經典物理內容的現(xiàn)代化發(fā)展

1、物理教學內容現(xiàn)代化的涵義 物理學作為自然科學的一門基礎學科，它在自身發(fā)展的同時也帶動了其他相關學科的飛速發(fā)展，促進了科學技術和生產力水平的提高，物理教學對培養(yǎng)跨世紀的現(xiàn)代人刁是至關重要的，物理教學內容的現(xiàn)代化是進行教育現(xiàn)代化改革的重要組成部分。本文涉及的高中物理教學內容現(xiàn)代化主要包含以下三個方面:一是近代或現(xiàn)代物理學的知識及其最新發(fā)展:二是物理學原理在現(xiàn)代科學技術中的應用;_三是用現(xiàn)代物理的思想、觀點重新審視經典物理概念、規(guī)律。 一、現(xiàn)代物理知識，是指以相對論和量子力學為基礎的20世紀物理學，其主要標志是1905年的狹義相對論、191年的廣義相對論和1920年的量子力學的建立。本文涉及的現(xiàn)代物

2、理知識主要是指1895年以后出現(xiàn)的現(xiàn)代物理學知識，包括量子力學，狹義相對論和廣義相對論，天體物理學，固體物理學，粒子物理學，非線性物理學，凝聚態(tài)物理學，原子核物理學等。 20世紀50年代以前，無論國內國外，中學物理課程中只講經典物理。60年代以來，情況發(fā)生了很大變化，世界各國的中學物理課程中，都增加了不少現(xiàn)代物理的內容。 美國、日本和前蘇聯(lián)等國，在20世紀五十年代和六十年代，都組織大批專家、學者重新構造物理課程，編寫出了能夠反映現(xiàn)代物理成就的新型物理教材，把現(xiàn)代科技成果和創(chuàng)造發(fā)明充實到教學內容中。歐洲物理協(xié)會在討論中學物理問題時，也首先強調在中學教材中必須增加現(xiàn)現(xiàn)代物理的基本觀點，要精減經典物

3、理內容。可見教學內容現(xiàn)代化趨向，推動了教材的高層次改革，以適應現(xiàn)代科學技術的發(fā)展。 從國內已經出版的兩本面向21世紀的新教材和90年代以來美、俄、德、法等國的基礎物理課程大綱來看，中學物理課程內容己擴大到現(xiàn)代物理(相對論和量子力學)，經典物理部分在選材和講法上也有現(xiàn)代化趨勢。這是由于相對論和量子力學的基本概念和方法已成為很多前沿物理學和現(xiàn)代科學技術課題的重要基礎。 二、現(xiàn)代科學技術(基礎物理知識在高新科技發(fā)展中的應用)?，F(xiàn)代科技日益滲透于經濟發(fā)展和社會生活的各個領域，推動人類社會的進步，學生對科學技術的巨大作用和深遠影響的體會也自益深刻。在物理教學中結合實際加強現(xiàn)代科學技術知識的教學，多介紹一

4、些現(xiàn)代科學技術新成果，如人造地球衛(wèi)星、低溫技術、超導、光纖通信、信息高速公路、激光、核能技術等，闡述其物理原理和在有關領域的應用，激發(fā)學生學習物理的強烈興趣，拓寬學生的知識面。使學生及時了解物理學前沿的發(fā)展情況，促進其探索科學奧秘的積極性，培養(yǎng)其科學思維能力。使學生了解我國在物理學前沿的研究狀況，如我國在航天技術、超導研究、正負電子對撞機、核能利用等方面所取得的令人矚目的成就，有利于激發(fā)學生的民族自信心和自豪感，培養(yǎng)學生的愛國主義思想。 三、用現(xiàn)代物理的思想、觀點重新審視經典物理概念、規(guī)律。中學物理是以經典內容為主的，但是物理學的發(fā)展使我們對許多物理概念規(guī)律有了更深層次的認識，用現(xiàn)代的觀點審視

5、經典物理的內容，可以使中學物理教學充滿時代的氣息。中學物理課程中涉及許多物理學的基本概念和常數(shù)，盡管它們是構建經典物理學大廈的“基石”，但隨著物理學的發(fā)展又不斷賦予它們以新的內涵，有些還是物理學前沿領域的熱門課題。在教學中，教師若能聯(lián)系物理學的發(fā)展，將有關物理概念的豐富內涵展示給學生，對于啟迪學生的思維，增強他們對物理學更廣闊的理解力，無疑是十分必要的。 如:質量是中學物理中的一個重要概念，也是物理學中一個非常重要的物理量。質量的概念是偉大的物理學家牛頓第一次引入物理學的，300多年的歷史變遷，己使牛頓將質量表述為“物質的量用它的密度和體積一起來量度”的這一粗淺定義發(fā)展為今天有極為豐富物理內涵

6、的物理量。學生在初學物理時，質量的概念被定義為“物體所含的物質多少的量度”。到了高中階段，學生從牛頓第二運動定律得到“質量是物體慣性的量度”，即慣性質量的定義。而學習了萬有引力定律后，又得到“質量反映了物體產生和接受引力的能力”即引力質量這一定義。并通過進一步的學習知道，在實驗精度不斷提高的情況下并沒有發(fā)現(xiàn)這兩種質量數(shù)值上的差異，而愛因斯坦則把二者的等價性作為廣義相對論的基本假設之一，從而使學生對質量的概念有了進一步的認識。質量概念的含義在狹義相對論中得到了進一步的豐富和發(fā)展。一方面，狹義相對論使質量從經典物理學中的守恒量變?yōu)椴皇睾懔克c物體的運動速度有關，其運動質量與靜止質量的關系由m一二:

7、。/在于萬所決定。另外，愛因斯坦著名的質能公式E =m c 2則進一步將經典力學中相互獨立的質量和能量聯(lián)系在一起，這里質量和能量不僅不再相互獨立，而且可以依據(jù)質能公式相互轉化，并將物理學中互不相關的質量守恒定律和能量守恒定律統(tǒng)一為質能守恒定律?？梢?，質量這一產生于經典物理學的概念其內涵是隨著現(xiàn)代物理學的發(fā)展而不斷豐富和發(fā)展的叼。在物理教學中，教師應善于結合教科書中教學內容的進程，揭示物理概念的發(fā)展過程，并從現(xiàn)代物理學的高度啟發(fā)學生對其認識和理解。?. 1. -1美國教材的具體結構和呈現(xiàn)方式實例 放射性和原子核反應 .一)、新課的引入 山學生思考以下幾個問題: (1>、你看過有關放射性材料

8、處理的新聞報道嗎? r、你知道放射性材料的放射性能持續(xù)多久嗎? 3>、為什么有這么多問題與放射性材料有關? 交二)、發(fā)現(xiàn)(Find out 活動:將一只秒表、一只罐子和32顆彈子球放在桌面上，要求學生每隔一分鐘將桌面上的彈子球數(shù)目的一半放到罐子里，做2次后讓學生估計5分鐘后桌面上還剩幾個球。 (三)、介紹放射性元素 以文字敘述的方式介紹了放射性元素的發(fā)現(xiàn)和放射性元素的特點。 (四)、技術資料 簡要介紹粒子加速器的工作原理。 (五)、原子核的衰變、半衰期 詳細介紹了a,刀衰變和a,刀、/三種射線的特性，半衰期的計算，利用半衰期估測礦物的年齡等問題。 (六)、問題的解決 題目:放射性鬧鐘 主

9、要介紹了一個學生瑪麗為了在晚上能看清鬧鐘上的時間，她便去圖書館查閱了相關資料，然后在鬧鐘的指針和數(shù)字上涂上了鈾和硫化鋅的混合物，于是晚上這只鬧鐘的指針和數(shù)字便能發(fā)光了。 問題:為什么涂上了硫化鋅后指針會發(fā)光? .七)、放射性的檢測 簡要介紹了幾種檢測放射性的方法:云室法、沸騰法、電子顯微鏡和放射J險計數(shù)器的工作原理。 (八)、原子核反應 洋細介紹裂變反應和聚變反應及其應用。 (九)、放射性在醫(yī)學上的應用 (1)、用放射性同位素的射線殺死癌細胞 i. )、示蹤原子的原理和作用 (十)、你的決定(Your Decide ) 內容:放射性同位素在醫(yī)學上應用時所產生的放射性廢物對人體和環(huán)境的潛在危害會

10、持續(xù)許多年，那么放射性同位素能否繼續(xù)作為一種醫(yī)療手段在醫(yī)學上使用了i青解釋你的立場。 (十一)、活動 讓學生利用橡皮泥制成氫、氖、氦的原子模型來模擬核聚變反應。C1)兩個氫聚合成一個氖。(2)一個氫和一個氖生成一個3He C 3 )兩個3ZHe合成一個He。 實驗后要回答下列問題: 川描述將氫轉變成“He的必要步驟 C2)在此過程中失去了什么，留下了什么? C3)多少個氫原子產生一個氦原子? 可以看出，美國教材在介紹這些現(xiàn)代物理內容時并沒有把枯燥的理論搬進課堂，而是選擇了一些比較貼近生活的問題和內容。其中的“發(fā)現(xiàn)、問題的解決、你的決定、活動”等幾部分都是很有特色的，如在“發(fā)現(xiàn)”部分中的取彈子球

11、活動，就可以使學生對半衰期這一概念有較深刻的理解，輕松突破教學中的難點;又如在“你的決定”部分通過對“放射性同位素在醫(yī)學上應用和放射性廢物對人體和環(huán)境的潛在危害”這一問題的討論，使學生能真正體會“科學技術是一柄雙刃劍”的含義。通過這些身邊的事例和形象的實驗，使這些深奧而抽象的現(xiàn)代物理知識一下子變得形象而生動了。這些內容不僅對教師組織學生進行實驗探究和討論有重要的作用，而且有利于培養(yǎng)學生全面的科學素養(yǎng)，激發(fā)并滿足他們對周圍現(xiàn)象的好奇心，培養(yǎng)學生對科學問題的探究能力。這些對我國高中物理教材編寫有重要的參考價值。2. 2. 1近年來高考物理試題涉及現(xiàn)代物理的調查分析 調查的目的:對近年來高考試題中出

12、現(xiàn)的涉及現(xiàn)代物理情景的題目進行分析，研究高考物理測試對現(xiàn)代物理知識考查的趨勢，從中尋求中學物理教學內容現(xiàn)代化的方法和途徑。 周查的對象是:從1977年恢復高考以來，我國對高考科目、高考內容、高考形式等近20年都沒有做過大的改革，直到1998年教育部刁開始啟動新一輪高考改革。之后，全國許多省市開始進行高考科目、高考內容的改革，因此選擇1998羊以來全國各地的高考試卷作為調查的對象，更有利于反映高考改革的趨勢 獷匕較方法是:按各題所占分值與總分的比例進行統(tǒng)計，來確定各年度試卷中現(xiàn)代物理知識的比重:對試卷中涉及的相關知識點進行了統(tǒng)計，確定高考物理測試對現(xiàn)代物理知識的考查情況。為了便于統(tǒng)計，我們將高考

13、物理試卷對現(xiàn)代物理的考查方式分為兩種:直接考查和間接考查。 直接考查:指考題設計目的就是直接測試學生對相關現(xiàn)代物理知識點掌握的情況; 川接考查:指以課本范圍以外的現(xiàn)代物理知識作為題目的背景材料，需要學生首先讀懂這些材料，然后用所學知識來解題，這時相關的現(xiàn)代物理知識只是用來創(chuàng)設一些新穎的物理情景，真正要測試的是學生對其他物理知識規(guī)律的掌握情況，:司時是也對學生的應變能力和心理素質進行測試。 由上表可以看出，?000年以后，全國各地的高考物理試卷對現(xiàn)代物理知識尤其是間接考查的內容大大增加，涉及的分數(shù)比例甚至超過了直接考查的分數(shù)。這就要求在中學物理教學中必須重視現(xiàn)代物理知識的教學，尤其是對一些課本以

14、外的、當前物理學發(fā)展前沿的、在現(xiàn)代科學技術中運用的現(xiàn)代物理知識應該重視，對這些知識的介紹不一定要達到教材中的其他基礎知識那樣的深度，但應該有一定的廣度，涉及的知識點可以多些。多向學生介紹一些相關的文章，讓學生通過對科技文獻的閱讀，增強對這類文章的閱讀理解能力。2、對涉及知識點的統(tǒng)計結果如下表: 由知識點的統(tǒng)計結果來看，直接考查的內容主要有玻爾模型，能級躍遷，光電效應，逸出功，核子，裂變，聚變，核反應方程，光的波粒二象性，衰變，半衰期等知識點，所涉及的現(xiàn)代物理知識主要集中在原子和原子核物理、光量子理論這兩大塊上，而間接考查的內容則涉及了夸克，介子，中微子，雙電荷交換反應，俄歇電子等現(xiàn)代物理前沿的

15、知識，另外，基礎物理知識在現(xiàn)代科技中的應用，如宇宙飛船，空間站，天體物理，靜電透鏡，掃描隧道顯微鏡，晶體結構等，是近兩年中對現(xiàn)代物理知識進行間接考查的重要組成部分，為高考命題提供了比較新穎的物理情景。3、間接考查中相關題型的分析 就高考而一言，這種間接考查現(xiàn)代物理知識的新型題目有著顯著特點。這類試題往往取材于考生從來沒有接觸過的物理情景，在考生完全未知的物理題材中設置問題。為了將大家均感陌生的問題敘述清楚，這類題的題干往往較長，使學生感覺到讀了很長時間(往往是好幾行)還沒有一點頭緒?？匆韵聝衫? 例一、(2001年全國19題)“和平號”空間站己于今年3月23日成功地墜落在太平洋海域，墜落過程可

16、簡化為從一個近圓軌道(可近似看作圓軌道)開始，經過與大氣摩擦，空間站的絕大部分經過升溫、熔化，最后汽化面銷毀，剩下的殘片墜入大海。此過程中，空間站原來的機械能中，除一部分用于銷毀和一部分彼殘片帶走外，還有一部分能量E通過其他方式散失(不考慮墜落過程中化學反應的能量)(1)試導出以下各物理量的符號表示散失能量E的公式。 (:.'>算出E的數(shù)值。(結果保留兩位有效數(shù)字) L落開始時空間站的質量iVl二!.17x10'Kg; 軌道離地的高度為h=146Km地球半徑R=6. 4 X 10"m; 墜落范圍內重力加速度司一看作g=lOm o; 入海殘片的質量:二1. 2 X

17、 10'Kg; 儀海殘片的溫升高o T=3000K: 人海殘片的入海速度為聲速v二340m / .s . 空間站材料每1干克升溫IK平均所需能量C二工.OX 10了; 補肖毀1千克材料平均所需能量f-=1.0 x 10'丁。 ,:nJ二、(2004年江蘇卷10題)若原子的某內層電子被電離形成空位，其他層的電子躍遷到該空位上時，會將多余的能量以電磁輻射的形式釋放出來，此電滋輻時就是原子的特征Y射線，內層空位的產生有多種機制，其中的一種稱為內轉換原子中處于激發(fā)態(tài)的核躍遷回基態(tài)時，將躍遷時釋放的能量交給某一內層電子，使此內層電子電離而形成空位(彼電離的電子稱為內轉換電子)。-'

18、;'Po的原子核從某一激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，可將能量E,.=1. 416Me V交給內層電子(如K, L,M層電子，K,匕、M標記原子中最靠近原子核的三個電子層)使其電離。實驗測得從P。原子的K, ! , M層電離出的電子的動能分別為EK -1.323MeV E;.=1.399MeV Eu=1.412MeV貝J可能輻射的特征x射線的能量為: (;1)0. 013MeV(E3)0. 017MeV (C)0. 076MeV(D)0. 093MeV 學生在考場上遇到這種題往往會緊張，感覺頭腦發(fā)漲，甚至題也讀不下去。若發(fā)生這種情況，不但會影響考生對這道題的思考，很多人甚至連其它本該會做的題也受到影響而做不下去了。這就是我們常說的考生的意志品質問題(高考實際上是對學生的意志品質、學識水平、能力強弱的綜合考驗)，仔細研究上述試題可以發(fā)現(xiàn)，雖然這種試題表面上非常陌生，但這種試題僅是題型的難度較大，而其中所含的物理問題的實質和模型都不太難:“例一”實際是一道功能轉化的問題，只要細心將題目讀懂，就很容易找出“和平號”空間站墜落過程中各個階段的能量轉化情況，那么該題就迎刃而解了;“例二”則給出了一個新的躍遷模型，z口果學生平時對玻爾的原子模型中的能級躍遷掌握得比較好，考試時能認真審題并注意至J題目給出的是電子電離后的動能，而不是電離能，這道題也應該容易解出。從這兩道題來