握在手中，这种教学组织和管理是一种艺术，这类知识对于教师必不可少，除了课堂教学中自始至终包含着组织管理因素以外，学生的思想品德教育、少先队、共青团工作、班主任辅导员工作以及课外业余活动等，都离不开现代管理知识的运用。每一个教师都应加强这方面的学习和修养。

3、广博的相关学科的知识

一名合格教师不仅专业基础知识要精深扎实，而且还应具备宽阔的与本专业密切相关的各门学科知识，具有广泛的文化修养和兴趣爱好。知识面要做到“广博”。第一，每一位教师无论从事何种教学，都要把文史地、数理化、音体美等学科知识作为教师知识结构的整体系统来认识，无论执教何种专业，都尽量做到文理渗透、中外渗透、古今渗透，有条件的应能掌握一门或几门外语；第二，要及时汲取当代科技发展的最新知识，了解各新兴学科、边缘学科的基本内容，并有机反映于课堂教学之中，丰富、拓宽教材知识；第三，要把握各学科知识纵横发展的主体网络结构，以便及时调整充实自己的知识结构，增强教学工作的预见性，质言之，凡与课堂教学、专业教学大纲有联系的各门学科知识，广大教师都应读一读、翻一翻，有的甚至应该记一记、摘一摘，使自己的科学文化素质不断更新、提高。

二、丰富的实践性知识

任何一种知识才能都是社会实践的产物，同时它们又反作用于社会实践，影响或推动社会向前发展。中学物理教师的知识来源于实践，传授给学生后又反作用于社会实践。因此，教师应善于从实践中探索，不断提高自己的水平。

1、及时总结经验

对于不同的学生，同样的内容，教师在上课过程中有不同的感受，及时把教学活动中所采取的方式、方法及所获得的成功或失败的经验写下来，有助于提高教师的教学水平。对于物理教师来说，教学过程中还经常会碰到实验，如何使实验演示成功？教师要摸索、探讨重点、难点实验，这样一来有利于提高教师的实

践能力。

2、善于将物理现象转化为物理问题

生活中的现象是丰富多彩的，有很多涉及到物理知识，这些现象虽然不是都能转化为中学课堂上的物理问题，但其中的确有相当多的现象可转化为中学物理问题，如切菜过程中的杠杆原理的运用。通过物理教学活动，使学生也能意识到物理学在生活、生产和现代科技中的重要作用，物理学与生活息息相关。

3、服务于社会

时代需要教师大胆地跨出校门，与科研部门、工矿企业、军队、农场，甚至专业户挂钩，在社会生产实践和生活中搞科研，抓信息，使教师永远处于科学文化的前言，不断地补充智慧的新鲜血液。

三、先进的条件性知识

教师作为知识的传播者，应关心国家大事，关注改革动向，调整教学内容、方法、措施。世纪之交，党中央、国务院召开了改革开放以来第三次全教育工作会议，作出了《关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》，中学教师要尽快转变教育思想，更新教育观念，时时关注：社会发展到底需要什么样的人才，教育如何促进人的发展。

另外，教师应具有科研能力，因为，教师具有科研能力能提高教学水平，使教学、科研均得到提高，还有利于培养创造性的人才，对优化教师知识结构有重要意义。美国未来学家奈斯比特在所著的《大趋势》一书中称“２１世纪的竞争是人才的竞争”。这种有竞争能力的创造性人才只能靠有科研能力的教师加以指导和培养。“师高弟子强”、“名师出高徒”这是千百年的教育史所证实了的颠扑不破的真理。

信息时代的学生可以从多种渠道获取知识和信息，在某些方面，教师知道得不比学生多，如果教师还想在学生面前保持“无所不知”的形象是很难的。本次物理课程改革特别要求“改变过分强调知识传承的倾向强调让学生经历科学探索

［４］的过程，学习科学研究方法，培养学生探索精神、实践能力以及创新意识。”

《全日制义务教育物理课程标准》在教学建议中也提到要“帮助学生尽快步入自主性学习的轨道”。可见，新的物理课程要求中学物理教师是一个创造者、引导

者、解惑者，是学生的合作伙伴，那未来的教师该建立怎样的知识结构呢？

（一）“复合性结构”

在新技术革命深入发展的过程中，信息向科学技术领域全面渗透，促使现代科学出现了既高度分化又高度综合和一体化的发展趋势，各学科相互渗透，广泛“杂交”，互为基础。而不是彼此隔绝，互不联系，这使以往那种以传授一门狭窄的专业知识为主旨的教育显得过时。由此，可以肯定的说，未来教师的知识决不可能是单一性结构，而首先应当是“复合性”结构，也就是说要具有复合性和多向性的特点。这样才能适应现代科学技术发展趋势的需要。

（二）“创造性输出结构”

在素质教育实施的今天，人们越来越看重孩子们的创新能力。对未来教师来说，要使学生既学到知识，有宽广的知识面，又掌握了学习方法，开发了智力，具有创造能力，日后能有所发明创造。单有“复合性知识结构”显然是不够的，还需要“创造性输出的知识结构”。

创造性输出结构，除了要求教师具有门类较为齐全的复合性“硬”知识外，还要求教师具有消化、改造、发展新知识的能力和较为丰富的“软”知识。这里的“硬”知识就是广博的本体知识，包括精深的专业知识、必备的教育学科知识和丰富的相关学科知识，而“软”知识即丰富的实践性知识和先进的条件性知识。

这两个知识结构是紧密相连，相辅相成，缺一不可的，他们共同构成了未来教师较为完整的知识结构，但这个知识结构也不是静止不变的，它随着主客观条件的变化而变化，作为一个能跟上时代前进的教师，应不满足自己原来的知识结构，不断进取，敢于改进甚至打破自己原来的知识结构，重新建立新的知识结构，使之日臻合理、完善，以适应时代，适应未来发展的要求。

参考文献：

［１］李振澜、熊光主编《中外名言大辞典》成都四川辞书出版社1991年版第５９７页

［２］列宁《青年团的任务》载《列宁全集》第四卷人民出版社１９６５年版第３６７页

［３］马卡连柯《马卡连柯论共产主义教育》人民教育出版社１９７９年版第５５页

物理结构 篇3

关键词：高考物理；考查内容；基础仪器

中图分类号：G622 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2016）13-184-02

一、《考试大纲》实验部分要求

高考对物理能力的要求主要包含以下几个方面进行：理解能力、推理能力、分析综合能力、应用数学处理物理问题的能力以及实验能力，近年来高考对学生实验能力提出了更高的要求，实验评价与设计是今后物理实验的热点，它要求学生在掌握基础仪器和基本原理的前提下进行综合运用，此种类型题目大多创造性、综合性较强。

《考试大纲》中要求的19个主要分组实验自2009年开始有所变化。2009开始年考纲要求的实验个数则为16个。

二、高考试题分析

现将2008年-2015年高考全国卷实验试题统计如表1。高考实验试题主要注重对学生实验操作能力以及思维能力的考查，基本仪器的操作、使用、读数几乎是必考内容。

从上述表格可以看出，近几年高考实验题比重基本保持恒定，只是在每一小题的侧重上有所调整，这说明实验在物理高考中始终占据着一定的地位。

1、题型分析。高考实验题型一般分为填空、作图、计算等。填空题考查的范围较广，出题灵活一般涉及到实验原理、仪器选择、实验步骤、仪器读数、正误判断以及数据分析等。在高考实验中填空题是最主要的考查类型，并且在高考试卷中只有实验题会出现填空型试题，它不仅仅考察记忆，有时涉及到计算推导，只要求将最后结果填写，这就使得了学生出错的概率增加。

作图题是物理考试中常见的一种类型题目，通过直观的图像说明物理概念和规律，作图在高考实验中占有较大比例，主要考察电路原理、实物图连接、光路作图及图想法数据处理等等。

计算类型的题目考察由计算确定实验方案，推导待测物理量的表达式。

2、实验能力考查分析。基本仪器的使用是学生进行实验的基础，是学生必须掌握的最基本的实验能力。《考试大纲》中要求学生正确掌握操作的基本仪器包括：刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、电火花计时器或电磁打点计时器、弹簧秤、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱和温度计。高考中对基本仪器考查一般是以填空题形式出现，大多数情况下要求学生正确读数。

（1）关于长度测量工具，刻度尺是初中要求重点掌握，近几年高考中基本没有出现。高中要求重点掌握的测量工具是游标卡尺和螺旋测微器，考查这两者的读数在高考中出现的概率相当高，例如 2012年出现螺旋测微器读数，还有2013年考查了游标卡尺读数。

（2）测量质量的仪器天平，在初中阶段学生阶段对它的运用及读数已经都相当熟练了，因此没有必要在高考中重点考查。

（3）测量时间的仪器是秒表和打点计时器，关于秒表同样在初中已重点考查过，高考不再出现。打点计时器则是高中重点考查的仪器，其考查的主要方式侧重于纸带的处理，并且都是将打点计时器放在力学实验背景下进行命题。但是纵观近几年来的高考实验题，发现并未出现打点计时器，基于它在高考实验中的重要地位，因此在实验复习中同学应特别注意打点计时器的使用以及纸带的数据处理。

（4）电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等电学测量仪器在高考中出现的频率相当高，主要考查电表量程的选择，电表的调节和校准、电表的改装、滑动变阻器的分压和限流等。电学仪器的应用涉及的知识较多，且通常来说难度较大。如2013考查多用电表的应用，其中包括了欧姆调零、表笔接法、读数、求解内阻等多用电表的基本使用内容，2014年23题测量电源电动势和内阻实验中也考查了电流表的读数，2015年23题考查电表的改装。关于滑动变阻器，它在电学实验中的生命力可谓长盛不衰，但即便是不同的实验中，滑动变阻器的考查万变不离其宗，用作限流时一般串联在电路中，用作分流时采用并联。

能够正确掌握各种基本仪器是做好物理实验做基本的能力要求，也是高考对物理实验考查的基础题目，而在此基础上实验能力要求学生能独立的完成知识内容表所列的实验，明确实验目的，理解实验原理和方法，能控制实验条件，会使用仪器，会观察、分析实验现象，会记录、处理实验数据，并得出结论。

参考文献：

[1] 黄黎树，方正华.高考实验试题结构特点分析[J].安徽.物理实验.2007，Vol.27，No.5

新课程下如何优化物理课堂结构 篇4

一、创设情境, 激发求知欲

物理是一门实践性很强的学科, 它来源于生活。课堂导入如果按生活中的现象、事例以及实践进行组织安排, 可使学生们感到物理就在自己的身边, 这必能诱发学生强烈的求知欲和高涨的学习热情, 点燃他们思维的火花, 使教学之舟成功起航。

二、活跃气氛, 亲历探究过程

当前课堂教学改革的模式是“培养学生合作探究的学习方式”。教师应最大限度地拓展学习空间, 构建和谐的课堂气氛, 使学生能够更主动、更充分地去参与探究活动, 让学生在活动中探索求知、发现创新, 实现教学目标。

三、充分交流, 发展能力

教与学的过程实际上是师生交流思维的过程。教师要淡化权威意识, 允许学生毫无拘谨地随时质疑, 并能与学生平等对话, 营造一种民主、和谐的教学氛围。与此同时, 还可以顺势搭建互动舞台, 让更多的学生参与讨论, 使师生、生生之间在相互交流中互通见解, 取长补短, 使学生的团体合作能力、自主探究能力等得到提高。

物理学科核心素养的内涵与结构 篇5

摘 要：本文从培养学生科学素养的重要性出发，分析了当前初中物理教学中培养学生科学素养的现状。并基于教学实践，提出了如何在初中物理教学中培养学生科学素养的一些想法和做法。科学探究能力是学生创新能力的一个最重要的体现，培养学生的创新意识和创造能力是新课程改革的一项重要内容物理学是一门以实验为基础的科学。让学生了解和掌握物理学的研究方法，培养其严谨的实事求是的科学态度，在培养学生的科学素养上有着重要的作用。关键词：物理； 科学素养；内涵与结构

多年来物理教学以传授系统的物理知识为最高目标,事实—概念—规律—应用是物理教学的主旋律,社会的发展对国民科学素养提出了越来越高的要求,新课程改革把全面提高学生科学素养作为总目标.学生拟对物理学科培养学生科学素养的功能、理念、及实现途径等问题作一些探讨。

但是根据笔者十余年的中学物理教学发现，大多数学生通过学习，只是了解了一些物理概念，掌握了几个公式，解决了几道题目而已。严重背离了物理教学的初衷。究其原因，一方面，受应试教育毒害严重；另一方面，教学理念、模式、方法也存在严重的滞后。笔者基于对新课标的认识和在教学实践中的感悟，谈谈如何在初中物理教学中培养学生的科学素养。要提高学生物理学科的核心素养。首先要培养学生实事求是的精神,需要做到以下几个方面: 一:合理组织教学内容，建构良好学习动机和兴趣

开阔学生的视野，激发学习兴趣。鼓励学生改进实验，发展学生发散思维和创新意识，培养学生的科学素养，传统的教学方法对于物理实验大多是 “葫芦画瓢”，而未能充分发挥学生的主观能动性，受其长期影响学生长与求同，缺乏独立思考、难有创造和发现。要真正培养学生创造质疑、勇于探索，即使对那些早已成为定论的事物也要从不同角度和侧面进行重新审视，以不断完善和发展。因此，在教学过程中应注重鼓励学生对实验进行不断改进 激发学生的兴趣，使他们变苦学，厌学，死学，难学不会学为乐学，好学，活学，易学，会学，逐步培养其主动，探求知识。在教学中，我采用了情景教学法，对巩固知识，开发学生智力，培养学生的学习兴趣，起到了不可低估的作用。

二：改革物理教学模式，加强科学方法教育

传统的中学物理通常以概念教学为课堂核心，从而忽略了通过教学培养学生观察与实验、分析与综合、比较与分类、归纳与演绎、理想化等科学研究方法的教育功能。要把物理课中丰富多彩的思想方法渗透于教学之中，必须要让教法为学法服务，打破单一的概念教学模式。为促进学生对所学物理知识的领悟和掌握，使学生将所学到的科学方法运用于生产实践，可以选择情境教学、探究教学、研究性教学、实验教学和互动式课堂教学等多种教学模式对学生进行必要的科学思维训练。通过学生自己设计实验方案尝试探究性实验，培养学生的科学素养，探究性教学不仅要求学生重视课本知识的学习、巩固和掌握，更重要的是要求学生及时、主动、积极的把所学到的知识转化为解决实际问题的能力，要求学生运用发散思维、联想思维、逆向思维对教师提出的课题根据已有的知识和技能，根据现实条件制定不同的方案、验证方案、得出结论。这样，学生的思维能力、观察能力、分析综合能力、知识的运用能力等得到更大程度的提高。同时，学生通过探索尝到科学探索的乐趣，大大激发学生的求知欲望和学习兴趣。而实验能够更好的发挥学生的主观能动性以及它们独立分析问题和处理问题的能力，也更能激发学生的学习兴趣。那么，如何发挥好实验在教学中的作用呢？我认为，就是改演示实验为学生的设计实验，这样会更好的培养学生的学习兴趣，更重要的是能够培养学生的科学素养。

三：加强实验教学，提高学生的科学素养

让学生参与演示实验，不仅可以激发兴趣，调动学习的积极性和注意力，增加学生对物理规律的理解深度，同时还可以规范学生的实验操作。例如在做“物体的质量与体积关系”演示时，我先分析清楚实验目的及要测的物理量，然后让一名学生上讲台，从天平的调节、铁块的放置、砝码的增减、游砝的移动、读数及用量筒测铁块的体积，都让学生演示，我则在一边给予指导，及时纠正他们的不规范操作。一些带有探索性的重要的演示实验，如平面镜成像，电流和电压、电阻的关系等，我把它们改成探索性学生实验，让每个学生都参与到探索活动中，既加深了对规律的理解，又增强了学生探究、发现规律的意识，培养了学生的创新精神。

四：多方位培养学生的学习兴趣，加强科学品质教育 托尔斯泰说：“成功的教学所需要的不是强制，而是激发学习的兴趣。”有了兴趣，就能全神贯注地积极思维，有了兴趣就能克服困难，探究科学的奥秘，有了兴趣学习就可以不成为负担。因此，在教学中我采用多种有趣味性的教学方法，培养他们的兴可兴趣，使之在轻松愉悦的气氛下学习，掌握知识，提高教学效率。

很多中学学生学习物理时，看着纷杂的教材内容和数量繁多的练习题目，就对这门课产生了很强的畏惧感,这既是学生最渴望得到教师帮助的时刻，也是建立学生学习兴趣和信心的最佳时机，更是培养学生优秀科学品质的契机。（1）多寻找物理学中与学生生活体验联系密切的事例,使他们认识到生活中处处有物理现象，物理与生活息息相关,增加学生对物理学科的亲切感,激发他们学习物理的兴趣。（2）建立物理实验兴趣小组，通过与生活相结合，辅导学生制作简单的小制作和物理模型。让学生在创作的过程中经历磨难，不断探索，逐步建立谦虚谨慎、团结协作、尊重事实、修正错误的科学品质。条件允许的情况下，可把作品在学校范围内进行展示，树立榜样，产生良性效应。

五：巧用多种教学资源，培养学生的创新精神 实验是物理的基础，在中学物理教学中实验教学同样是培养学生创新能力和实践能力的重要途径之一。然而中学学校物理实验设备匮乏、实验条件简陋、实验开出率低等现象普遍存在。教师在教学中可以自己制作或辅导学生制作教具来加强演示实验效果；有效利用多媒体仿真课件、挂图、模型、投影等多种教学资源，使教学形式多样化,创造更多的实验情境。做到“教中有动、动中有教，教动有机结合”，变单纯的听、看、模仿为积极参与、主动思考和认真分析研究，真正使物理教学过程成为使学生不断发现问题、解决问题,不断创新的过程,培养学生敢于接受挑战,不断创新的良好品质。

多媒体课程资源是新一轮国家基础教育课程改革所提出的一个重要的概念,它的开发和利用对于转变课程功能和学习方式具有重要的意义。多媒体课程资源可以超越狭隘的教学内容,通过更加丰富的方式和手段向学生展示教学内容,使原本平淡的课堂变得丰富多彩,让教学“活”起来,让师生之间的信息传递更加和谐,改变学生在教学中的地位,从被动的知识接受转变成为知识的共同建构者,从而激发学生的学习积极性和主动性，有利于缩短教学时间,提高学习效率。六： 关注科学前沿与物理教学的结合

物理学是一门实践科学，是现代科学技术的基础学科，物理教学应当把最新的科学技术知识引入课堂，让学生掌握新知识，避免用陈旧的课本禁锢学生、消磨学生的学习兴趣。通过新知识的引入培养学生的学习兴趣，培养学生的紧迫感和创新思维，以实现物理学的素质教育，提高学生的科学素养。这不仅是课堂教学的需要，也是时代的需要，是现代科学技术和国际科学综合实力竞争的需要。

物理教学和科学前沿相结合需要做到以下几点。第一，教师要从自身做起，要关注和追踪前沿物理知识，提高自身的学术修养，拓宽自己的知识面，增强自身知识储备，把自己也当成新时代的学习者，不断提高自己对新知识的接受能力。第二，教师要结合新知识、采用新方法对自己的知识进行重新组织和梳理，以便能够适应新时代的教学，随着物理科学的不断发展，现代物理学中的某些基本概念与传统物理学相比已经发生了根本变化，所以教师在教学中要注意反思自己日常教学中的做法，避免用太过绝对、太过确定的逻辑阻碍学生疑问精神的产生。第三，教师在教学中要采用开放的教学态度，鼓励学生多创造、多思考、多疑问，同时教学过程也没有必要全部安排在课堂上，可以让教学深入家庭、工厂、生活的每一个细节，因为物理学本身就是实践科学，只有在不断的生活体验中才能培养出物理学思维，才能避免物理知识的“片段化”，使学生不仅了解物理学的过去、体验物理学的今天，更能预知物理学的未来。

七：打破传统，建立科学的评价体系

老师应该是一个评价者而不是一个打分者。新课程改革要求我们必须建立一套科学的评价体系，评价不仅要关注学生的学业成绩，而且要发展学生多方面的潜能，适应未来发展的需要。发挥评价的教育功能，帮助学生认识自我，建立自信，促进学生在原有水平上的提高。在科学探究活动中，教师自身要树立一种科学灵活的评价意识，努力挖掘学生在活动中所迸发出来的科学思想，保护学生的发散思维能力及创新能力，促进学生全面发展。发展性原则，在《基础教育课程改革纲要(试行)》中,对“评价”提出:“改变课程评价过于强调甄别与选拔的功能,发挥评价促进学生发展、教师提高和改进教学实践的功能。导向性原则，教学评价实质上是对教学的调控性手段,起到引导教学方向的作用。

物理结构 篇6

摘要：在输入未知条件下，为了识别非线性参数系统，并消除噪声异常点的影响，引入修正Levenberg-Mar-quardt法和矩形窗法，建立SVD-mLM法，改进了复合反演算法。为了验证改进算法，设计一个五层单跨钢框架模型进行振动台试验，测试获得含有真实噪声的动力响应，采用改进的复合反演算法，研究了结构物理参数时域识别和输入反演问题。振动台试验研究表明结构物理参数识别和输入反演结果是可信的，验证了SVD-mLM法、矩形窗法和改进的复合反演算法在识别结构物理参数和反演输入时的可行性和有效性。

关键词：振动台试验；结构物理参数识别；地震动反演；复合反演算法；非线性参数系统

中图分类号：TU352 文献标识码：A 文章编号：1000-0666（2016）01-0114-06

0 引言

复杂系统的动力特性往往需要通过系统识别确定出来，以便满足某些需求。结构动力学中的系统识别方法，通常是用来求解逆问题，利用已测量的数据识别结构的动力特性。随着计算技术、试验技术和有效数学工具的高速发展，系统识别已成为土木工程领域内的重要研究方向，这是因为系统识别技术能够调查并减小土木结构与其设计模型的差异，对于数值分析中建立完善有限元模型和振动台试验中优化设计试验模型，都有着至关重要的现实意义。在结构健康检测中的损伤识别方面，系统识别也扮演着同样重要的角色，可以通过系统识别方法获得动荷载（如地震、爆炸等）作用后结构的动力特性，了解结构系统的当前状况，并开展相应的处理措施。

对于土木工程的动力学系统，在通常情况下数学模型是已知的，系统识别的过程仅需要获得结构参数，故可称为参数识别。在过去的四十多年里，国内外许多学者开展了大量的参数识别研究，并提出了许多行之有效的研究方法。如：人工神经网络法（Artificial Neural Network Approach，简称ANN）（Huang et al，2003）、小波分析法（Wavelet Analysis Method，简称WAM）（Shi，Chang，2012）、基于傅里叶变换的方法（FourierTransform Based Method，简称FTM）（Rocco et al，2012）、基于有限元迭代最小二乘法（Finite Ele-ment-based Iterative Least-squares Methods，简称ILS）（Wang，Haldar，1994；王祥建等，2008，2015；Wang，Cui，2011）、多模型自适应遗忘与外生变量自回归耦合法（Adaptive Forgettingthrough Multiple Models and auto-regression with Ex-ogenous Variables，简称AFMM-ARX）（Gong et al，2014）、频域分解法（Frequency Domain Decomposi-tion，简称FDD）（Brincker et al，2001）、自然激励技术与特征系统实现算法联合法（Natural Excita-tion Technique and Eigen-system Realization Mlgo-rithm，简称NExT-ERA）（Siringoringo，Fujino，2008）、随机减量技术（Random Decrement Tech-nique，简称RDT）（Ibrahim，1977）、扩展卡尔曼滤波技术（Extended Kalman Filter Technique，简称EKF）（Toki et al，1989；尚久铨，1991）等。

一般来说，利用动力测试数据识别结构参数时，时域法能够避免频域法中时频变换引起的截断误差，从而提高参数识别的精度。用结构物理参数评估结构状态，比模态参数更直观明了。采用单元水平的有限元迭代最小二乘法，能够识别出每个单元（每个构件或者再细分的每段构件）的结构参数，这样即可非常准确的定位损伤。在实际工程动力测试中，因各种制约条件的存在，输入信息往往很难被准确获得（王祥建，201 1）。针对这些原因，王祥建等（2011，2015）基于复合反演方法、引入矩形窗法建立SVD-mLM（sin-gular value decomposition coupled with modified Lev-enberg-Marquardt）方法求解非线性参数方程，数值结果表明改进的复合反演法在噪声存在的条件下，能够较高精度地识别结构参数或损伤。本文将通过对五层结构模型的振动台试验，进一步验证该改进的复合反演法的鲁棒性和有效性。

1 方法

1.1 复合反演法

针对线性参数系统（参数识别方程为线性），基于经典最小二乘法可获得结构参数的估计值

1.2 矩形窗法

在工程结构的动力测试时，每个测试数据常含有测量噪声，且噪声污染程度各不相同，其中受噪声污染严重的测试点称为异常点，利用含有异常点的一段测试信息识别参数和反演输入，计算结果势必存在较大的误差。

若已获得L个连续采样数据，采用固定长度为S（S≤L）的矩形窗选取采样数据，设定参数初值，利用复合反演法进行第一次参数识别和输入反演；然后，以上一次参数识别值为参数初值，将矩形窗向前移动一个数据（即增加1个新数据，剔除最前端1个旧数据），再次进行复合反演运算；持续计算，直至矩形窗无新数据或者达到矩形窗设定个数，共进行了M（M≤L-S+1）次复合反演计算，获得M组参数估计值和M段输入反演时程，该方法称之为矩形窗法。对应同名参数或同时刻输入，再利用统计平均法，即可获得最终的参数识别值和对应的输入反演时程，这样即可减弱数据异常点引起的较大误差。为了提高精度，还可剔除参数识别异常值对应的复合反演结果。

1.3 SVD-mLM法

对于Rayleigh比例阻尼的n自由度剪切型结构而言，参数识别方程为非线性方程：其中，θ为待识别参数向量；θ_k为刚度参数向量，α和β为比例阻尼系数；k_i为θ_k的第i个刚度分量。

利用修正的Levenberg-Marquardt（简称mLM）法求解非线性参数识别方程（6）（非线性最小二乘问题），可取

显然，mLM法需要给定参数初值，因结构刚度和阻尼参数的量级相差特别大，该法对参数初值非常敏感。为解决这一问题，联合不需参数初值的线性SVD法，即：首先利用SVD法确定参数的近似估计值，以此作为参数初值，再利用mLM法求解非线性参数识别方程，简称SVD-mLM法。

2 试验

2.1 试验概况

本文设计了一个5层单跨钢框架结构试验模型（模型立面图和平面图如图1所示；实际模型及传感器布置如图2所示），进行振动台试验（振动台振动方向为图1a立面图平面内左右方向，也即图1b平面图平面内上下方向；柱子尺寸为图1b中楼板两侧的4根横截面8mm×80mm钢板柱），以测试剪切型结构在地面运动作用下的动力响应，验证结构物理参数时域识别的改进的复合反演算法。

试验采用的传感器型号（制造单位或品牌）：位移计为SW-1型相对位移传感器（中国地震局工程力学研究所）；速度计为941B型拾振器（中国地震局工程力学研究所）；加速度计为LC0405T型压电传感器（朗斯）；放大器为CA-3积分电荷放大器（北戴河电子仪器厂）；数据采集系统为太平洋6000数采系统（太平洋设备公司）；采集软件为P1660（太平洋设备公司）。

采用集中质量法，试验模型各层的质量为：m₁=102.5856kg，m₂=101.9866kg，m₃=m₄=101.3875kg，m5=98.8915kg。假定阻尼为Ray-leigh比例阻尼，在振动台试验之前先进行模态试验，采用初位移法（顶层钢板施加）和初速度法（第3、4层钢板之间施加）分别确定模型结构沿该方向第一、第二阶振型，并确定相应频率和阻尼比。由模态分析的结果计算出Rayleigh阻尼系数为：α=0.439193075；β=0.00035487。

本文分别以峰值为0.48g的EL Centro地震波和峰值为0.1g、频率为5Hz的余弦波为激励输入进行振动台试验，测试获得结构模型各层的加速度响应时程（速度及位移响应测试仅用于试验数据重构信息的比较），然后假定输入信息未知，采用改进的复合反演算法进行结构物理参数的时域识别和基底输入的反演研究。

2.2 余弦波（0.1g，5Hz）

图3和图4分别为余弦波激励时振动台面实测加速度时程曲线和各层相对加速度时程曲线（仅以第1、3、5层示例）。利用基于矩形窗法、SVD-mLM法改进的复合反演算法识别非线性参数系统，参数初值为1.0。结构模型物理参数识别结果列入表1，地震动反演结果如图5所示。

2.3 EL Centro地震波（0.48g）

图6和图7分别为EL Centro波激励时振动台面实测加速度时程曲线和各层相对加速度时程曲线（仅以第1、3、5层示例）。利用基于矩形窗法、SVD-mLM法改进的复合反演算法识别非线性参数系统，参数初值为1.0。结构模型物理参数识别结果列入表2，地震动反演结果如图8所示。

从表1可知，振动台激励为峰值0.1g振幅稳定变化的余弦波时，识别得到的Rayleigh阻尼系数α和β与模态试验的分析结果相比较，误差分别为10.82%和45.10%，说明结构实际的阻尼是非常复杂的。从图5可知，反演的输入时程和振动台台面实测时程是完全吻合的，这也能说明结构模型物理参数识别结果是可信的。

从表2可知，振动台激励为峰值0.48g振幅急剧变化的EL Centro地震波时，基于10～16s时间段的测试数据识别得到的阻尼系数出现负值，说明真实阻尼并不完全符合Rayleigh比例阻尼假定；随矩形窗的前移，参数识别值有所变化（阻尼系数变化较大），表明在真实的震动作用下结构模型实际状态非常复杂。从图8可知，反演的地震动时程与振动台台面实测时程存在较大误差，但前者能够很好地追踪到后者的变化和峰值，这也说明识别出的参数平均值能够反映结构模型在10～16s地震动作用下所处的复杂状态。

结构模型在两种不同输入激励下，识别的结构物理参数有较大差异，分析其可能原因为：输入为小振幅平稳变化的余弦波时，结构模型侧移幅度较小，每层钢板重量基本垂直施压在立柱上并向下传递，大质量钢板在一定程度上约束了立柱，增大了刚度、减小了侧移，试验模型更接近于理想的剪切型结构。输入为大振幅急剧变化的地震波时，结构模型侧移幅度较大且剧烈摇摆，较柔的立柱弯曲角度较大，致使钢板与立柱连接的角钢螺栓发生松动，板柱连接不再是刚性连接，层间有效高度增大、刚度减小，侧移增大，在螺栓松动的情况下，钢板和立柱也会发生碰撞，使试验模型在地震动激励下处于复杂状态。

基于振动台试验测试数据，利用修正的复合反演算法，识别结构物理参数和反演输入，产生误差的原因有：（1）材料误差（实际值与设计值不符）；（2）设计误差（节点的角钢螺栓连接影响有效高度等）；（3）制作误差（尺寸不准、螺栓不紧等）；（4）试验误差（振动台、仪器等产生的误差）；（5）计算误差（试验模型理想化、测试噪声、数值模型简化等问题）等。

3 结论

在输入未知条件下，为了识别非线性参数系统，并消除噪声异常点的影响，引入修正Leven-berg-Marquardt法和矩形窗法，建立SVD-mLM法，改进了复合反演算法，数值研究已经验证了改进的复合反演算法的有效性和鲁棒性。本文设计了一个5层单跨钢框架模型，采用改进的复合反演算法，开展了噪声真实存在情形下结构物理参数时域识别和输入反演的振动台试验研究，结果验证了矩形窗法、SVD-mLM法和改进的复合反演算法在识别结构物理参数和反演输入时的可行性和有效性。

防波堤结构断面物理模型试验研究 篇7

关键词：防波堤,物理模型试验

秦皇岛市开发区防波堤工程位于渤海湾北岸的秦皇岛市山海关港区。工程区滩面高程-11.0~-12.0m。

由于防波堤设计标准为50年一遇, 工程区海域波浪、水深较大, 且防波堤断面结构和波浪作用条件较复杂, 现有经验公式对护面稳定、越浪量计算不完全适用, 为了在做防波堤设计时, 应考虑的一些实际工程问题, 对挡浪墙的稳定状况、堤顶的越浪情况、护面块体、护底块石的选择等做到更合理、更科学, 需对防波堤断面结构进行物理模型试验研究。

1 试验依据资料

1.1 试验水位

本次试验考虑三种工况水位, 以当地理论最低潮面起算分别为:

极端高水位:2.86m

设计高水位:1.81m

设计低水位:0.03m

1.2 试验波浪要素

试验采用不规则波进行, 防波堤前波浪要素由数学模型提供, 试验波浪要素见表2-1。依据防波堤走向, 东侧和北侧防波堤分别选取ESE向和SE向浪作为控制波浪条件。

1.3 试验断面

本试验断面, 为斜坡式断面。

2 模型设计及试验设备

2.1 模型设计

模型按重力相似定律及《波浪模型试验规程》 (JTJ/T234-2001) 的有关规定进行设计。

根据试验水槽的尺度和造波机的性能指标, 本次模拟试验中防波堤模型选用的几何比尺1∶27.6。按照重力相似原理计算得到其他物理量的模型比尺分别为:

重量比尺λw=λ3=21024.58

时间比尺λt=λ0.5=5.25

速度比尺λv=λ0.5=5.25

单宽越浪量比尺λq=λ1.5=145.00

压强比尺λp=λ=27.6

2.2 试验设备

山海关防波堤断面波浪物理模型试验在天津大学港口与海岸工程实验室波浪水槽中完成。水槽的长、宽、高分别为90.0m、2.0m、1.8m, 。造波系统为双轴推板式造波机, 采用NI公司生产的PCI-7342型运动控制卡装配主控计算机, 两块造波板由两台交流伺服电机驱动实现同步控制。

3 试验方法

3.1 波浪模拟

按照试验技术的要求, 不规则波的频谱采用JONSWAP谱进行模拟。其表达式如下:

式中

Hs———有效波高 (m) ;

Tp———谱峰值周期 (s) ;

fp———谱峰值频率 (Hz) ;

γ———谱峰值参数, 取3.3。

波谱模拟时, 总能量偏差控制在±10%, 有效波高和平均周期的偏差均控制在±5%。不规则波以有效波高H13%和平均周期为控制条件进行波浪模拟, 一次波浪采集数据控制在200~300个波。

3.2 模型制作

根据试验技术要求提供的防波堤断面结构图进行模型设计和制作。试验模型制作以《波浪模型试验规程》 (JTJ/T234-2001) 的要求为控制标准。

不同重量的护面块体均采用素混凝土加入铁砂预制, 成型后的模型尺寸误差控制在±1.0mm之内, 模型的重量误差控制在±5%之内。

护底块石和垫层块石按模型重量进行挑选, 并涂以颜色便于稳定性试验的观测。防波堤最常见有四脚空心方块、四脚锥体、扭王字块体、扭工字块体、栅栏板等, 本次采用扭王字块体模型见图1。

3.3 防波堤断面稳定性试验

防波堤断面稳定性试验采用不规则波方式进行测定, 不规则波模拟的波浪连续作用时间不少于原型中的2个小时。通过数据采集分析和试验现场观测、录像等方法进行波浪作用下防波堤各部位稳定性的试验测试。

护面块体的失稳率按下式计算:

式中, n———块体失稳率 (%) ;

nd———静水位上下各一倍设计波高范围内护面块体失稳数;

N1———静水位上下各一倍设计波高范围内护面块体的总数。

扭王字块体的稳定性标准为:一次波浪作用后, 护面块体的失稳率为n=0%。

4 防波堤断面稳定试验分析

4.1 试验设计

防波堤断面形式为斜坡堤, 防波堤堤顶设沉箱。防波堤外侧为常规式斜坡护面, 采用100kg~200kg护底块石, 堤外侧为5t扭王字护面块体和抛石棱体, 抛石棱体块石重量为300kg~500kg, 堤内侧采用300kg~500kg的抛石垫层, 抛石顶标高为4.0m;抛石棱体和扭王字块护面坡度均为1∶1.5, 堤外侧采用分段护面, 标高-5.0m以下采用300kg~500kg的抛石棱体, 标高-5.0m以上采用5t扭王字护面块体。表1显示了防波堤前各物理量原型与模型数值。

4.2 试验现象

极端高水位2.86m时, 在50年一遇H13%=3.94m、珔T=9.36s不规则波作用下, 经过相当于原型2.34h的波浪作用下, 沉箱顶部有越浪。沉箱有滑移, 在经过相当于原型2.34h的波浪作用下沉箱累积后移约0.414m。堤前有1块扭王字块体发生晃动, 抛石护坡有少量块体晃动, 并有1块块石在波浪作用下滚至扭王字块体上, 堤前护底块石基本稳定。

设计高水位1.81m时, 在50年一遇H13%=3.77m、珔T=9.36s对应的不规则波作用下, 经过相当于原型2.34h的波浪作用下, 沉箱有越浪, 沉箱稳定, 堤前护面块体稳定, 堤前护底块石稳定。

设计低水位0.03m时, 在50年一遇H13%=3.32m、珔T=9.36s对应的不规则波作用下, 经过相当于原型2.34h的波浪作用下, 堤前护面块体稳定, 堤前抛石护坡稳定。表2显示了防波堤断面稳定性试验结果统计。

4.3 数据分析

沉箱前部和底部均布有压力传感器以测量波浪作用于沉箱产生的波压力和浮托力, 传感器布置见图2, 以模型显示, 单位为mm。每次造波时间为321s, 相当于原型的0.47h, 采集数据时间为262.5s, 相当于原型的0.38h, 采集间隔为0.025s, 相当于原型的0.13s, 采样次数为10500次。表3显示了较危险工况极端高水位和设计高水位波浪作用下各传感器测得的波压力数值, 表中各数值均以原型显示。图3和图4显示了极端高水位和设计高水位波浪作用下的波压力分布图, 图中各变量均已转化为原型, 压强单位为k Pa, 压力单位为k N。

4.4 结论及建议

本断面沉箱在设计低水位和设计高水位下稳定, 在极端高水位下, 相当于原型2.34h的波浪作用下累积后移0.414m, 故此沉箱断面不稳定, 建议优化沉箱断面。新优化的断面为了减少迎浪面沉箱受到的波压力, 沉箱断面采用了削角形式, 削角斜面坡度为1∶1.9, 同时为了增加沉箱的重量, 在原方案的基础上加大了断面尺寸, 增加回填砂的用量, 在砂体上面仍然用厚度为0.4m (原型) 的灌浆块石灌注, 为了改善堤后抛石护坡的稳定性, 堤后部分抛石护坡上的块石重量将原来的300~500kg换为500~800kg, 经试验符合要求。

5 结语

通过对防波堤进行断面物理模型试验的研究, 能够为防波堤的设计及施工起到很好的参考作用, 在保证安全的基础上增加其经济性、合理性。

参考文献

[1]孙一艳.防波堤断面模型试验概述[J].中国水运, 2013 (3) .

物理结构 篇8

“超级病菌”含有超级抗药基因“新德里金属蛋白酶-1” (NDM-1) 。NDM-1基因的特殊基因结构使“超级病菌”可在同种甚至异种细菌之间“轻松”复制。先前, 研究人员多在大肠杆菌和肺炎克雷伯氏菌等细菌内发现NDM-1基因。含这种基因的细菌对几乎所有抗生素具有耐药力。

现阶段, 印度、日本、美国、英国、加拿大、韩国等20多个国家及地区报告出现“超级病菌”。

水晶基因制药公司为破译“超级病菌”物理结构申请了国际专利, 同时将破译结果在美国“蛋白质数据银行”注册。下一步, 水晶基因制药公司将寻找可破坏NDM-1基因结构的物质。

物理结构 篇9

近年来,量子点背光技术作为液晶显示技术新的突破,备受行业关注[1]。经过多年研究,业界已开发出嵌入量子点的光学薄膜(QDEF) 成功应用于LCD背光源。

量子点(quantum dot)是准零维的纳米晶体,由少量的原子构成,形态上一般为球形或类球形,是由半导体材料(通常由II B~ⅥB或IIIB~VB元素组成)制成的、稳定直径在2~20nm的纳米粒子[2]。这些纳米粒子能在特定波长光线照射下激发出更高波长的光,QDEF由于嵌入了发绿光和红光的量子点,可在蓝光LED背光的照射下激发绿光和红光,激发的绿光和红光与透过薄膜的蓝光一起混合成白光,从而提升了LCD背光的发光效果。QDEF在侧入式背光源LCD显示器的应用如图1 所示,采用量子点薄膜的屏幕拥有更准确的色彩表现,并且在色彩饱和度方面拥有明显的优势[3]。

本文以获取的某公司量子点膜(QDEF)为研究对象,通过扫描电镜/ 能谱仪(SEM/EDS)、傅立叶转换红外光谱仪(FTIR)、热重分析测试仪(TGA)、荧光光谱仪、透光率/ 雾度测试仪以及水汽穿透过率测试仪分析了QDEF的宏观/ 微观形貌和结构、各层组成成分以及QDEF的物理光学特性。

2 实验部分

2.1 样品的制备

(1)将QDEF样品进行超薄切片,所取切片表面进行喷金处理,备用;

(2) 将QDEF样品切成4cm×4cm大小,置于80℃温水浸泡24h后,用镊子将上下两片雾面薄膜剥离,备用。

2.2 分析与测试

(1)扫描电镜/ 能谱测试:采用日立S-3400N扫描电镜/ 能谱仪,测定QDEF表面形貌、各层厚度及元素组成;

(2)红外光谱测试:采用Nicoleti S10 红外光谱仪,4000~500cm-1范围扫描,测定QDEF各层成分;

(3)热重分析测试:采用SDTQ-600 型TG分析仪,氮气氛围,温度:50~850℃,升温速率为10℃/min,表征QDEF量子点层的热稳定性;

(4)荧光光谱测试:采用LS45 型荧光光谱仪,激发光波长450nm,480~700nm波长范围进行扫描,速率为10nm/s,测试QDEF的荧光性能;

(5)透光率/ 雾度测试:采用NDH2000N型透光率/ 雾度测试仪,测试QDEF及其阻隔膜的透光率和雾度;

(6) 水汽透过率(WVRT) 测试:采用美国MOCON Permatran-W,model 3/33 水汽透过率测试仪,38℃/100%RH条件下,测试QDEF表面阻隔薄膜的水汽透过率。

3 结果与分析

QDEF产品典型结构如图2 所示,本文以此参照对比进一步分析。

3.1 扫描电镜/ 能谱(SEM/EDS)分析

(1)样品的表面形貌分析

图3 为QDEF样品上、下表面的扫描电镜照片。

从图3 可以看到,QDEF的上下表面的SEM形貌几乎是一致的,表面涂层中含有凸起的粒子,该层表面呈现雾状。涂层中粒子的平均粒径在4μm左右。由于QDEF放置于背光源导光板和增光膜之间,表面做如此处理,可以有效降低背光模组的“白斑”(wet-out)光学不良现象。

(2)样品断面形貌分析

图4 为QDEF样品断面电镜照片。

从图4 可以看出,QDEF的断面由7 层组成,以中间层为轴线呈对称, 最薄层厚度只有1.35μm左右,最厚层厚度有125μm左右,中间层厚度为100μm左右。从结构看,中间层受两边保护,中间层为量子点层,而两边保护层为PET阻隔层, 在量子点层和PET阻隔膜中间的1.35μm为粘合剂层,它起到将量子点层和PET阻隔膜粘合的作用。

(3)能谱(EDS)分析

按照QDEF的结构,从上到下分别为7 层结构,分别进行了能谱测试,以确定各层含有的元素,结果如表1 所示。

从表1 可以看到,除了第四层(量子点层)外,其余层的元素均由C、O组成,也就是其余层均由聚合物组成,而量子点层元素组成相对比较复杂。

3.2 红外光谱分析

按照QDEF的结构,从上到下分别为7 层结构,分别进行了红外光谱测试,如图5 所示。

图5 QDEF各层红外光谱图(a)第一层(b)第二层(c)第三层(d)第四层(e)第五层(f)第六层(g)第七层Fig 5 The FTIR spectra of QDEF(a)Layer 1(b)Layer 2(c)Layer 3(d)Layer 4(e)Layer 5(f)Layer 6(g)Layer 7

从QDEF的各层红外光谱可以看到,每层的组成成分并不完全一致,具体分析结果如表2 所示。

3.3 热重(TGA)分析

由于量子点层的成分相对比较复杂,因此本研究在此仅对量子点层进行了热重分析,进一步确定其热性质,如图6 所示。

从量子点层的热重分析图可以看到,样品从100%开始失重,100℃就开始缓慢失重,说明其热性能一般;最终残余量为45.16%,说明量子点层里面含有高含量的耐高温填料成分;TGA曲线较为平滑,说明该层的纯度较好。

3.4 荧光性能分析

图7 为QDEF荧光光谱图。

从QDEF的荧光光谱图可以看出,量子点层中含有绿光和红光量子点,受450nm蓝光激发的绿光集中在535nm,激发的红光集中在625nm,并且绿光荧光强度明显比红光要强。

3.5 透光率/ 雾度分析

QDEF属于光学膜片,而透光率和雾度是光学膜片最主要的光学性能,因此,对QDEF及其表面保护的阻隔膜进行了测试,结果如表3。

从表3 可以看出,QDEF的透光率不是很高,但是雾度很大,这也解释了其可以代替扩散膜而用于背光的原因。另外,由于表面进行了防白斑涂层(Anti wet-out coating) 处理,阻隔膜具有一定的雾度,这是由于涂层里面添加了粒子所致。上、下阻隔膜具有相同的透光率和雾度,说明上、下阻隔膜具有同样的光学特性,分析为同一种膜片。

3.6 水汽透过率分析

图8 为QDEF阻隔膜水汽透过率测试曲线。

从图8 可以看出,QDEF所用阻隔膜的水汽透过率为10-2-10-3数量级,阻隔性很好,可以有效保护量子点(QD)不受水汽影响,从而使QDEF具有很好的耐久性。

4 结论

物理结构 篇10

一、激情引入新课

引入新课是教学的开始环节, 一个好的开端, 就等于成功了一半, 一个好的课堂引入, 常常会受到意想不到的效果。学生学习的兴趣常常是在一定的情景中产生的, 激情引入新课, 能激发学生的学习兴趣, 提高学生探索物理奥秘的欲望, 它能使学生情不自禁的投入到物理学习中, 受到事半功倍的教学效果。比如, 在学习自由落体内容时, 先请几个学生上讲台来, 比一比手抓自由下落的刻度尺, 看看谁反应的时间短。全班学生的热情十分高涨, 都饶有兴趣的看着他们的表演。这时候有些学生会问:为什么用刻度尺测量反应时间呢?老师趁势过渡到新课讲授。

二、利用多媒体教学

多媒体进入寻常教室后, 为我们物理教学提供了方便。这不仅能激发学生的学习兴趣, 还能帮助学生理解物理原理。比如, 在学习人造卫星知识的时候, 可以利用多媒体教学, 先播放一段神舟7号飞船升空与回收的视频, 这不仅能培养学习的兴趣, 还能让学生增加感性认识;在学习原子的核式结构的时候, 可以利用多媒体让学生掌握它的微观结构, 也可以让学生看到各种射线的特征, 这样能给学生留下很深的印象。值得注意的是, 多媒体是不能代替做真实的物理实验的, 有些老师滥用多媒体, 连物理实验都不想组织学生做, 一切都用多媒体解决, 这就等于是剥夺了学生能力培养的权利。新课程要求全面的发展每个学生的科学素养, 创新能力与解决问题的能力是科学素养中的重要因素之一, 这些能力只有通过实践活动来培养, 只凭播放多媒体是培养不出来的。如果在具体的教学中, 过分的依赖多媒体, 无疑是灌输式教学, 只不过不是老师讲解灌输, 而是电灌, 这是违背新课程教学原则的。

三、重视实验教学

物理是以实验为基础的自然科学, 实验是物理教学的主要手段, 在具体的教学中, 如果忽视实验, 一味的采取推导的方式进行教学, 好像在培养学生的思维能力, 实际上让学生感到枯燥无味, 根本学不进去。

新课程重视体验教学, 让学生在实践活动中, 掌握学习的方法, 体验知识获得的过程。学生掌握了学习方法后, 对他们今后走向工作岗位再学习有很大的帮助作用。学生在探知活动中, 可以发挥主观能动性, 进行创造性的思维活动, 有利于创新能力的培养, 尤其是在探究活动中, 养成了一丝不苟的科学态度, 从而促进了科学素养的提高。说到底, 科学素养只能通过实践活动培养, 讲解是讲不出能力来的。新课程大力提倡探究教学, 目的就是要培养学生的创新能力与解决问题的实践能力。在探究性教学中常遇到设计性实验的问题, 要给学生大胆尝试的机会, 比如, 高一的时候可以让学生通过讨论自行设计实验来测量重力加速度的大小;至于用什么原理, 什么方法可以由学生自己确定。有些学生可能会根据自由落体s=1/2gt2公式来测定, 有些学生可能根据万有引力等于重力来测定, 也有些学生可能根据单摆的周期公式来测定, 这些都可以肯定, 从理论上讲, 只要公式中含有g的, 都可以通过实验来测定重力加速度, 但在具体的教学中, 老师要引导学生思考, 究竟采用哪种实验方法, 使测定的g的误差比较小, 这样不仅锻炼了学生解决实际问题的能力, 还有效的发展了学生思维能力。通过这样的训练, 能让学生搞懂物理各章节知识的内在联系, 帮助学生克服物理难学的恐惧心理。

四、重理精讲

教学实践证明, 欲提高物理课堂教学的质效, 关键取决于老师能否将“理”讲清楚。在讲解物理原理、物理定律的时候, 不能像传统的应试教学那样一味的讲解, 而应该对学生有问题的地方进行点拨, 采用的方式可以是多样的, 如, 比喻、图示、利用演示与模型等等, 具体采用什么方式, 需要根据教学内容与学生的实际情况来确定。比如, 在讲解交流电这个概念的时候, 就可以用单摆的摆球速度作比方, 假如在配合交流发电机的模型进行讲解, 让学生亲眼感知到电灯的亮度随着手的摇动而变化, 就能使学生从现象到抽象掌握交流电的大小、方向作周期性变化的本质规律。对于容易记错的公式, 不能像传统的应试教学那样让学生死记硬背, 更不能责怪学生脑子笨, 什么都记不住。比如, 弹性振子的周期公式T=2π姨m/k, 但很多学生错误的记为T=2π姨k/m。此时, 应该引导学生用牛顿第二定律的规律来理解公式的意义:在一定的回复力的作用下, 振子质量越大, 产生的加速度就应该越小, 振子来回振动的速度应该越慢, 因而时间T就越多, 所以m不会在分母上的。通过这样的点拨学生就不容易将公式记错了。

总之, 教学没有固定的模式, 只要能针对学生的实际情况, 灵活采用多种方式, 并将学生的发展放在教学的中心地位上, 就一定能摸索到适合自己学生的高效的教学方法。

摘要：众所周知高中物理是比较难学的科目, 很多学生在物理学科上花了很多的精力与时间, 但学习成绩还是难以提高, 究其原因是多方面的, 有学生的基础原因, 有教学老师所采用的教学方式的原因等等。本文就如何优化高中物理新课程教学的结构, 提高教学质效进行阐述。

物理结构 篇11

关键词：初中物理；复习课；教学设计；结构分析法

一、结构分析法的概念

结构分析法在不同的领域里有不同的概念，但是实质是相同的。在经济领域，结构分析法是指，在经济系统中，对各组成部分及它们之间的对比关系所存在的规律的分析，比较分析法是它的基础。类似的，在物理方面，结构分析法是指，在教学过程中，对教学内容的各个组成部分及它们之间的相互关联或者相互对立的关系分析，是一种常用的教学方法。所以，结构分析法是广泛应用于各个领域的，对于解决各种问题有着不可替代的优越性。

二、结构分析法在初中物理复习课课堂教学设计中的重要性

复习是每个学期的重要环节，尤其是在期末。在初中物理复习中，一方面是学生面临着极大的升学压力，另一方面，教师也有一定的压力，因为这时的课堂教学不同于一般时候，课堂教学设计得好不好，对于学生的复习效果是非常关键的。结构分析法具有思路清晰、逻辑性强、内容一目了然的特点，非常有利于学生理解学科的特点和知识结构，有利于学生掌握基础知识和重点知识，有利于培养善于对知识点之间联想的能力，有益于提高学生分析问题并解决问题的能力，节约了复习的时间，提高了复习效率，学生的学习负担自然也没那么重了。因此，结构分析法在初中物理复习课课堂教学设计中占有重要地位，可以在很大程度上提高教学质量。

三、结构分析法在初中物理复习课课堂教学设计中的具体运用

结构分析法听起来很简单，但是，运用起来是需要一些技巧和方法的，而且需要对症下药，针对复习课，在课堂教学设计中具体运用结构分析法，争取达到良好的教学效果。

1.知识的逻辑结构图的运用

俗话说，把厚书读薄，知识的逻辑结构图的运用就是这个道理。知识的逻辑结构就是要把物理课本各章节重点知识，比如定义、概念、原理、特点、规律、方法等，有条理地整体到一起，形成一个知识网络系统。具体来说，可按如下步骤进行：

首先，由于是复习，就说明已经对课本的大致内容比较了解了，再一次阅读课本，依次找出每一章节的主要知识点，一一罗列出来，还有每一章对应的实验。接着用方框把各个知识点框住，用带有箭头的直线标明各个知识点之间的内在联系，箭头的方向尤其重要；或者用大括号等自己熟练其意义的符号把各个知识点之间的内在联系表示出来。可能第一遍会有漏掉的知识点，或者知识点之间的内在联系弄不清楚，可以再仔细看课本，琢磨思考，逐步深化，丰富自己的知识逻辑结构，但绝对不是所有自己觉得重要的内容都一一写得清清楚楚，那样会造成知识的逻辑结构太复杂又繁缛，没有一目了然的效果。教师可以把这种方法教给学生，但是最好不要直接帮学生整理好知识的结构逻辑图，让他们背，而是让他们自己去整理，这个过程他们会发现问题，复习到很多知识，最后教师可以适当指导他们。

知识的逻辑结构图是结构分析法在初中物理复习课课堂教学设计中的具体运用的重要体现，对于学生的复习效果非常之好。

2.方法能力结构的运用

结构分析法不仅归纳各个知识点，分析教材总体的布局，还要安排符合教学目标和在学生能力范围内的教学过程与方法。方法能力结构即是在教学过程中，既要注重知识传授的方法，也要注重学生能力的培养，甚至是在教学中贯穿学生的思想品德教育，这就是方法能力结构。物理复习课也不是“填鸭式”的，尽可能把考试内容一股脑的都塞给学生，这样极有可能会物极必反，对学生并不有益。

在此时的课堂教学设计中，依旧应该使教学方法与学生能力并驱前进。其中，一要特别注意培养学生作图的能力，从图中去分析问题、简化问题，找到解题的突破口，有时候虽然是画草图，但是也要有一丝不苟的严肃认真的态度，草图的偏差也大有可能造成起初对问题的分析预测，影响解决问题的正确性和速度。在物理的世界，许许多多都是用图形来表达，所以作图能力十分重要。二要培养运用数学推算的能力，物理离不开数字，两者密切相关，除了数学运算能力，重要的还有对数字的敏锐感，由数学进行一定的推算预测，有时候很复杂的问题用很简单的方法就能解决。在初中物理复习课课堂教学设计中，教师应该着重开发学生的这些能力，学生在考场上才能举一反三，对题目的千变万化仍能应对自如、轻松解决。

3.重点难点知识结构的运用

如果说知识的逻辑结构图是基础，那么，重点难点知识结构就是高分的通道。考试内容如此多，出题人想要区分高分低分的学生，必然出的题目多是重点内容，难点也会有一定比例。在理解了基础知识的基础上，只要肯花心思，理好重点难点知识，要掌握就不难，接着针对每个重点、难点，熟练掌握相对应的一道例题，知道答案所运用的原理、公式和方法等，让学生不看答案自己做一遍，如果做对了，说明掌握得差不多了。这些重难点知识可谓是所学知识的精髓，学生要是真正想学到东西，学得深，学得精，就要对重点难点知识精通。

结构分析法不仅对学生的复习有不可忽视的作用，也对学生的学习能力有所锻炼，有所提高。在初中物理复习课课堂教学设计中，可以好好运用结构分析法，充分发挥结构分析法的作用。另外，教也是为了不教，课堂教学设计中应该使学生自主学习，让学生熟悉结构分析法，自主运用结构分析法，真正学到知识，考得好成绩。

参考文献：

[1]毛金华.初三物理复习课有效教学策略探讨[J].湖南中学物理，2010（11）.

[2]胡清.在高中物理教学中培养学生的学习兴趣[J].学周刊，2013（35）.

[3]李永红.提高高中物理课堂教学质量的实践与探索[J].学周刊，2013（35）.

[4]何延春.结构方法在物理教材分析中的运用[J].甘肃科技纵横，2007（02）.

[5]程守洙，江之水.普通物理学（3）[M].5版.北京：高等教育出版社，1998：77-82.

[6]张松年.物理学自学指导[M].北京：高等教育出版社，1995：80-82.

（作者单位 江苏省常熟市实验中学）

物理结构 篇12

1. 由氢原子光谱推测能级结构

氢原子光谱有连续谱和线状谱, 线状谱由经验公式描述

此式称为广义巴尔末公式, 是氢原子发光的波数。光量子论是确定的理论, 爱因斯坦的光电效应理论解释, 提出光能量总是一个单元的整数倍, 这个能量单元为hv或, 称为光量子。如果把广义巴尔末公式两边乘以hc, 得

(2) 式左边是光子能量, 右边必然也是能量[1]。右边是两项之差, 两项的形式相同, 可以理解为能量在两个状态的差值。这样 (2) 式的物理意义就清楚了, 氢原子发出光子的能量等于其内部能量的减少量, 就是能量的转化与守恒定律。氢原子内部能量为动能与势能之和, 是负值, (2) 式表示成

这样, 氢原子的内部能量

n称为主量子数, 取1以上的正整数。可见, 氢原子的内部能量取分立值, 称为能级。

2. 物理思想和方法

物理思想是指物质的结构、运动和相互作用的客观存在反映在人们的意识中经过思维活动产生的结果。这种思维活动来源于社会实践, 尊重客观规律, 尊重实践经验又不囿于经验, 是符合辩证法的思维活动, 思维活动的结果必须经得起实践的检验。物理学的每一个进展都包含着科学家们思维活动的精髓, 闪耀着他们物理思想的火花, 而氢原子结构和运动的研究拉开了物理学由经典理论到量子论变革的序幕, 批判性、创新性的物理思不想断熠熠生辉。

氢原子内部能量是量子化的, 这与我们过去的观念格格不入。在经典物理学及生活实践中, 有一个根深蒂固的观念——连续性, 在这个观念下建立起来的运动方程, 只要给定初值条件, 就可以由运动方程预知将来的结果。经典物理是经过实践检验了的, 有大量实验证明, 但由经典力学和经典电磁辐射理论来描述氢原子内部结构、运动和发光情况, 得出的结论是不符合实验事实的。经典辐射理论认为带电粒子做周期运动就要发出辐射即电磁能, 电子会沿着螺旋线运动坍缩到原子核上, 光谱也只有连续谱, 不会有线状谱。因此经典理论在描述氢原子结构和运动的时候出现了矛盾, 波尔认真思考、分析了这个问题后, 他的看法是:在经典物理理论框架中用卢瑟福模型解释原子的稳定性是不可能的[2]。波尔认为, 原子的稳定性问题必须用另外一种观点来看待, 即电子绕原子核旋转而不辐射能量, 这种能量不变的状态称为定态, 这与经典辐射理论格格不入的, 但必须这么看待, 以解决电子坍缩问题, 也就是说经典辐射理论在原子内部是不适用的。电子不会坍缩到原子核上, 则表明电子必然有一个最小的轨道限制电子的坍缩, 也是电子能量最小的轨道, 电子在这个轨道上运动是稳定的, 不会再发出能量, 这个定态称为基态。

氢原子怎么发光的问题, 则由广义巴尔末公式 (1) 式给出线索, 并由此推出氢原子内部能量 (4) 式, 该式表明氢原子可以处在一系列的定态, 这些定态由正整数n表示。但要注意, 前面由 (1) 式到 (4) 式的推导不能算作数理逻辑的论证, 因为 (1) 式是由实验数据凑出的一个表示形式, 它的右边不是可控制的已知物理量, 只是一个经验公式。 (1) 式两边乘以hc, 从而得到 (4) 式, 没有物理依据, 包含人为因素, 因此把 (4) 式看成氢原子内部能量, 不是实验的结果, 也不数理逻辑推导的结果, 而且此式的形式和内涵都与已知的理论不相容。因此, (4) 式作为氢原子内部能量的依据是不充分的, 它只是一个线索, 由这个线索出发可以解释氢原子发光的问题, (3) 表明了氢原子发光的物理含义, 即氢原子每发出或吸收一个光子都是氢原子从一个定态到另一个定态的跃迁, 其能量等于这两个定态能级的差。

这里, 玻尔提出了一个新的概念——跃迁。氢原子从一个定态到另一个定态, 亦即电子从一个轨道到另一个轨道是跃迁, 不能理解成在空间划过一条轨迹到达另一个轨道, 这与卫星变轨是完全不同的物理图像, 否则光谱又只能是连续谱。跃迁这个概念, 玻尔提出时也无法定义、无法解释, 暂时理解成在一个轨道上消失了一个电子, 而在另一个轨道上出现了一个电子。后来人们把这幅物理图像比喻成原子中的幽灵, 是不能直观想象的, 跃迁的概念是在量子力学建立后由统计物理的理论来解释。

氢原子的这一系列定态必须要有理论论证, 玻尔归纳了以上的分析, 提出了关于原子结构的普遍理论, 称为玻尔理论:定态假设、频率条件和轨道角动量量子化条件。其中定态假设和频率条件在前面已经表述, 轨道角动量量子化条件则是由对应原理推出。玻尔提出这个理论的依据是:核式模型、光量子论和氢光谱实验资料。由这个理论结合牛顿力学可以推出氢原子内部能量公式, 和 (4) 式一样。

讨论最简单的情况, 电子做圆轨道运动, 氢原子内部能量包括电子的动能、电子和原子核的库仑吸引能, 把原子核看成静止不动的。

氢原子能量

将轨道角动量量子化条件2πrmv=nh n=1, 2, 3, …

代入上式可得

对氢原子, z=1, (5) 式与 (4) 完全一样。

由氢原子光谱推测能级结构, 从而描述氢原子结构和运动, 这就是物理学常用的从表象到机理的方法。玻尔在依据不充分的情况下通过假设提出了原子内部的量子化规律, 部分地描述了氢原子内部的结构和运动, 也为量子力学的建立打下了思想基础。假设是现代物理重要的物理方法之一, 它不是凭空猜想, 是把欠缺的依据补充完整, 由此建立的理论必须是符合逻辑的, 并且能够通过实践检验。这就需要物理学家的直觉和想象, 不崇拜经验和权威, 大胆想象、敢于创新。教师在关于氢原子能级的教学中, 不仅要教给学生量子理论的知识, 而且要引导学生的思维, 让学生了解物理学的研究方法, 使学生建立起物理思想, 培养学生的创新思维。

参考文献

[1]褚圣麟.原子物理学[M].高等教育出版社, 1979:29.