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选修系列继承了必修教科书的编写思想,即循序渐进、改变学习方式、贯穿探究精神、增强实践意识、重视科学思想与科学方法、渗透情感态度价值观的教育等几个方面。本文以问答的形式,通过选修3-5中的实例对编写思想做些说明。

 

第十六章  动量守恒定律 

 

  ●动量守恒定律的教学安排与过去有什么不同?

 

  这套教科书关于动量的教学,与过去相比变化较大。编者在这里力求突出两点:体现学习中的探究精神;强调物理学中“不变量”的思想。教科书的逻辑线索如下。

 

通过实验体会碰撞过程中某量不变这一事实

质量与速度的乘积可能具有特殊的物理意义

指出几代物理学家曾经探索和争论这个问题

定义动量,给出动量守恒定律

讨论动量守恒定律与牛顿运动定律的关系,指出动量守恒定律的普适性

动量定理

 

  过去的教学往往沿以下思路展开。

 

给出冲量和动量的定义

从牛顿定律出发导出动量定理

用动量定理分析两个物体的相互作用,得出动量守恒定律

指出动量守恒定律的普适性

 

  可以看出,在新教科书中,动量守恒定律不再是牛顿定律演绎的结果。学生通过自己的实验,看到物体碰撞过程中的确存在某个不变的物理量,心里会多少产生一些“两个物体的mv之和不变”的想法。尽管这个想法肯定是朦朦胧胧的,但却是非常珍贵的,这是探究精神的体现,早年的物理学家初次产生这样想法的时候同样会是朦朦胧胧的。这是科学方法的教育。编者力图通过学校实验室这个小小的天地让学生体会科学的探究性和探究中的不确定性,使学生对科学的本质的认识能够稍稍深入一些。

 

  新教科书没有忽视动量守恒定律与牛顿运动定律的联系,但这个联系出现在动量守恒定律之后(分散在第3、第6两节)。这些讨论的目的不是“导出”动量守恒定律,而是让学生体会物理学的自洽性,体验科学的和谐之美。

 

  ●从实验中的几组数据就能归纳出动量守恒定律吗?

 

  教科书中的动量守恒定律既不是由牛顿运动定律推导出来的,也不是由学生的实验数据归纳出来的,它是由编者给出来的。关于这一点,第2节有明确的表述:“经过几代物理学家的探索与争论,人们在18世纪形成了这样的共识:……”与能量守恒定律的建立相似,动量守恒定律不是哪个人在哪个确定的年代经过某个实验或某段数学推导而得到的,它是前辈们达到的“共识”。

 

  既然如此,第1节“实验:探究碰撞中的不变量”的意义是什么呢?它的意义在于科学过程的教育,让学生再一次体验实验在科学探究中的作用,体验猜想与假设形成(及验证)的过程,同时也再一次受到实验技能、数据处理的训练。

 

●“探究碰撞中的不变量”这个实验中要注意什么?

 

  这个实验的思路不是直线式的,头绪比较多,必须想清楚之后再操作。

 

由于是探究性实验,所以要对多个物理量进行考查。教科书建议考查ΣmvΣmv2Σ……这里要给学生讲清楚:我们研究的是两个物体组成的系统,某一个物体的mv或其他什么物理量在碰撞前后肯定是要变化的,要考查的是,系统中两个物体的这个物理量之和是否变化。

 

还要对多种形式的碰撞进行考查。例如可以考查两个物体碰撞后结合在一起的情况、碰撞后又分离的情况。在碰撞后又分离的情况中,两个物体分离后可以是继续沿同一方向运动的,也可以是其中一个朝相反方向运动的。考虑到教学时间,教师可以明确规定只研究两种情况:一个弹性碰撞和一个完全非弹性碰撞(两个名词不要告诉学生)。

 

教科书给出了记录表格的示例,一个表格只能用于一种情况,用来查看这种情况下碰撞前后哪个量是不变的。如果研究两种情况的碰撞,就要制作两张同样的表格。

 

  ●学生能不能独立完成“探究碰撞过程中的不变量”这个实验?

 

  这个实验的工作量比较大,头绪比较多,要有教师的指导。

 

教学中的探究与科学工作中的探究有很大区别,它的目的是使学生在探究过程中有所体验。哪些步骤直接告诉学生怎么做,哪些东西要学生自己想,要以什么方式给出提示,等等,都应该根据教学目标、内容的难度、学生基础等因素仔细安排。教师的设计是非常重要的。

 

  由于已经到了高中物理学习的最后阶段,也由于各校的情况不一样,教科书没有对实验的器材、步骤等做严格规定。教科书这样做也是为了给教学提供方便,教师根据自己学校和学生的情况可以有很大的变通。

 

  ●为什么在这章之前一般不提“外力”这个词?

 

  教科书在必修1中就已经说明,高中物理研究的绝大多数物体都可以看做质点,而质点是没有内部结构的,无所谓内力和外力。只有研究力学“系统”时,例如这里的动量守恒定律和必修中学到的势能,才涉及系统内的相互作用和系统内的物体与系统外的物体的相互作用,这时才区分内力和外力,否则只简单地说“力”。对于单个物体(质点)也用“外力”这个具有确定物理意义的术语,无助于建立正确的“质点”概念和“系统”概念。

 

  ●第3节“动量守恒定律(二)”中有个“思考与讨论”,要学生求出钢球射到石板后动量变化的大小和方向。这是个二维问题,应该要求到什么程度?

 

  编者对于人的认识规律有这样的体会:要想深入认识某一范围内的事物,必须了解范围的边界在哪里。例如学习文物鉴定,除了认真研究各种真品的特征外,一定还要见识一些假文物才行。必修教科书研究匀变速运动的速度-时间图象时,有一个“说一说”栏目,让学生说出一条弯曲的速度-时间图象所描述的物体速度变化情况,这个栏目就是出于这种体会设计的。

 

本章关于钢球射到石板后动量变化的讨论也有这样的考虑。编者要通过这样一个问题使学生进一步了解动量的矢量性,并通过这个例子复习矢量图示的知识,不是增加新的知识点。这个问题的目的还是为了更好地学习一维动量的运算,不要由此编造新的题目。

 

  ●教科书用了一整节(第4节)讨论碰撞的问题,有这个必要吗?

 

  这节的目的同样不是为了提高对碰撞知识的要求。可以从以下几个方面看安排这节的必要性。

 

1.碰撞问题是动量守恒定律、机械能守恒定律这些最基本内容的应用,研究碰撞问题可以在真实的、有意义的情境中复习这些基本内容。因此,在碰撞这节的教学中教师心中不应想着学生是否掌握了碰撞的结论,而应想着学生是否能够灵活地运用动量守恒定律和机械能守恒定律。这也是突出科学过程的一个方面。碰撞这节实际上是学过动量之后的一节习题课。习题的结论是无需记忆的,所以也不要让学生背诵各种情况下碰撞的结论,更不应让学生以这些结论为前提去解新的题目。

 

2.教科书在得到碰撞后两球速度的关系式后,通过这个公式讨论了m1 = m2m1>>m2m1<<m2这样几种情形下碰后速度的关系。这样做的目的是向师生传递一个信息:物理学中公式的作用远远不是只用于数值计算,通过公式可以看出不同物理量之间的依存关系、看出某些物理量的变化趋势,可以从中得出很多定性的结论。这种能力对于学生学好物理学是很重要的。

 

3.公式预言了以上三种情况下两球碰后速度的关系,这实际上就是动量守恒定律和机械能守恒定律的预言。对碰撞结论的检验就是对这两个基本定律的检验。所以,这节课是科学探究的一个片断。

 

学生通过生活经验已经对于这几类碰撞的结果有了自己的预期,应用物理知识和数学知识进行分析后,看看结论是否与生活经验一致,这是对于分析过程的一种“评估”。

 

因此,这节课是一节科学探究的教学。新课程十分突出教学中的科学探究,但科学探究不能是形式主义的,它渗透于全部教学内容之中。

 

4.实现以上教学目标的一个前提是,学生在学习之前对于各种情况下两球碰撞的结果已经有了基于感性的猜测。根据编者的经验,有些人在尚未学习高中物理之时就已经能够悟出两个质量悬殊的钢球的碰撞结果,有些人则不能;能够悟出这个结果,与他们的物理、数学基础不一定有关系,更大的可能是出于热爱自然、富于好奇必、喜好沉思的性格特点,而这些对于学好物理学是至关重要的。编者力图通过小小的一节课在塑造学生优良品格方面起些微薄的作用。

 

●第5节计算火箭喷气速度u与火箭获得的速度Δv的关系时,是以什么为参考系的?

 

假设火箭在时刻t的速度是v,我们建立一个参考系,它以速度v沿着火箭运动的方向匀速前进,它就是我们所用的参考系,是个惯性系,在时刻t火箭相对这个参考系静止,箭体与燃料的总动量是零。可以想像火箭的喷发不是连续的:Δt时刻之后,火箭在一瞬间喷出质量为Δm、速度为u(相对于这个参考系)的气体,于是火箭获得了Δv的速度(也是相对于这个参考系)。在这个参考系里列出的动量守恒定律的方程就是mΔv + Δmu = 0

 

这个方程用于对火箭运动的粗略讨论,不必深入分析。

 

第十七章  波粒二象性

 

  ●黑体辐射的知识在教科书中占有什么地位?

 

  新课程十分重视教学中的科学探究,把它作为教学内容在课标中提出来了。科学探究的学习有两个方面,一方面是学生在自己的探究活动中学习怎样进行科学探究,另一方面是了解前人的探究活动,从中学习。基于后一种考虑,编者用了一些笔墨介绍黑体辐射和普朗克的量子论,这是展示科学过程的一个努力。

 

  在探究的过程中,科学猜想是最活跃的因素,它的提出往往是由于某些事物的启发,但是,科学猜想只是根据不完整的事实和不严格的推理得出的论断。普朗克为什么想到微观粒子的能量是量子化的?他当时的具体想法已经不重要了,重要的是这个假设的推论与事实相符。这是教学中要强调的一点。

 

要强调的另一点是,科学探究中的绝大多数猜想与假设都是无法直接验证的,只能由它按照逻辑推理得出可检验的推论,然后对推论进行检验。普朗克的量子论的建立是个十分典型的例子。

 

安排这段内容的目的还包括改变学生头脑中关于科学探究的简单化的模式。学生在过去的学习中已经形成了直接检验假设的模式,这在上面已经提及;另一个不正确的模式就是所谓的探究必须亲手做实验。普朗克提出量子论假设的过程中并没有做实验,但谁也不能说他的工作不是科学探究。我们说物理学是以实验为基础的,指的是,物理学的问题是从实验中提出来的,而假说、理论又要靠实验来检验。实验与理论(假说)的这种关系在普朗克量子论建立的过程中有典型的表现。科学课程中那种一步一个实验、学到的所有规律都要由实验直接验证(甚至都要由实验归纳出来)的做法是形式主义的。

 

  ●为什么要介绍康普顿效应?

 

  从初中物理学习磁场的时候开始,我们就告诉学生电磁场是一种物质。为什么电磁场是一种物质?它与通常理解的物质,例如水、石块有什么共性?这些都不涉及。所以,在此之前关于电磁场物质性的说法是口号式的。

 

各门科学课程的目标都包括了学生理性思维习惯和能力的培养,所以高中物理课程不能满足于口号式的说法。收音机能够收到电台的广播,这是因为电磁波在收音机的天线中激发了感应电流,所以我们说电磁波具有能量。康普顿效应能用动量守恒的关系来处理,表明电磁场不但具有能量而且具有动量。能量和动量是物质的最基本的属性,这与流动的水和飞行的石块是一样的,因此我们断定,电磁场也是一种物质。

 

物理课程像其他科学课程一样,不但要教给学生知识,而且要在科学态度、科学方法上起到教育作用,使他们成为尊重事实、善于思考的人。这些就是高中物理课程中安排康普顿效应的目的。

 

  ●能不能说教科书通过单缝衍射“推导”出了不确定性关系?

 

  教科书以单缝衍射为例对不确定性关系做了说明,目的是让学生对这个关系有些感性认识,不确定性关系不是从这里推导出来的。有些介绍微观物理学的书籍,恰恰以不确定性关系为基本原理,由此出发通过逻辑关系得到很多结论。在这样的逻辑体系中,基本原理就像平面几何中的公理,是不需要证明也无法证明的,它的正确性在于由它得到的所有推论都与事实相符。

 

  ●第5节中有一个小节“物理模型与物理现象”,这小节的目的是什么?

 

  这小节涉及一个根本性的问题:物理学研究的是什么?物理学研究的是客观世界的模型,而非世界本身。高中学生已经多次接触物理模型,质点、理想气体都是物理模型,“带电粒子在导体中的定向移动形成电流”,这个图景也是一种物理模型。同一个事物在不同的问题中的模型并不一样,这点学生已经习惯了,例如在研究地球的公转和自转时要用不同的模型。其实粒子的波粒二象性并不比地球这个例子更复杂,只是在我们的直接经验中找不出任何物体,它在某些情况下可以看做粒子,另一些情况下可以看做波,所以认识波粒二象性时有些困难。

 

  要注意的是,无论是谁,学到这里的时候都会联想到飞行的子弹和水面的波,但是微观粒子并不是飞行的子弹,也不是水面的波,二者只是粒子在一定条件下的模型。举个例子:服装店的假人是个模型,它在展示服装样式这方面可以起到与真人相同的作用,但它不是真人,在从其他方面研究“人”的时候就要用其他的模型。

 

第十八章  原子结构

 

  ●限于中学实验室的条件和学生的数学、物理学知识基础,学习本章时显然不能开展较多的探究活动,那么本章如何进行科学探究的教学?

 

  在中学物理课程中,学生可以通过自己的探究活动来学习科学探究,也可以通过前人的探究活动学习科学探究。编者针对这一章内容的特点,介绍人类怎样一步一步地深入认识了原子的结构,学生通过这段历史可以进一步了解科学探究的过程。

 

  教科书把人类认识原子结构的历程大致分为以下三个阶段,每个阶段都体现了科学探究的特点。

 

  第一阶段:发现电子,认识到原子内部也有结构。

 

教科书的线索如下。

 

发现阴极射线

阴极射线的本质──电磁辐射?带电微粒?

汤姆孙的实验(在电磁场中偏转)──阴极射线是带电微粒流

汤姆孙的实验(不同材料的阴极,不同的气体)──射线粒子的电荷与氢离子一样

对其他现象的研究(光电效应、热离子发射、β射线

电子是所有原子的组成部分

 

  第二阶段:推测原子中电荷的分布,认识到原子的核式结构。

 

教科书的线索如下。

 

汤姆孙的“枣糕”模型

α粒子散射实验否定

卢瑟福做出假设──核式结构模型

根据假设进行数学推理,得出各个方向散射粒子的比例

与实验事实对照,证实了假设

 

第三阶段:在对电子运动的研究中,经典电磁理论遇到了矛盾(原子的稳定性和原子光谱的分立特征),玻尔提出了新的观念。

 

教科书的线索如下。

 

经典电磁理论的矛盾

玻尔的新观念──轨道和能量的分立性

数学推理

与实验事实对照(氢光谱实验、弗兰克—赫兹实验)

玻尔模型的局限性

 

  人类逐步深入地认识微观世界的过程,体现了我们认识各种未知事物时的特点,它体现了理论(假说)与实践的关系。本章章首页右上方引用的密立根的话,就是为了强调科学研究中理论和实验的这种相辅相成的关系。

 

  ●气体放电与阴极射线有什么关系?

 

  气体放电是稀薄气体在强电场作用下电离从而导电的现象,而阴极射线并不需要气体的存在。气体放电时气体会发光,玻璃受到阴极射线的打击也会发光,但两种发光的现象和机理都不一样,教学中不要混淆。

 

历史上在研究气体放电时玻璃管的真空度越做越高,电极间的电压也越用越高,于是产生了阴极射线,最终导致电子的发现。

 

真空玻璃管的两个电极间加了上万伏的高电压,阴极就会有电子被“拉”出来,形成阴极射线。中学实验室中的阴极射线管就是这样的。如果在金属丝表面涂上某种物质,例如钡的氧化物,然后给它通电加热,达到几百摄氏度的时候也会发射电子,这时只要几百伏甚至几十伏的电压就能给电子加速。因此,各类书籍所画的阴极射线管内,有的阴极画出了“灯丝”,有的阴极则是一个金属圆盘,原因就在于此。

 

  ●第1节为什么要安排一个“科学足迹”栏目──“电子发现的前夜”?

 

  编者想传递这样一个信息:积累了足够的事实,甚至对事实做了一定的分析,也不见得能做出新的发现,科学的洞察力、思想的解放等都是重要的因素。科学研究是这样,其他工作以及日常生活也是这样。比较聪明的人和比较愚钝的人,差别就在于此。

 

  ●学生是否应该记住巴耳末公式并用来解题?

 

  不用记忆巴耳末公式。编者要扭转这样一个想法:课本中出现了某个公式就要用它来做数字计算。公式不用来计算还有什么用?在学习碰撞的时候我们已经体会到,可以从公式看出物理量之间的关系、可以看到物理量变化的趋势,等等。

 

如果由于害怕学生做计算题而回避巴耳末公式,由氢光谱的分立性到氢原子能量的分立性这个台阶就比较高。由于巴耳末公式中含有n,在玻尔理论的频率条件中也有n,两者之间产生某种联想就是很自然的了。第4节中的“思考与讨论”就是这个目的。善于做出这类联想,正是前面所说的科学的洞察力的一种表现。总之,教科书中安排巴耳末公式,是编者为落实三维课程目标所做的努力之一。

 

必要时也不妨用它来算一算,以便对讨论的对象有个数量级的感性认识。但这也不需要记忆公式,用的时候查一查就是了。至于考试,就完全没必要让学生用它进行计算了。

 

  ●如何处理本章的“思考与讨论”?

 

  本章的“思考与讨论”与全书一样,目的都是鼓励学生以独立思考为基础的学习方式。

 

  第1节的头一个“思考与讨论”,要求学生根据带电粒子在电磁场中的运动来判断电荷的正负;第二个则要导出比荷的表达式。第二个“思考与讨论”比较复杂,教科书把思路给出来了。这两个栏目虽然写在原子结构这一章,实际上应用的全是电磁学的基础知识,教学中可以把它当做习题课来处理。编者一贯的指导思想是,紧抓基础不放,但基础知识要在真实的、有意义的情境中学习。

 

  第2节的“思考与讨论”请学生考虑物质内的电子和正电荷对α粒子运动的影响,用到的也是基础知识──力学知识,不过没有什么难度。

 

  第3节的“思考与讨论”需要的不是雄厚的基础知识,而是“悟性”,即把不同的事实联系起来的能力,一开始的时候,这种联系往往是非逻辑的,但却是创造性的。好在这里的要求不高,教师可以视学生的情况给出不同程度的提示。与前面几个“思考与讨论”不同,编者安排这个栏目的目的不是复习原来的知识,而是让学生对科学探究中的这种“悟性”(这个词不必说给学生)有些新的体验。

 

  ●本章末的STS栏目“从量子力学的诞生看科学技术与社会”与上章末的“科学漫步”栏目“量子力学”有什么不同?

 

  上章末的“量子力学”简要介绍了什么是量子力学、量子力学的建立过程,局限在物理学本身和物理学史的范畴之内,而且是以客观陈述的风格编写的。

 

本章末的“从量子力学的诞生看科学技术与社会”侧重从科学技术与社会的关系的角度,来看量子力学诞生的时代背景,以及量子力学的诞生对科学技术和社会的影响。突出科学技术与社会的关系,这是本书的一个特点。从文字风格上看,这个栏目不仅是陈述,它有很强的评论的色彩。

 

第十九章  原子核

 

  ●是否要求学生利用半衰期进行计算?

 

  不做计算不能真正了解什么是半衰期。但是计算要以学习概念为目的。例如可以问:某核素的半衰期是5天,经过多少天后20 g的这种核素还剩1.25 g?这样的计算不用公式,从定义出发,而且只做整数倍数的计算。

 

  ●为什么教科书要引入“原子核中质子与中子的比例”这个问题?

 

  一项新知识,如果不去应用那是学不好的。过去在高中物理里核力性质的学习完全是单向的,是由教师告诉学生的,没有什么事实引导学生猜想这些性质,也没有什么事实让学生用这些性质去解释。“原子核中质子与中子的比例”的问题要求学生应用核力的特点解释一个自然现象,通过应用来进一步学习核力。出于这样的目的,课程标准要求“能简单解释轻核与重核内中子数、质子数具有不同比例的原因。”

 

苗元秀,人教版《选修3-5》责任编辑。

    
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