高中物理教材中的普遍性錯(cuò)誤Ⅰ：忽視物質(zhì)的存在①
——以人教版高中物理教材為例

陳敏華

(浙江省紹興市柯橋區(qū)鑒湖中學(xué)，紹興 312031)

高中物理教材中的普遍性錯(cuò)誤Ⅰ：忽視物質(zhì)的存在①
——以人教版高中物理教材為例

陳敏華

(浙江省紹興市柯橋區(qū)鑒湖中學(xué)，紹興 312031)

通過(guò)對(duì)物質(zhì)、性質(zhì)和物理量三者關(guān)系的辨析，我們系統(tǒng)地透視了我國(guó)現(xiàn)行的高中物理教材，發(fā)現(xiàn)存在三大類(lèi)常見(jiàn)錯(cuò)誤：忽視物質(zhì)的存在、等同物質(zhì)和物理量、誤解守恒和不守恒定律.本篇重點(diǎn)闡述第一類(lèi)常見(jiàn)錯(cuò)誤.

物質(zhì) 性質(zhì) 物理量 高中物理教材

通常人們認(rèn)為，物理學(xué)是研究物質(zhì)(substance)的.然而，在物理學(xué)中我們是以物理量(physical quantity)為工具(tool)的；一個(gè)物理量只能從某一角度描述物質(zhì)的性質(zhì)(property)，無(wú)法窮盡物質(zhì)的所有性質(zhì).從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，物理學(xué)是無(wú)法直接研究物質(zhì)的，而是研究物質(zhì)的性質(zhì)的.比如，運(yùn)動(dòng)(motion)是物質(zhì)的一種性質(zhì).正如基爾霍夫所說(shuō)，力學(xué)的研究對(duì)象是運(yùn)動(dòng)[1].這樣，力學(xué)中的所有物理量都是從不同的角度來(lái)描述運(yùn)動(dòng)這一性質(zhì)的.同樣，電學(xué)的研究對(duì)象是電(electricity)這種性質(zhì).正如電荷是描述電這種性質(zhì)多少的物理量，動(dòng)量是描述運(yùn)動(dòng)這種性質(zhì)多少的物理量；正如電容是描述容納電荷本領(lǐng)的物理量，質(zhì)量是描述容納運(yùn)動(dòng)本領(lǐng)的物理量(即慣性)；正如電勢(shì)是描述電荷集中程度的物理量，速度是描述動(dòng)量集中程度的物理量；正如電流是描述單位時(shí)間流入系統(tǒng)邊界的電荷，力是描述單位時(shí)間通過(guò)系統(tǒng)邊界的動(dòng)量；等等.同樣，熱學(xué)的研究對(duì)象是熱(heat)這種性質(zhì)，溫度、熵和熵流等物理量是從不同的角度描述熱這種性質(zhì)的物理量.

物質(zhì)、性質(zhì)和物理量之間的這一關(guān)系像一個(gè)透鏡，可以幫助我們透視現(xiàn)行物理教材，從中找出一些不足之處.我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行高中物理教材中至少存在以下三方面的不足：(1)忽視物質(zhì)的存在，(2)等同物質(zhì)和物理量，(3)誤解守恒和不守恒定律.我們以人民教育出版社出版的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理》必修1、2和選修3-1、3-2、3-3、3-4、3-5(2010年版)為例，列出相應(yīng)的不足之處；對(duì)每一主題提出教材中的不足，分析其原因，提出修改建議.我們發(fā)現(xiàn)，這些問(wèn)題帶有一定的普遍性，在其他高中物理教材中也存在.

本文分析了第一方面的不足之處.教材中忽視物質(zhì)存在的現(xiàn)象主要表現(xiàn)在忽視場(chǎng)的存在.這是超距作用(action-at-a-distance)這一錯(cuò)誤觀點(diǎn)遺留下來(lái)的痕跡.牛頓有一句名言：“我不杜撰假說(shuō)(Hypotheses non fingo).”牛頓當(dāng)時(shí)對(duì)地球和月球之間的局域情況了解不足，不知道地球和月球之間的這個(gè)系統(tǒng)就是我們今天叫作引力場(chǎng)的物質(zhì).這樣，超距作用這一錯(cuò)誤觀點(diǎn)可以從牛頓時(shí)代以來(lái)的所有物理教科書(shū)中找到.在我國(guó)現(xiàn)行高中物理教材中，在力學(xué)中幾乎不引入引力場(chǎng)這一概念，即使在電磁學(xué)中引入了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的概念，仍消除不了忽視電場(chǎng)和磁場(chǎng)的超距作用痕跡.

忽視場(chǎng)的存在的現(xiàn)象在物理教育中所帶來(lái)的后果是嚴(yán)重的.在物理教育中，如果我們忽視場(chǎng)的存在，我們?nèi)绾蜗驅(qū)W生講清相關(guān)物理量是描述場(chǎng)的性質(zhì)的呢？

一、忽視引力場(chǎng)的存在

1.物理必修2，第66頁(yè)

主題：重力勢(shì)能.

不足

嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，重力勢(shì)能是地球與物體所組成的物體系統(tǒng)所共有的，而不是地球上的物體單獨(dú)具有的.

既然嚴(yán)格地要這樣說(shuō)，為何要不嚴(yán)格地那樣說(shuō)？難道我們要給學(xué)生以物理學(xué)是不嚴(yán)格的印象嗎？

況且，這樣說(shuō)也并不嚴(yán)格.如果說(shuō)重力勢(shì)能是地球與物體共有的，那么，地球和物體各占多少比例？這個(gè)比例如何計(jì)算？

分析

勢(shì)能這一概念產(chǎn)生于1890年以前，當(dāng)時(shí)人們還沒(méi)有意識(shí)到能量可以局域地分布.[2]將重力勢(shì)能指向地球上的物體，帶有超距作用的觀念，因?yàn)樵谶@里仍然把地球和物體作為系統(tǒng)，沒(méi)有把引力場(chǎng)包括在內(nèi).

我們通常討論地球引力場(chǎng)中的一個(gè)小物體的勢(shì)能，如蘋(píng)果落地的情況.在這一過(guò)程中，蘋(píng)果“獲得”了動(dòng)量，而地球“失去”了動(dòng)量；引力場(chǎng)的動(dòng)量幾乎等于零，沒(méi)有參與動(dòng)量的交換.對(duì)于能量，這時(shí)情況就不一樣了.地球的動(dòng)能沒(méi)有變化(因?yàn)榈厍虻馁|(zhì)量比蘋(píng)果的大得多).蘋(píng)果所獲得的能量并不來(lái)自地球，而來(lái)自引力場(chǎng).

如果地球和小物體用彈簧(而不是引力場(chǎng))連接，情況也是這樣.在這里，動(dòng)量也在地球和小物體之間交換，而能量在小物體和彈簧之間交換.

我們用水平放置的彈簧振子為例來(lái)證明上面這一結(jié)論.

圖1表示兩個(gè)在氣墊導(dǎo)軌上的物體和彈簧組成一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng).當(dāng)它們振動(dòng)時(shí)，動(dòng)量在A，B之間流動(dòng)(圖2)，能量在彈簧和A，B之間流動(dòng)(圖3).[3]2-5

圖1 兩個(gè)在氣墊導(dǎo)軌上的物體和彈簧組成一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)(此圖引自參考文獻(xiàn)3)

圖2 動(dòng)量在物體A和B之間來(lái)回流動(dòng)(此圖引自參考文獻(xiàn)3)

圖4所示的裝置是由圖1所示的裝置改進(jìn)的.因?yàn)樽筮叺奈矬w固定在導(dǎo)軌上，所以這個(gè)裝置相當(dāng)于將物體A換成了質(zhì)量很大的地球(因?yàn)樽筮叺奈矬w實(shí)際上是與地球相連的).這樣，在物體B的振動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)量在物體B和地球之間來(lái)回流動(dòng)，見(jiàn)圖5(a).同樣，能量的流動(dòng)仍按圖3所示的規(guī)律進(jìn)行，只不過(guò)現(xiàn)在將A換成了地球.

圖3 能量在物體和彈簧之間來(lái)回流動(dòng)(此圖引自參考文獻(xiàn)3)

圖4 將圖1中的其中一個(gè)物體換成地球(此圖引自參考文獻(xiàn)3)

圖5 物體B與地球之間動(dòng)量、能量流動(dòng)示意(此圖引自參考文獻(xiàn)3)

現(xiàn)在，我們應(yīng)用下面的公式來(lái)分析這個(gè)裝置中能量流動(dòng)的特殊性.我們來(lái)求地球和物體B所含的能量的比例.

因?yàn)榱魅牖蛄鞒龅厍虻膭?dòng)量總是等于流出或流入B的動(dòng)量，即

可見(jiàn)，地球和物體B之間的能量與質(zhì)量成反比.由于地球的質(zhì)量遠(yuǎn)大于物體B的質(zhì)量，因此，在振動(dòng)過(guò)程中地球得到的能量如此之小，以至于我們可以不考慮它.所以，我們可以說(shuō)，能量只在B和彈簧之間來(lái)回流動(dòng)，見(jiàn)圖5(b).

不向?qū)W生交待引力場(chǎng)的存在，不向?qū)W生講清引力勢(shì)能分布在引力場(chǎng)中，等于在向?qū)W生傳達(dá)超距作用的錯(cuò)誤觀點(diǎn).在這種觀點(diǎn)指導(dǎo)下，學(xué)生不但不能理解經(jīng)典物理學(xué)的知識(shí)，更難理解現(xiàn)代物理學(xué)的知識(shí).比如，如果認(rèn)為重力勢(shì)能是物體具有的，那么我們?nèi)绾巫寣W(xué)生今后在學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)時(shí)理解“紅移”這種現(xiàn)象(光遠(yuǎn)離強(qiáng)引力場(chǎng)時(shí)由于能量的減小而頻率減小的現(xiàn)象)？

建議

避免說(shuō)一個(gè)物體的勢(shì)能.盡早引入引力場(chǎng)這一概念，并把它作為系統(tǒng)的第三部分.將重力勢(shì)能改名為引力勢(shì)能，并明確地向?qū)W生指出，引力勢(shì)能局域地分布在引力場(chǎng)中.

2.物理選修3-4，第2，13頁(yè)

主題：振動(dòng)系統(tǒng)的組成.

不足

對(duì)于彈簧振子的組成，教材是這樣說(shuō)的：

彈簧振子是小球和彈簧所組成的系統(tǒng)的名稱……

彈簧的下端懸掛一個(gè)鋼球，上端固定，它們組成了一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng).

上面第一句話指水平放置的彈簧振子，第二句話指豎直懸掛的彈簧振子.顯然，這兩句話表明這兩種彈簧振子都是由彈簧和小球組成的.

對(duì)于單擺的組成，教材是這樣說(shuō)的：

……如果細(xì)線的質(zhì)量與小球相比可以忽略；球的直徑與線的長(zhǎng)度相比也可以忽略，這樣的裝置就叫作單擺……

雖然教材沒(méi)有明確指出單擺的振動(dòng)系統(tǒng)是由什么組成的，但從這里可以看出，它指的就是細(xì)線和擺球.

分析

機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)組成的界定標(biāo)準(zhǔn)是什么？在機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)中，周期性地來(lái)回流動(dòng)的動(dòng)量和能量的所到之處都是這個(gè)系統(tǒng)的組成部分.通過(guò)分析我們可以得出結(jié)論：地球是振動(dòng)系統(tǒng)的一部分[3]4-5.對(duì)于水平放置的彈簧振子，彈簧、物體和地球是這個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的組成；動(dòng)量在物體和地球之間通過(guò)彈簧周期性地來(lái)回流動(dòng)，能量在物體和彈簧之間周期性地來(lái)回流動(dòng).對(duì)于豎直懸掛的彈簧振子，彈簧、物體、地球和地球周?chē)囊?chǎng)是這個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的組成；動(dòng)量在物體、地球和引力場(chǎng)之間周期性地來(lái)回流動(dòng)，能量在物體、彈簧和引力場(chǎng)之間周期性地來(lái)回流動(dòng)；對(duì)于單擺，擺線、擺球、地球和地球周?chē)囊?chǎng)是這個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的組成，動(dòng)量在擺球、地球和引力場(chǎng)之間周期性地來(lái)回流動(dòng)，能量在擺球和引力場(chǎng)之間周期性地來(lái)回流動(dòng).

當(dāng)我們問(wèn)學(xué)生(甚至是物理教師)：“做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物體受到的回復(fù)力是內(nèi)力還是外力？”時(shí)，由于他們不清楚簡(jiǎn)諧振動(dòng)系統(tǒng)的組成，所以都把它當(dāng)作外力.其實(shí)，對(duì)于振動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，回復(fù)力是內(nèi)力.弄清楚這一點(diǎn)，在教學(xué)上可以幫助學(xué)生辨別固有振動(dòng)、阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)這些概念.固有振動(dòng)是振動(dòng)系統(tǒng)不受外力作用時(shí)的振動(dòng)，所以又叫自由振動(dòng).阻尼振動(dòng)是振動(dòng)系統(tǒng)受外界阻力時(shí)的振動(dòng).受迫振動(dòng)是振動(dòng)系統(tǒng)受周期性變化的外力作用時(shí)的振動(dòng)；當(dāng)外力的變化頻率與振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率相等時(shí)就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象.自激振動(dòng)是振動(dòng)系統(tǒng)在恒定的外力作用下的振動(dòng)；電鈴和鐘擺的振動(dòng)就是自激振動(dòng)，而不是受迫振動(dòng).

顯然，正確地界定振動(dòng)系統(tǒng)的邊界，對(duì)于學(xué)生正確理解振動(dòng)的本質(zhì)和掌握相關(guān)概念都是非常重要的.

建議

對(duì)于彈簧振子，我們應(yīng)該先讓學(xué)生運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過(guò)的力學(xué)知識(shí)分析由兩個(gè)物體和一個(gè)彈簧組成的振動(dòng)系統(tǒng)(如圖1)，并用氣墊導(dǎo)軌來(lái)演示分析的結(jié)果.

通過(guò)分析，我們最后可以得出結(jié)論：兩個(gè)物體相互作用時(shí)，如果一個(gè)物體的質(zhì)量比另一個(gè)物體的質(zhì)量大得多，那么兩個(gè)物體之間有動(dòng)量來(lái)回流動(dòng)，但沒(méi)有能量流動(dòng).因此，彈簧振子實(shí)質(zhì)上也是由兩個(gè)物體和一個(gè)彈簧組成的振動(dòng)系統(tǒng)，只不過(guò)其中一個(gè)物體是質(zhì)量比另一個(gè)物體大得多的地球.

對(duì)于單擺，我們首先要告訴學(xué)生，單擺的振動(dòng)看上去是二維運(yùn)動(dòng)，但如果我們把擺角限定在很小的值，它可以被近似地看成一維運(yùn)動(dòng)；這時(shí)，擺球的動(dòng)量的豎直分量比水平分量小得多，擺球的水平動(dòng)量按正弦規(guī)律變化.然后，我們可以給學(xué)生演示如圖6所示的現(xiàn)象[3]11.這個(gè)現(xiàn)象告訴我們，當(dāng)擺球振動(dòng)時(shí)，小車(chē)也來(lái)回運(yùn)動(dòng)，而且總是與擺球運(yùn)動(dòng)的方向相反.這表明水平動(dòng)量在擺球和小車(chē)之間來(lái)回流動(dòng).如果把單擺安裝在地面上，水平動(dòng)量將在擺球和地球之間來(lái)回流動(dòng).

圖6 動(dòng)量在擺球和小車(chē)之間來(lái)回流動(dòng)(此圖引自參考文獻(xiàn)3)

我們還應(yīng)該從能量流動(dòng)的角度來(lái)幫助學(xué)生分析單擺的振動(dòng)過(guò)程.要使單擺振動(dòng)，我們必須先把物體提高到一定的高度.這樣，我們實(shí)際上把能量?jī)?chǔ)存到了引力場(chǎng)中.把擺球放掉后，它就開(kāi)始運(yùn)動(dòng)起來(lái).剛開(kāi)始時(shí)，它的高度越來(lái)越小，而速度越來(lái)越大.擺球到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)，它的速度達(dá)到最大.擺球過(guò)了最低點(diǎn)后，它的速度越來(lái)越小，能量又從擺球流回到引力場(chǎng).因此，引力場(chǎng)和擺球是兩個(gè)儲(chǔ)能器.

由此，我們可以告訴學(xué)生：?jiǎn)螖[這個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)由擺球、擺線、地球和地球周?chē)囊?chǎng)組成.

二、忽視電場(chǎng)的存在

1.物理選修3-1，第10頁(yè)

主題：“電荷”間的相互作用.

不足

電荷A對(duì)電荷B的作用力，就是電荷A的電場(chǎng)對(duì)電荷B的作用；電荷B對(duì)電荷A的作用力，就是電荷B的電場(chǎng)對(duì)電荷A的作用.

分析

這里的“電荷”應(yīng)理解為帶電體.實(shí)際上，帶電體A和B受到的是它們共同的電場(chǎng)的作用.實(shí)驗(yàn)表明，在電場(chǎng)線的方向上，電場(chǎng)處于拉伸狀態(tài)；在等勢(shì)面的方向上，電場(chǎng)處于壓縮狀態(tài).由于電場(chǎng)線與帶電體直接相連(等勢(shì)面則不是)，帶電體是被周?chē)碾妶?chǎng)拉著的；兩個(gè)同種帶電體是被它們周?chē)碾妶?chǎng)拉開(kāi)的，兩個(gè)異種帶電體是被它們周?chē)碾妶?chǎng)拉攏的.[5]

建議

不要說(shuō)“電荷”的相互作用.告訴學(xué)生，兩個(gè)同種帶電體是被它們周?chē)碾妶?chǎng)拉開(kāi)的，兩個(gè)異種帶電體是被它們周?chē)碾妶?chǎng)拉攏的.

2.物理選修3-1，第25頁(yè)

主題：導(dǎo)體上的電荷分布.

不足

一支縫衣針，帶電后由于同種電荷相互推斥，電荷自然要被“擠”到針的兩端.

分析

這里的“電荷”應(yīng)理解為自由電子.實(shí)際上，導(dǎo)體內(nèi)沒(méi)有電場(chǎng)；“電荷”不是相互擠到針的兩端的，而是被針周?chē)碾妶?chǎng)拉開(kāi)的.

建議

應(yīng)始終將電場(chǎng)當(dāng)成物質(zhì)來(lái)看待，以徹底拋棄超距作用這一錯(cuò)誤觀點(diǎn).告訴學(xué)生，在電場(chǎng)線的方向上電場(chǎng)拉著帶電體.

3.物理選修3-1，第26頁(yè)

主題：靜電平衡.

不足

只指出導(dǎo)體受電場(chǎng)的影響，而沒(méi)有指出導(dǎo)體對(duì)電場(chǎng)的影響.教材中的圖1.7-5(圖7)告訴我們，電場(chǎng)線的分布由于導(dǎo)體的放入而發(fā)生了變化.可是，教材沒(méi)有把這一影響指出來(lái).

圖7 人教版物理3-1第7節(jié)圖1.7-5

分析

其實(shí)，導(dǎo)體在被放入電場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體受到了電場(chǎng)的影響，同時(shí)電場(chǎng)也受到了導(dǎo)體的影響.

建議

用電場(chǎng)線和等勢(shì)面的圖(圖8)來(lái)向?qū)W生指出電場(chǎng)受到放入其中的導(dǎo)體的影響.[4]

圖8 放入導(dǎo)體球后，電場(chǎng)發(fā)生了變化.圖中深色的線表示電場(chǎng)線，淺色的表示等勢(shì)面(此圖引自參考文獻(xiàn)4)

圖7最好換成用相應(yīng)的軟件(如Fieldlab)畫(huà)成的電場(chǎng)線(圖9).

圖9 正方形導(dǎo)體對(duì)電場(chǎng)的影響(此圖由F. Herrmann和Michael Pohlig提供)

4.物理選修3-1，第27頁(yè)

主題：靜電屏蔽.

不足

實(shí)現(xiàn)靜電屏蔽不一定要用密封的金屬容器，金屬網(wǎng)也能起到屏蔽作用.

分析

在談到金屬網(wǎng)的屏蔽作用時(shí)，教材只字不提網(wǎng)孔周?chē)碾妶?chǎng).

建議

告訴學(xué)生，網(wǎng)孔周?chē)碾妶?chǎng)“堵住”了外界電場(chǎng)進(jìn)入網(wǎng)罩內(nèi).

[1]恩斯特·馬赫. 科學(xué)與哲學(xué)講演錄[M]. 龐曉光，李醒民，譯.北京：商務(wù)印書(shū)館，2013:203.

[2]Herrmann F, Job G.物理學(xué)的歷史負(fù)擔(dān)[M]. 陳敏華，譯. 上海：上海教育出版社，2014：24-25.

[3]Herrmann F.波動(dòng)與信息[M]. 陳敏華改編. 上海：上海教育出版社，2009.

[4]Herrmann F. Der Karlsruher Physikkurs·Elektrod ynamik[M]. K?ln: Aulis Verlag Deubner & Co KG, 2002：32.

[5]Herrmann F. Energy Density and Stress: A New Approach to Teaching Electromagnetism[J].Am.J.Phys.1989(57)：707-714.

(責(zé)任編輯：余娟平)

① 本文系作者主持的浙江省教科規(guī)劃2013年重點(diǎn)研究課題“傳統(tǒng)物理課程的不足之研究：課程考古學(xué)的方法”(SB067)的研究成果之一．