經(jīng)典物理內(nèi)容的現(xiàn)代化發(fā)展

1、物理教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)代化的涵義 物理學(xué)作為自然科學(xué)的一門基礎(chǔ)學(xué)科，它在自身發(fā)展的同時(shí)也帶動(dòng)了其他相關(guān)學(xué)科的飛速發(fā)展，促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力水平的提高，物理教學(xué)對(duì)培養(yǎng)跨世紀(jì)的現(xiàn)代人刁是至關(guān)重要的，物理教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)代化是進(jìn)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(xué)內(nèi)容現(xiàn)代化主要包含以下三個(gè)方面:一是近代或現(xiàn)代物理學(xué)的知識(shí)及其最新發(fā)展:二是物理學(xué)原理在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用;_三是用現(xiàn)代物理的思想、觀點(diǎn)重新審視經(jīng)典物理概念、規(guī)律。 一、現(xiàn)代物理知識(shí)，是指以相對(duì)論和量子力學(xué)為基礎(chǔ)的20世紀(jì)物理學(xué)，其主要標(biāo)志是1905年的狹義相對(duì)論、191年的廣義相對(duì)論和1920年的量子力學(xué)的建立。本文涉及的現(xiàn)代物

2、理知識(shí)主要是指1895年以后出現(xiàn)的現(xiàn)代物理學(xué)知識(shí)，包括量子力學(xué)，狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，天體物理學(xué)，固體物理學(xué)，粒子物理學(xué)，非線性物理學(xué)，凝聚態(tài)物理學(xué)，原子核物理學(xué)等。 20世紀(jì)50年代以前，無(wú)論國(guó)內(nèi)國(guó)外，中學(xué)物理課程中只講經(jīng)典物理。60年代以來(lái)，情況發(fā)生了很大變化，世界各國(guó)的中學(xué)物理課程中，都增加了不少現(xiàn)代物理的內(nèi)容。 美國(guó)、日本和前蘇聯(lián)等國(guó)，在20世紀(jì)五十年代和六十年代，都組織大批專家、學(xué)者重新構(gòu)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(shí)到教學(xué)內(nèi)容中。歐洲物理協(xié)會(huì)在討論中學(xué)物理問(wèn)題時(shí)，也首先強(qiáng)調(diào)在中學(xué)教材中必須增加現(xiàn)現(xiàn)代物理的基本觀點(diǎn)，要精減經(jīng)典物

3、理內(nèi)容。可見(jiàn)教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)代化趨向，推動(dòng)了教材的高層次改革，以適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。 從國(guó)內(nèi)已經(jīng)出版的兩本面向21世紀(jì)的新教材和90年代以來(lái)美、俄、德、法等國(guó)的基礎(chǔ)物理課程大綱來(lái)看，中學(xué)物理課程內(nèi)容己擴(kuò)大到現(xiàn)代物理(相對(duì)論和量子力學(xué))，經(jīng)典物理部分在選材和講法上也有現(xiàn)代化趨勢(shì)。這是由于相對(duì)論和量子力學(xué)的基本概念和方法已成為很多前沿物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)課題的重要基礎(chǔ)。 二、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)(基礎(chǔ)物理知識(shí)在高新科技發(fā)展中的應(yīng)用)?，F(xiàn)代科技日益滲透于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)人類社會(huì)的進(jìn)步，學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)的巨大作用和深遠(yuǎn)影響的體會(huì)也自益深刻。在物理教學(xué)中結(jié)合實(shí)際加強(qiáng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識(shí)的教學(xué)，多介紹一

4、些現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)新成果，如人造地球衛(wèi)星、低溫技術(shù)、超導(dǎo)、光纖通信、信息高速公路、激光、核能技術(shù)等，闡述其物理原理和在有關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的強(qiáng)烈興趣，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。使學(xué)生及時(shí)了解物理學(xué)前沿的發(fā)展情況，促進(jìn)其探索科學(xué)奧秘的積極性，培養(yǎng)其科學(xué)思維能力。使學(xué)生了解我國(guó)在物理學(xué)前沿的研究狀況，如我國(guó)在航天技術(shù)、超導(dǎo)研究、正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、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(xué)生的民族自信心和自豪感，培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義思想。 三、用現(xiàn)代物理的思想、觀點(diǎn)重新審視經(jīng)典物理概念、規(guī)律。中學(xué)物理是以經(jīng)典內(nèi)容為主的，但是物理學(xué)的發(fā)展使我們對(duì)許多物理概念規(guī)律有了更深層次的認(rèn)識(shí)，用現(xiàn)代的觀點(diǎn)審視

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

6、的物理量。學(xué)生在初學(xué)物理時(shí)，質(zhì)量的概念被定義為“物體所含的物質(zhì)多少的量度”。到了高中階段，學(xué)生從牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律得到“質(zhì)量是物體慣性的量度”，即慣性質(zhì)量的定義。而學(xué)習(xí)了萬(wàn)有引力定律后，又得到“質(zhì)量反映了物體產(chǎn)生和接受引力的能力”即引力質(zhì)量這一定義。并通過(guò)進(jìn)一步的學(xué)習(xí)知道，在實(shí)驗(yàn)精度不斷提高的情況下并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這兩種質(zhì)量數(shù)值上的差異，而愛(ài)因斯坦則把二者的等價(jià)性作為廣義相對(duì)論的基本假設(shè)之一，從而使學(xué)生對(duì)質(zhì)量的概念有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。質(zhì)量概念的含義在狹義相對(duì)論中得到了進(jìn)一步的豐富和發(fā)展。一方面，狹義相對(duì)論使質(zhì)量從經(jīng)典物理學(xué)中的守恒量變?yōu)椴皇睾懔克c物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，其運(yùn)動(dòng)質(zhì)量與靜止質(zhì)量的關(guān)系由m一二:

7、。/在于萬(wàn)所決定。另外，愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能公式E =m c 2則進(jìn)一步將經(jīng)典力學(xué)中相互獨(dú)立的質(zhì)量和能量聯(lián)系在一起，這里質(zhì)量和能量不僅不再相互獨(dú)立，而且可以依據(jù)質(zhì)能公式相互轉(zhuǎn)化，并將物理學(xué)中互不相關(guān)的質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律統(tǒng)一為質(zhì)能守恒定律?？梢?jiàn)，質(zhì)量這一產(chǎn)生于經(jīng)典物理學(xué)的概念其內(nèi)涵是隨著現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展而不斷豐富和發(fā)展的叼。在物理教學(xué)中，教師應(yīng)善于結(jié)合教科書(shū)中教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)程，揭示物理概念的發(fā)展過(guò)程，并從現(xiàn)代物理學(xué)的高度啟發(fā)學(xué)生對(duì)其認(rèn)識(shí)和理解。?. 1. -1美國(guó)教材的具體結(jié)構(gòu)和呈現(xiàn)方式實(shí)例 放射性和原子核反應(yīng) .一)、新課的引入 山學(xué)生思考以下幾個(gè)問(wèn)題: (1>、你看過(guò)有關(guān)放射性材料

8、處理的新聞報(bào)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(wèn)題與放射性材料有關(guān)? 交二)、發(fā)現(xiàn)(Find out 活動(dòng):將一只秒表、一只罐子和32顆彈子球放在桌面上，要求學(xué)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(xué)生估計(jì)5分鐘后桌面上還剩幾個(gè)球。 (三)、介紹放射性元素 以文字?jǐn)⑹龅姆绞浇榻B了放射性元素的發(fā)現(xiàn)和放射性元素的特點(diǎn)。 (四)、技術(shù)資料 簡(jiǎn)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(xì)介紹了a,刀衰變和a,刀、/三種射線的特性，半衰期的計(jì)算，利用半衰期估測(cè)礦物的年齡等問(wèn)題。 (六)、問(wèn)題的解決 題目:放射性鬧鐘 主

9、要介紹了一個(gè)學(xué)生瑪麗為了在晚上能看清鬧鐘上的時(shí)間，她便去圖書(shū)館查閱了相關(guān)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(wèn)題:為什么涂上了硫化鋅后指針會(huì)發(fā)光? .七)、放射性的檢測(cè) 簡(jiǎn)要介紹了幾種檢測(cè)放射性的方法:云室法、沸騰法、電子顯微鏡和放射J險(xiǎn)計(jì)數(shù)器的工作原理。 (八)、原子核反應(yīng) 洋細(xì)介紹裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)及其應(yīng)用。 (九)、放射性在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 (1)、用放射性同位素的射線殺死癌細(xì)胞 i. )、示蹤原子的原理和作用 (十)、你的決定(Your Decide ) 內(nèi)容:放射性同位素在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用時(shí)所產(chǎn)生的放射性廢物對(duì)人體和環(huán)境的潛在危害會(huì)

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(xué)上使用了i青解釋你的立場(chǎng)。 (十一)、活動(dòng) 讓學(xué)生利用橡皮泥制成氫、氖、氦的原子模型來(lái)模擬核聚變反應(yīng)。C1)兩個(gè)氫聚合成一個(gè)氖。(2)一個(gè)氫和一個(gè)氖生成一個(gè)3He C 3 )兩個(gè)3ZHe合成一個(gè)He。 實(shí)驗(yàn)后要回答下列問(wèn)題: 川描述將氫轉(zhuǎn)變成“He的必要步驟 C2)在此過(guò)程中失去了什么，留下了什么? C3)多少個(gè)氫原子產(chǎn)生一個(gè)氦原子? 可以看出，美國(guó)教材在介紹這些現(xiàn)代物理內(nèi)容時(shí)并沒(méi)有把枯燥的理論搬進(jìn)課堂，而是選擇了一些比較貼近生活的問(wèn)題和內(nèi)容。其中的“發(fā)現(xiàn)、問(wèn)題的解決、你的決定、活動(dòng)”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(dòng)，就可以使學(xué)生對(duì)半衰期這一概念有較深刻的理解，輕松突破教學(xué)中的難點(diǎn);又如在“你的決定”部分通過(guò)對(duì)“放射性同位素在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用和放射性廢物對(duì)人體和環(huán)境的潛在危害”這一問(wèn)題的討論，使學(xué)生能真正體會(huì)“科學(xué)技術(shù)是一柄雙刃劍”的含義。通過(guò)這些身邊的事例和形象的實(shí)驗(yàn)，使這些深?yuàn)W而抽象的現(xiàn)代物理知識(shí)一下子變得形象而生動(dòng)了。這些內(nèi)容不僅對(duì)教師組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和討論有重要的作用，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生全面的科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)并滿足他們對(duì)周圍現(xiàn)象的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)問(wèn)題的探究能力。這些對(duì)我國(guó)高中物理教材編寫有重要的參考價(jià)值。2. 2. 1近年來(lái)高考物理試題涉及現(xiàn)代物理的調(diào)查分析 調(diào)查的目的:對(duì)近年來(lái)高考試題中出

12、現(xiàn)的涉及現(xiàn)代物理情景的題目進(jìn)行分析，研究高考物理測(cè)試對(duì)現(xiàn)代物理知識(shí)考查的趨勢(shì)，從中尋求中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)代化的方法和途徑。 周查的對(duì)象是:從1977年恢復(fù)高考以來(lái)，我國(guó)對(duì)高考科目、高考內(nèi)容、高考形式等近20年都沒(méi)有做過(guò)大的改革，直到1998年教育部刁開(kāi)始啟動(dòng)新一輪高考改革。之后，全國(guó)許多省市開(kāi)始進(jìn)行高考科目、高考內(nèi)容的改革，因此選擇1998羊以來(lái)全國(guó)各地的高考試卷作為調(diào)查的對(duì)象，更有利于反映高考改革的趨勢(shì) 獷匕較方法是:按各題所占分值與總分的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，來(lái)確定各年度試卷中現(xiàn)代物理知識(shí)的比重:對(duì)試卷中涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，確定高考物理測(cè)試對(duì)現(xiàn)代物理知識(shí)的考查情況。為了便于統(tǒng)計(jì)，我們將高考

13、物理試卷對(duì)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(shè)計(jì)目的就是直接測(cè)試學(xué)生對(duì)相關(guān)現(xiàn)代物理知識(shí)點(diǎn)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(shí)作為題目的背景材料，需要學(xué)生首先讀懂這些材料，然后用所學(xué)知識(shí)來(lái)解題，這時(shí)相關(guān)的現(xiàn)代物理知識(shí)只是用來(lái)創(chuàng)設(shè)一些新穎的物理情景，真正要測(cè)試的是學(xué)生對(duì)其他物理知識(shí)規(guī)律的掌握情況，:司時(shí)是也對(duì)學(xué)生的應(yīng)變能力和心理素質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。 由上表可以看出，?000年以后，全國(guó)各地的高考物理試卷對(duì)現(xiàn)代物理知識(shí)尤其是間接考查的內(nèi)容大大增加，涉及的分?jǐn)?shù)比例甚至超過(guò)了直接考查的分?jǐn)?shù)。這就要求在中學(xué)物理教學(xué)中必須重視現(xiàn)代物理知識(shí)的教學(xué)，尤其是對(duì)一些課本以

14、外的、當(dāng)前物理學(xué)發(fā)展前沿的、在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中運(yùn)用的現(xiàn)代物理知識(shí)應(yīng)該重視，對(duì)這些知識(shí)的介紹不一定要達(dá)到教材中的其他基礎(chǔ)知識(shí)那樣的深度，但應(yīng)該有一定的廣度，涉及的知識(shí)點(diǎn)可以多些。多向?qū)W生介紹一些相關(guān)的文章，讓學(xué)生通過(guò)對(duì)科技文獻(xiàn)的閱讀，增強(qiáng)對(duì)這類文章的閱讀理解能力。2、對(duì)涉及知識(shí)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表: 由知識(shí)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，直接考查的內(nèi)容主要有玻爾模型，能級(jí)躍遷，光電效應(yīng)，逸出功，核子，裂變，聚變，核反應(yīng)方程，光的波粒二象性，衰變，半衰期等知識(shí)點(diǎn)，所涉及的現(xiàn)代物理知識(shí)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(nèi)容則涉及了夸克，介子，中微子，雙電荷交換反應(yīng)，俄歇電子等現(xiàn)代物理前沿的

15、知識(shí)，另外，基礎(chǔ)物理知識(shí)在現(xiàn)代科技中的應(yīng)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(jié)構(gòu)等，是近兩年中對(duì)現(xiàn)代物理知識(shí)進(jìn)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(guān)題型的分析 就高考而一言，這種間接考查現(xiàn)代物理知識(shí)的新型題目有著顯著特點(diǎn)。這類試題往往取材于考生從來(lái)沒(méi)有接觸過(guò)的物理情景，在考生完全未知的物理題材中設(shè)置問(wèn)題。為了將大家均感陌生的問(wèn)題敘述清楚，這類題的題干往往較長(zhǎng)，使學(xué)生感覺(jué)到讀了很長(zhǎng)時(shí)間(往往是好幾行)還沒(méi)有一點(diǎn)頭緒?？匆韵聝衫? 例一、(2001年全國(guó)19題)“和平號(hào)”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(guò)程可

16、簡(jiǎn)化為從一個(gè)近圓軌道(可近似看作圓軌道)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)與大氣摩擦，空間站的絕大部分經(jīng)過(guò)升溫、熔化，最后汽化面銷毀，剩下的殘片墜入大海。此過(guò)程中，空間站原來(lái)的機(jī)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(guò)其他方式散失(不考慮墜落過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)的能量)(1)試導(dǎo)出以下各物理量的符號(hào)表示散失能量E的公式。 (:.'>算出E的數(shù)值。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) L落開(kāi)始時(shí)空間站的質(zhì)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(nèi)重力加速度司一看作g=lOm o; 入海殘片的質(zhì)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(bǔ)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(nèi)層電子被電離形成空位，其他層的電子躍遷到該空位上時(shí)，會(huì)將多余的能量以電磁輻射的形式釋放出來(lái)，此電滋輻時(shí)就是原子的特征Y射線，內(nèi)層空位的產(chǎn)生有多種機(jī)制，其中的一種稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換原子中處于激發(fā)態(tài)的核躍遷回基態(tài)時(shí)，將躍遷時(shí)釋放的能量交給某一內(nèi)層電子，使此內(nèi)層電子電離而形成空位(彼電離的電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子)。-'

18、;'Po的原子核從某一激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)，可將能量E,.=1. 416Me V交給內(nèi)層電子(如K, L,M層電子，K,匕、M標(biāo)記原子中最靠近原子核的三個(gè)電子層)使其電離。實(shí)驗(yàn)測(cè)得從P。原子的K, ! , M層電離出的電子的動(dòng)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(xué)生在考場(chǎng)上遇到這種題往往會(huì)緊張，感覺(jué)頭腦發(fā)漲，甚至題也讀不下去。若發(fā)生這種情況，不但會(huì)影響考生對(duì)這道題的思考，很多人甚至連其它本該會(huì)做的題也受到影響而做不下去了。這就是我們常說(shuō)的考生的意志品質(zhì)問(wèn)題(高考實(shí)際上是對(duì)學(xué)生的意志品質(zhì)、學(xué)識(shí)水平、能力強(qiáng)弱的綜合考驗(yàn))，仔細(xì)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(wèn)題的實(shí)質(zhì)和模型都不太難:“例一”實(shí)際是一道功能轉(zhuǎn)化的問(wèn)題，只要細(xì)心將題目讀懂，就很容易找出“和平號(hào)”空間站墜落過(guò)程中各個(gè)階段的能量轉(zhuǎn)化情況，那么該題就迎刃而解了;“例二”則給出了一個(gè)新的躍遷模型，z口果學(xué)生平時(shí)對(duì)玻爾的原子模型中的能級(jí)躍遷掌握得比較好，考試時(shí)能認(rèn)真審題并注意至J題目給出的是電子電離后的動(dòng)能，而不是電離能，這道題也應(yīng)該容易解出。從這兩道題來(lái)