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课程标准高中物理教科书(人教版)选修3-1编写思想人民教育出版社物理室 张颖 张颖，人教版选修3-1责任编辑。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。本文通过问答的形式，以选修3-1中的实例对编写思想做些说明。 第一章 静电场 为什么把电荷守恒定律单列一节？ 各种守恒定律都是物理学的基本定律，它们不是在盲目摸索中得来的副产品，它是物理学家追求的目标。新教科书突出了守恒的思想，例如，力学中学习功和能的时候就是从“追寻守恒量”开始的。这里把电荷守恒定律作为一节，目的就在于此。 过去常把摩擦起电和感应起电作为单独的两个知识点来处理，新书中它们从属于电荷守恒定律。编者要通过对这两个现象的分析，使学生想到：电荷可能是守恒的。 对于元电荷的概念，最重要的是把握电荷量子化的思想，这是学生第一次接触“量子化”，要为以后的学习做铺垫。 静电计与验电器有什么区别？ 这章的第1节给出了验电器和静电计的照片。静电计实际上就是具有导电外壳的验电器。静电计的外壳与中间的金属杆构成了一个电容器，它们是电容器的两个极板。与验电器一样，指针（或金属箔）张开的大小表示带电的多少；对于电容器来说，带电多少正比于两板的电势差，所以当它们分别与两个导体相连时，可以由静电计指针的张角判断它们的电势差。外壳是否接地对于显示电势差没有影响，但有时可以增加实验现象的稳定性。 由于静电计这个“电容器”的两个极板太简陋，受外界影响太大，极板间的电势差与板上电荷量的关系比较复杂，所以静电计只能用来定性地估计电势差。 为什么没有说“库仑定律是由大量实验归纳得到的”？ 科学定律的建立需要实验事实，也需要归纳，但不一定符合“大量数据归纳结论”这样简单的模式。科学家以广泛的知识和深刻的洞察力为基础进行的猜想，才是最有创造力的思维活动。 在18世纪中叶，库仑定律发现的前夕，对万有引力的研究已经相当深入，人们已经知道了反平方力的各种表现，例如，把质点放到均匀物质球壳中的任何一点，球壳对它的引力都是零。18世纪60年代，富兰克林做了一个实验：把一个带电的软木球吊在带电的罐头盒中，软木球不受任何力的作用。另一位物理学家爱普里斯特利据此猜测静电力也与万有引力一样具有反平方的性质。这里只能说是猜测，因为实验条件并不一样：罐头盒并不是均匀带电的球壳。在此同时，还有其他人由于不同事实的启发，也在推测静电力的反平方规律。 库仑是在这样的背景下进行他的扭秤实验的。也就是说，实验前他已经对结果有了预测。现代人看他的原始资料，实验数据与反平方规律之间有很大的差距，根据这样的数据写出静电力的表达式，的确需要“勇气”。 出于这样的考虑，教科书用的语言是，库仑“通过研究确认”了现在周知的库仑定律。 为什么本章没有强调电场的物质性？ 以现代物理学的观点看，场是一种物质，但以数学的观点看，如果某量是空间各点的函数，这个空间也可以定义为一个场。例如，某空间区域的各点都对应一个矢量，那么这个空间就是一个矢量场。这个矢量场可以不涉及任何物质实体。 定义电场的思路是这样的：在一个电荷附近的任何一点，检验电荷会受力，力与电荷量的比值与电荷量无关，说明比值反映了空间的某种性质，于是就定义了电场。这样定义的电场，可能是一种物质实体，也可能根本就是一个数学工具，我们无法区分。因此，在这里可以提一提电场的物质性，不必强调。我们没有说服学生的理由，过于强求反而给人不说理的印象。只有在变化的电磁场中，也就是在研究了电磁波的能量流动，特别是研究了电磁波的动量之后，我们才有充分的理由说，电磁场是一种物质。 第三章关于磁场的物质性也是这样处理的。 为什么要讨论静电力做功的特点？ 各种势能都是空间点的函数，即一个点对应一个确定的值，如果做不到，就不可能定义某种势能。例如，在有摩擦的平面上把一个物体从基点O移到某点A，沿不同路径运动时摩擦力做的功不一样，这种情况下就不能在A点定义所谓的“摩擦势能”。分析某种力做功的特点，就能知道是否“一个点对应一个确定的（势能）值”。强调这些，目的是使学生对于势能有个清晰的认识。学习重力势能时教科书这样做了，学习电势能时还要这样做。教科书在这里以自己的行动渗透了科学态度的教育：说话、做事要讲道理，要合乎逻辑。 有这样一个疑问：分析静电力做功的特点要用掉一些时间，尽管这样有利于科学方法和科学态度的教育，但是会不会影响学生解题的训练？其实两者可以兼顾。分析做功特点时的主要运算是功的计算，还有就是“用不变的量代替变化的量”的方法。这些都是解题所需要的非常基本的技能，教学时不仅要想着目标得到做功与路径无关的结论；更要想着过程功的计算。 为什么按电势能电势电势差的逻辑关系展开教学？ 新教科书要突出科学思想，其中重要的一条是通过做功研究能量。分析了静电力做的功之后马上就会自然地得到电势能的概念，随后，由于电势能与检验电荷成正比，于是又得到了电势和电势差先学电势差则不便于落实“通过做功研究能量”的思想。 还有一个原因。对于现代的高中学生，能量已经是熟知的概念，电势和电势差则相对抽象，先学电势能再学电势差也符合从具体到抽象的原则。 电势能作为能量家族的新成员，不仅丰富了对能量概念的认识，而且为电现象与其他现象之间的联系提供了沟通的渠道。后面讲到的非静电力对电荷做功与电势能的转化就是一例。 由极板面积S和极板间的距离d计算平行板电容器电容的两个公式和应该要求到什么程度？ 在科学技术工作中，公式的作用不只是用来计算，它也用来反映物理量之间的关系，包括定性的关系。这两个公式在教科书中正是起这样的作用。影响电容的几个因素的不同作用，通过公式可以一目了然。课程标准没有要求这两个公式，教科书也没有这方面的练习题，不必让学生记忆，也不必利用它们进行运算。 怎样处理“做一做”栏目中“用传感器观察电容器的充电和放电”这类实验？ 师生可以自行决定是否学习“做一做”和“说一说”栏目中的内容。如果跳过去，对后续学习没有直接的影响。 用传感器做实验，这是一个方向，教科书写入这些内容，表示编者的导向。由于各校和各位老师的情况不同，编者没有把它们当做必学内容。但是，应该尽量创造条件做一两个这样的实验，至少可以在学生的兴趣小组中试做。第二章 恒定电流 为什么要引入“稳恒电场”的概念？ 关于自由电荷在导体中做定向移动的原因，过去教学时总是说“导体中有了电场（于是）自由电荷发生定向运动”，没有更多的话。这段解释是正确的，但是实际教学中学生常问：导体中的电场不是为零吗，怎么又有了电场？当然，“导体中电场为零”是有条件的静电平衡，不过学生的印象并不深刻，因为我们从来没有处理过静电不平衡的情况。如果稀里糊涂地过去，对于学习恒定电流这个知识点没有多大妨碍，但却有悖于“物理要说理”这个科学态度教育的原则。因此，教科书在这里往前走了一小步：有恒定电流存在时，电源两极和导体内的不同位置有电荷的堆积，使得导体内的电场不是零；但这些电荷的分布是不随时间变化的，因而电场也不随时间变化，这个电场（恒定电场）的规律与静电场相同。关于恒定电场，学生知道这些就足够了，不必分析导体内电荷分布的具体情况，也不必分析电荷分布达到平衡的过程。让学生具体知道哪些问题有待将来解决是有益的，我们的教学不只为学生解惑，也要使学生更多地存疑。 为什么要从功和能的角度学习电动势的概念？ 在过去的教学中我们说：“电源两极间电压的大小是由电源本身的性质决定的，为了表征电源的这种特性，物理学中引入了电动势的概念”，就这样把电动势的概念直接交给了学生。从学知识的角度看，这样做的确比较简洁，但却不能利用电源这个素材再一次强化“通过做功研究能量”的思想，而这点正是编者十分看重的，是科学方法教育的体现。物理课程要使学生养成理性思维的习惯（价值观的教育），凡是能讲理的都要讲。这并非是要求学生能够重复教科书的论述，而是让学生感受说理的过程。教科书从非静电力做功出发学习电动势的概念，体现了“说理”这个科学态度。“经历科学过程”的形式是多种多样的：学生可以通过讨论或实验认识新的规律，可以通过阅读来了解前人的工作过程跟着教师的思路一环套一环地接受新的概念，也是经历科学过程的一种形式。这样做的要求是不是比原来高了一些？是的。是不是比原来难了一些？不是。难与不难主要不在于知识的高度，而在于台阶的大小。教科书是这样为电动势的学习搭出台阶的：电源能维持电荷的流动是因为它具有把正电荷从负极经电源内部搬运到正极的能力正负极堆积着正负电荷，所以电源内部存在着由正极指向负极的静电场要把正电荷从负极搬运到正极就要克服静电场对电荷的作用力一定存在着“非静电力”，它像个“搬运工”即使是把相同的电荷量从负极移到正极，非静电力在不同的电源中做的功也不一样就像把相同的重物从一楼搬上二楼，人力做的功不一样（层高不同）看来非静电力对电荷做的功与电荷的比值有特殊意义（相当于楼房的层高）定义为电动势 学生理解以上第一至四行和第六行都不会有困难；至于第五行，可以根据学生的具体情况，决定是否利用搬物上楼的比喻。 以这样的方法引入电动势，的确要比直接给出一个名词费些时间，但这是值得的，因为这里体现的是物理学的基本思想通过做功研究能量的思想、用比值定义物理量的思想。不仅如此，这样的学习还有助于建立闭合电路中电荷运动的图景，有助于科学价值观的树立。从机械的练习中分出少量时间来经历这个过程，是在打基础，对于学好物理，提高分析问题和解决问题的能力，有根本性的帮助。 在用图象研究电流与电压的关系时，横坐标和纵坐标各应是哪个物理量？ 原则上讲，用图象表示两个物理量的函数关系时，横坐标、纵坐标各表示哪个量都可以。至于平时所说的“伏安特性曲线”，习惯上用横坐标表示电压。但是，新教科书中有些变通。书中引入欧姆定律的思路是这样的：演示实验电压与电流成正比斜率反映了导体对电流的阻碍作用定义电阻。这段教学中，如果按习惯以电压为横坐标、电流为纵坐标，图象的斜率是电阻的倒数，解释起来麻烦一些。所以，教科书用图象表示演示实验的结论时，以电流为横坐标、电压为纵坐标；而在接下来的伏安特性的学习中又按习惯将横坐标、纵坐标分别表示电压、电流。为了让学生注意这个差别，图2.3-2和2.3-3之间加了一个旁批做些说明。 为什么不从实验引入串联电路和并联电路的电流、电压的关系？ 初中物理教科书也涉及串联电路和并联电路的电流、电压的关系，那是通过实验总结出来的。这套高中物理教科书以此为基础上了一个台阶：根据电荷守恒的思想，分别得出串联电路和并联电路中各点的电流的关系；又根据各点电势的关系，分别得出两种电路中的电压关系。 教科书这样做的目的是使学生体会到，各个概念、规律都靠逻辑关系联系着，物理学是一个自恰的体系。编者还考虑到，在初中物理及其他科学课程的学习中，关于科学认识的过程，学生往往形成一个图景，那就是“实验科学规律、实验科学规律”而实际的图景比这复杂得多：人们以事实为基础，总是力图找出尽量少的几个基本原理，再从这几个基本原理通过逻辑关系解释已知的事实（包括已知的科学定律）和预言未知的事实。不仅科学研究是这样，日常生活中也是这样。所找到的基本原理是否正确，所建立的逻辑网是否合适，则靠其后的事实来检验。这就是所谓的公理化体系。 编者的这些努力，同样出于落实科学过程教育的考虑。 为什么不从实验引入焦耳定律？ 理由同上。除此之外，这里还想再一次突出功能关系的思想。电表的改装应该要求到什么程度？电表的改装不应该做为一个独立的知识点来处理。编写教科书时的着眼点在于通过电表的改装来复习欧姆定律，教学时也应有这样的考虑，可以把它做为欧姆定律的应用来处理，与习题课有些相似。第4节的练习题3涉及测电阻时电压表的内接和外接的问题，是否要求太高？ 如果把电压表的内接、外接也做为一个知识点让学生记忆，那么该记的东西就太多了。教科书在这里是把它做为欧姆定律在新情境下的应用来处理的。教学的着眼点应该在于基本规律的练习，绝对不要让学生记忆情况下应该内接、情况下应该外接。 高中物理的电学是否要求掌握混联电路？ “混联电路”不是一个规范的科学名词，历次教学大纲和课程标准以及历年的教科书中都没有这个名词。无论初中还是高中，如果出现多个电阻而且有的电阻之间相互串联、有的电阻之间相互并联，我们都要首先在最低层次上考虑两个（或多个）电阻单纯的并联或单纯的串联；然后把它们当成一个整体，再考虑与其他电阻的关系。这时我们应用的仍然是最基本、最单纯的串联和并联的规律。不存在所谓的混联的规律。 电阻定律的教学是怎样体现科学探究精神的？ 课程标准要求“探究决定导线电阻的因素”。教科书提供了两个探究方案，一个是通过实验分别研究长度、横截面积、导体材料三个因素的影响；另一个是先通过逻辑分析研究长度、横截面积的影响，然后通过实验研究导体材料的影响。提供不同的实验方案，这是新教科书从必修开始就做的努力，而第二个方案中的逻辑分析则表明科学探究并不等于做实验。 为什么欧姆表原理的讨论比过去更深入？ 对于欧姆表的原理，教科书的篇幅比过去多一些，但并不要求学生能够回答“中值电阻是怎么回事”“表盘刻度为什么不均匀”等等这类问题。这样做的目的，仍是以一个实际问题为蓝本，让学生练习欧姆定律的应用，也就是说，教师教的是欧姆表，心里想的却是欧姆定律。如果学生记住了欧姆表的结论，只能用来解决欧姆表的问题，而掌握了欧姆定律，能解的问题却广泛得多。 通过真实的问题来学习基本的规律，是这套教科书的一贯思想。 为什么要通过能量关系来引入闭合电路的欧姆定律？ 在过去的教学中，闭合电路的欧姆定律是通过儿童滑梯的比喻引入的，从学习这个知识点的角度讲，这样引入比较简单，学生容易接受。但闭合电路的欧姆定律是一个很好的素材，它能够充分体现功和能的概念在物理学中的重要性。既然学生已经从做功的角度认识了电动势的概念，这里仍旧通过功能关系的分析来建立闭合电路的欧姆定律，就是顺理成章的事了。 能够娴熟地从功和能的角度分析物理过程，对于解决物理问题，以至对于应考，都是很有好处的。第9节测定电动势和内阻的实验是否有些陈旧？有的老师提出，现在的电压表本身的电阻都很大，电源开路时用电压表测量路端电压，与电源的电动势相差无几，为什么第9节还要介绍那么陈旧的测量方法？物理教科书与技术读本的任务并不相同。前者是使学生学好物理学并通过物理学的学习实现课程的三维目标；而技术读本的目的是使读者掌握一项技术，物理知识是为了学习技术而做的准备，或者是学习技术的副产品。通过第9节“实验：测定电池的电动势和内阻”这节课，学生可以更灵活地运用闭合电路的欧姆定律，可以再一次熟悉用图象处理数据的方法，还可以得到电学实验中许多操作技能的的训练。因此，第9节的目的不只是交给学生一个测量电动势的方法，它是落实三维课程目标的一个有机组成部分。至于用测量路端电压的方法测量电动势，在第7节已用黑体字指出：“断路时的路端电压（在数值上）等于电源电动势，我们常根据这个道理测量电源的电动势。”实际测量时可以根据需要和器材的具体情况选择合适的方法。 “简单的逻辑电路”要求到什么程度？ 课程标准的要求是“通过实验，观察门电路的基本作用。初步了解逻辑电路的基本原理以及在自动控制中的应用。”从中可以看出：第一、这里的要求很低；第二、学习逻辑电路必须做实验。 课堂上完成教科书中的演示，课后完成“问题与练习”中的题目，就能达到教学的要求。 这里的内容也是为选修3-2中传感器的教学做准备的。3-2里关于传感器的学生实验，多数都要借助逻辑电路才能完成。实际上，也只有做过3-2中关于传感器的实验后才能学好逻辑电路的知识。第三章 磁场第1节“磁现象和磁场”是否与初中的内容重复？这里有些内容的确与初中相似，例如磁极、磁场、地球的磁性等。但作为研究磁现象的背景，不能没有这些内容。教学时第1节可以一带而过，甚至可以只让学生阅读。教科书是教师的助手，教师不是教科书的奴隶。不是教科书中所有的内容都要由老师在课堂上讲解。为什么教科书没有提“磁现象的电本质”？“磁现象的电本质”这个说法容易给人一个不准确的印象，好像物质的电属性比磁属性更本质一些。实际上，从微观的角度看物质，粒子的电荷与磁矩都是它们的基本属性，不能笼统地说哪个更本质。因此，教科书中用“安培分子电流假说”作为这部分内容的标题。 科学漫步栏目中“有趣的右螺旋”与电磁学有什么关系？ 这部分内容有深刻的物理学背景。我们知道的物理规律，过一段时间以后（例如几秒或者几年）是否还是正确的？一个物理实验，在这里做是这样的结果，移到另外一个地方去做（可能是实验室的平移，也可能是把实验室转过了一个角度），是否还是同样的结果？到现在为止，对这些问题的回答是肯定的。于是可以说，物理规律关于时间的平移是对称的，关于空间的平移和旋转也是对称的。但是，另一个相似的问题就没有那么简单了：在平面镜中看到的世界里，这些物理规律（或说实验结果），还是正确的吗？可以想像，有人在做验证牛顿运动定律的实验，我们通过平面镜观察他的实验，看到的现象与我们的物理知识一致，一切正常。好像可以说，物理规律是镜面对称的。不过，如果做的是电磁学实验，镜面世界中的规律与我们世界中的规律似乎并不一样：本来电流方向与磁场方向是右手螺旋关系，但在平面镜中观察，它就变成了左手螺旋关系。其实这只是假像。我们想像安培分子电流的图景：在镜面中观察，分子电流的流向与我们的世界相反也就是说，在镜面世界中，任何磁体的南北极都应该与我们的世界相反。于是，在镜面世界中螺线管的电流方向与磁场方向仍然遵从右手螺旋定则。根据类似的分析，在20世纪中叶以前，人们普遍认为物理规律是镜面对称的，用粒子物理学家的术语说，就是存在着宇称守恒定律。但是，到了20世纪50年代中期，两位物理学家在分析一些事实后发现，涉及弱相互作用的物理过程，从平面镜中观察，遵从的规律可能与我们的世界中的规律不一样。这两位物理学家就是李政道和杨振宁。不久，另一位华裔物理学家吴健雄及她的同事们按照李、杨提出的思路，在实验中观测到，当钴60核发生衰变时，沿着它的自旋方向发射的电子多于逆着它的自旋方向发射的电子。如果从镜面中观察，这个结论自然正好相反。也就是说，在涉及衰变时（一般来讲，涉及弱相互作用时）物理规律不是左右对称的。在这样的背景下编者写出了“有趣的右螺旋”这样一个“科学漫步”。尽管书中没有说得这么深入，但它留给学生一个印象：左旋与右旋的区别（对左旋与右旋的描述在科学中叫做“手征”）不只存在于通电螺线管中。这件事会在学生心中留下一个求知的火花。也许有些喜欢物理学的学生以后会涉及上述理论，那时候，回忆中学时代的好奇心会让他们体会到激悦与满足。自然，将来学习深奥的粒子物理学的学生不是很多，但更多的学生会在其他科学技术中接触到手征的问题。例如，一种叫努特卡酮的香精，左旋的和右旋的化学式相同，香味竟相差750倍之多；左旋四米唑是驱虫药，而右旋四米唑却是抗抑郁药；一些昆虫的性引诱激素是手征分子不同的手征分别只能引诱雌性或雄性学生将来遇到这些问题时，与中学物理的联想同样会使他们振奋。即便学生对物理学没有兴趣，或者没有机会接触到物质的手征，这段简单的文字也会使他们在阅读时隐约感到，这门“枯燥”的学科或许与蓝色的大海、绿色的牵牛花也有某些内在的联系。以上内容不需要在课堂上讲，编者只求在学生记忆的海洋中留下一道轻轻的印记。总之，编者力求使各种能力倾向、将来走上不同人生道路的学生都能从不同角度有所收获，或者说力求做到“雅俗共赏”。这点很难，但编者在努力。 关于安培力和洛仑兹力，是否要求F = ILBsin 和F = qvBsin 这两个公式？ 教科书中的习题只要求计算导线方向（或粒子运动方向）与磁场方向垂直情况下导线（或运动粒子）所受的力，不要求计算一般情况下的安培力或洛伦兹力。 书中引入了F = ILBsin 这个公式，目的在于介绍一个方法：把B沿导线方向和垂直于导线的方向分解，分别研究这两个分量的作用。这里实际上承袭了力学中已经应用多次的方法（有人把它叫做正交分解法）。这也是教科书重视科学方法教育的一个体现。关于洛伦兹力也是按照同样方法处理的，这在该节的“思考与讨论”中已经体现。 附带说一下，教科书在涉及安培力时避免使用“电流方向”这样的用语，用的是“导线的方向”。原因在于电流不是矢量，平时所说的“电流方向”，与矢量在空间取向的意义并不相同。