经典物理内容的现代化发展

1、物理教学内容现代化的涵义 物理学作为自然科学的一门基础学科，它在自身发展的同时也带动了其他相关学科的飞速发展，促进了科学技术和生产力水平的提高，物理教学对培养跨世纪的现代人刁是至关重要的，物理教学内容的现代化是进行教育现代化改革的重要组成部分。本文涉及的高中物理教学内容现代化主要包含以下三个方面:一是近代或现代物理学的知识及其最新发展:二是物理学原理在现代科学技术中的应用;_三是用现代物理的思想、观点重新审视经典物理概念、规律。 一、现代物理知识，是指以相对论和量子力学为基础的20世纪物理学，其主要标志是1905年的狭义相对论、191年的广义相对论和1920年的量子力学的建立。本文涉及的现代物

2、理知识主要是指1895年以后出现的现代物理学知识，包括量子力学，狭义相对论和广义相对论，天体物理学，固体物理学，粒子物理学，非线性物理学，凝聚态物理学，原子核物理学等。 20世纪50年代以前，无论国内国外，中学物理课程中只讲经典物理。60年代以来，情况发生了很大变化，世界各国的中学物理课程中，都增加了不少现代物理的内容。 美国、日本和前苏联等国，在20世纪五十年代和六十年代，都组织大批专家、学者重新构造物理课程，编写出了能够反映现代物理成就的新型物理教材，把现代科技成果和创造发明充实到教学内容中。欧洲物理协会在讨论中学物理问题时，也首先强调在中学教材中必须增加现现代物理的基本观点，要精减经典物

3、理内容。可见教学内容现代化趋向，推动了教材的高层次改革，以适应现代科学技术的发展。 从国内已经出版的两本面向21世纪的新教材和90年代以来美、俄、德、法等国的基础物理课程大纲来看，中学物理课程内容己扩大到现代物理(相对论和量子力学)，经典物理部分在选材和讲法上也有现代化趋势。这是由于相对论和量子力学的基本概念和方法已成为很多前沿物理学和现代科学技术课题的重要基础。 二、现代科学技术(基础物理知识在高新科技发展中的应用)。现代科技日益渗透于经济发展和社会生活的各个领域，推动人类社会的进步，学生对科学技术的巨大作用和深远影响的体会也自益深刻。在物理教学中结合实际加强现代科学技术知识的教学，多介绍一

4、些现代科学技术新成果，如人造地球卫星、低温技术、超导、光纤通信、信息高速公路、激光、核能技术等，阐述其物理原理和在有关领域的应用，激发学生学习物理的强烈兴趣，拓宽学生的知识面。使学生及时了解物理学前沿的发展情况，促进其探索科学奥秘的积极性，培养其科学思维能力。使学生了解我国在物理学前沿的研究状况，如我国在航天技术、超导研究、正负电子对撞机、核能利用等方面所取得的令人瞩目的成就，有利于激发学生的民族自信心和自豪感，培养学生的爱国主义思想。 三、用现代物理的思想、观点重新审视经典物理概念、规律。中学物理是以经典内容为主的，但是物理学的发展使我们对许多物理概念规律有了更深层次的认识，用现代的观点审视

5、经典物理的内容，可以使中学物理教学充满时代的气息。中学物理课程中涉及许多物理学的基本概念和常数，尽管它们是构建经典物理学大厦的“基石”，但随着物理学的发展又不断赋予它们以新的内涵，有些还是物理学前沿领域的热门课题。在教学中，教师若能联系物理学的发展，将有关物理概念的丰富内涵展示给学生，对于启迪学生的思维，增强他们对物理学更广阔的理解力，无疑是十分必要的。 如:质量是中学物理中的一个重要概念，也是物理学中一个非常重要的物理量。质量的概念是伟大的物理学家牛顿第一次引入物理学的，300多年的历史变迁，己使牛顿将质量表述为“物质的量用它的密度和体积一起来量度”的这一粗浅定义发展为今天有极为丰富物理内涵

6、的物理量。学生在初学物理时，质量的概念被定义为“物体所含的物质多少的量度”。到了高中阶段，学生从牛顿第二运动定律得到“质量是物体惯性的量度”，即惯性质量的定义。而学习了万有引力定律后，又得到“质量反映了物体产生和接受引力的能力”即引力质量这一定义。并通过进一步的学习知道，在实验精度不断提高的情况下并没有发现这两种质量数值上的差异，而爱因斯坦则把二者的等价性作为广义相对论的基本假设之一，从而使学生对质量的概念有了进一步的认识。质量概念的含义在狭义相对论中得到了进一步的丰富和发展。一方面，狭义相对论使质量从经典物理学中的守恒量变为不守恒量它与物体的运动速度有关，其运动质量与静止质量的关系由m一二:

7、。/在于万所决定。另外，爱因斯坦著名的质能公式E =m c 2则进一步将经典力学中相互独立的质量和能量联系在一起，这里质量和能量不仅不再相互独立，而且可以依据质能公式相互转化，并将物理学中互不相关的质量守恒定律和能量守恒定律统一为质能守恒定律。可见，质量这一产生于经典物理学的概念其内涵是随着现代物理学的发展而不断丰富和发展的叼。在物理教学中，教师应善于结合教科书中教学内容的进程，揭示物理概念的发展过程，并从现代物理学的高度启发学生对其认识和理解。?. 1. -1美国教材的具体结构和呈现方式实例 放射性和原子核反应 .一)、新课的引入 山学生思考以下几个问题: (1>、你看过有关放射性材料

8、处理的新闻报道吗? r、你知道放射性材料的放射性能持续多久吗? 3>、为什么有这么多问题与放射性材料有关? 交二)、发现(Find out 活动:将一只秒表、一只罐子和32颗弹子球放在桌面上，要求学生每隔一分钟将桌面上的弹子球数目的一半放到罐子里，做2次后让学生估计5分钟后桌面上还剩几个球。 (三)、介绍放射性元素 以文字叙述的方式介绍了放射性元素的发现和放射性元素的特点。 (四)、技术资料 简要介绍粒子加速器的工作原理。 (五)、原子核的衰变、半衰期 详细介绍了a,刀衰变和a,刀、/三种射线的特性，半衰期的计算，利用半衰期估测矿物的年龄等问题。 (六)、问题的解决 题目:放射性闹钟 主

9、要介绍了一个学生玛丽为了在晚上能看清闹钟上的时间，她便去图书馆查阅了相关资料，然后在闹钟的指针和数字上涂上了铀和硫化锌的混合物，于是晚上这只闹钟的指针和数字便能发光了。 问题:为什么涂上了硫化锌后指针会发光? .七)、放射性的检测 简要介绍了几种检测放射性的方法:云室法、沸腾法、电子显微镜和放射J险计数器的工作原理。 (八)、原子核反应 洋细介绍裂变反应和聚变反应及其应用。 (九)、放射性在医学上的应用 (1)、用放射性同位素的射线杀死癌细胞 i. )、示踪原子的原理和作用 (十)、你的决定(Your Decide ) 内容:放射性同位素在医学上应用时所产生的放射性废物对人体和环境的潜在危害会

10、持续许多年，那么放射性同位素能否继续作为一种医疗手段在医学上使用了i青解释你的立场。 (十一)、活动 让学生利用橡皮泥制成氢、氖、氦的原子模型来模拟核聚变反应。C1)两个氢聚合成一个氖。(2)一个氢和一个氖生成一个3He C 3 )两个3ZHe合成一个He。 实验后要回答下列问题: 川描述将氢转变成“He的必要步骤 C2)在此过程中失去了什么，留下了什么? C3)多少个氢原子产生一个氦原子? 可以看出，美国教材在介绍这些现代物理内容时并没有把枯燥的理论搬进课堂，而是选择了一些比较贴近生活的问题和内容。其中的“发现、问题的解决、你的决定、活动”等几部分都是很有特色的，如在“发现”部分中的取弹子球

11、活动，就可以使学生对半衰期这一概念有较深刻的理解，轻松突破教学中的难点;又如在“你的决定”部分通过对“放射性同位素在医学上应用和放射性废物对人体和环境的潜在危害”这一问题的讨论，使学生能真正体会“科学技术是一柄双刃剑”的含义。通过这些身边的事例和形象的实验，使这些深奥而抽象的现代物理知识一下子变得形象而生动了。这些内容不仅对教师组织学生进行实验探究和讨论有重要的作用，而且有利于培养学生全面的科学素养，激发并满足他们对周围现象的好奇心，培养学生对科学问题的探究能力。这些对我国高中物理教材编写有重要的参考价值。2. 2. 1近年来高考物理试题涉及现代物理的调查分析 调查的目的:对近年来高考试题中出

12、现的涉及现代物理情景的题目进行分析，研究高考物理测试对现代物理知识考查的趋势，从中寻求中学物理教学内容现代化的方法和途径。 周查的对象是:从1977年恢复高考以来，我国对高考科目、高考内容、高考形式等近20年都没有做过大的改革，直到1998年教育部刁开始启动新一轮高考改革。之后，全国许多省市开始进行高考科目、高考内容的改革，因此选择1998羊以来全国各地的高考试卷作为调查的对象，更有利于反映高考改革的趋势 犷匕较方法是:按各题所占分值与总分的比例进行统计，来确定各年度试卷中现代物理知识的比重:对试卷中涉及的相关知识点进行了统计，确定高考物理测试对现代物理知识的考查情况。为了便于统计，我们将高考

13、物理试卷对现代物理的考查方式分为两种:直接考查和间接考查。 直接考查:指考题设计目的就是直接测试学生对相关现代物理知识点掌握的情况; 川接考查:指以课本范围以外的现代物理知识作为题目的背景材料，需要学生首先读懂这些材料，然后用所学知识来解题，这时相关的现代物理知识只是用来创设一些新颖的物理情景，真正要测试的是学生对其他物理知识规律的掌握情况，:司时是也对学生的应变能力和心理素质进行测试。 由上表可以看出，?000年以后，全国各地的高考物理试卷对现代物理知识尤其是间接考查的内容大大增加，涉及的分数比例甚至超过了直接考查的分数。这就要求在中学物理教学中必须重视现代物理知识的教学，尤其是对一些课本以

14、外的、当前物理学发展前沿的、在现代科学技术中运用的现代物理知识应该重视，对这些知识的介绍不一定要达到教材中的其他基础知识那样的深度，但应该有一定的广度，涉及的知识点可以多些。多向学生介绍一些相关的文章，让学生通过对科技文献的阅读，增强对这类文章的阅读理解能力。2、对涉及知识点的统计结果如下表: 由知识点的统计结果来看，直接考查的内容主要有玻尔模型，能级跃迁，光电效应，逸出功，核子，裂变，聚变，核反应方程，光的波粒二象性，衰变，半衰期等知识点，所涉及的现代物理知识主要集中在原子和原子核物理、光量子理论这两大块上，而间接考查的内容则涉及了夸克，介子，中微子，双电荷交换反应，俄歇电子等现代物理前沿的

15、知识，另外，基础物理知识在现代科技中的应用，如宇宙飞船，空间站，天体物理，静电透镜，扫描隧道显微镜，晶体结构等，是近两年中对现代物理知识进行间接考查的重要组成部分，为高考命题提供了比较新颖的物理情景。3、间接考查中相关题型的分析 就高考而一言，这种间接考查现代物理知识的新型题目有着显著特点。这类试题往往取材于考生从来没有接触过的物理情景，在考生完全未知的物理题材中设置问题。为了将大家均感陌生的问题叙述清楚，这类题的题干往往较长，使学生感觉到读了很长时间(往往是好几行)还没有一点头绪。看以下两例: 例一、(2001年全国19题)“和平号”空间站己于今年3月23日成功地坠落在太平洋海域，坠落过程可

16、简化为从一个近圆轨道(可近似看作圆轨道)开始，经过与大气摩擦，空间站的绝大部分经过升温、熔化，最后汽化面销毁，剩下的残片坠入大海。此过程中，空间站原来的机械能中，除一部分用于销毁和一部分彼残片带走外，还有一部分能量E通过其他方式散失(不考虑坠落过程中化学反应的能量)(1)试导出以下各物理量的符号表示散失能量E的公式。 (:.'>算出E的数值。(结果保留两位有效数字) L落开始时空间站的质量iVl二!.17x10'Kg; 轨道离地的高度为h=146Km地球半径R=6. 4 X 10"m; 坠落范围内重力加速度司一看作g=lOm o; 入海残片的质量:二1. 2 X

17、 10'Kg; 仪海残片的温升高o T=3000K: 人海残片的入海速度为声速v二340m / .s . 空间站材料每1干克升温IK平均所需能量C二工.OX 10了; 补肖毁1千克材料平均所需能量f-=1.0 x 10'丁。 ,:nJ二、(2004年江苏卷10题)若原子的某内层电子被电离形成空位，其他层的电子跃迁到该空位上时，会将多余的能量以电磁辐射的形式释放出来，此电滋辐时就是原子的特征Y射线，内层空位的产生有多种机制，其中的一种称为内转换原子中处于激发态的核跃迁回基态时，将跃迁时释放的能量交给某一内层电子，使此内层电子电离而形成空位(彼电离的电子称为内转换电子)。-'

18、;'Po的原子核从某一激发态回到基态时，可将能量E,.=1. 416Me V交给内层电子(如K, L,M层电子，K,匕、M标记原子中最靠近原子核的三个电子层)使其电离。实验测得从P。原子的K, ! , M层电离出的电子的动能分别为EK -1.323MeV E;.=1.399MeV Eu=1.412MeV贝J可能辐射的特征x射线的能量为: (;1)0. 013MeV(E3)0. 017MeV (C)0. 076MeV(D)0. 093MeV 学生在考场上遇到这种题往往会紧张，感觉头脑发涨，甚至题也读不下去。若发生这种情况，不但会影响考生对这道题的思考，很多人甚至连其它本该会做的题也受到影响而做不下去了。这就是我们常说的考生的意志品质问题(高考实际上是对学生的意志品质、学识水平、能力强弱的综合考验)，仔细研究上述试题可以发现，虽然这种试题表面上非常陌生，但这种试题仅是题型的难度较大，而其中所含的物理问题的实质和模型都不太难:“例一”实际是一道功能转化的问题，只要细心将题目读懂，就很容易找出“和平号”空间站坠落过程中各个阶段的能量转化情况，那么该题就迎刃而解了;“例二”则给出了一个新的跃迁模型，z口果学生平时对玻尔的原子模型中的能级跃迁掌握得比较好，考试时能认真审题并注意至J题目给出的是电子电离后的动能，而不是电离能，这道题也应该容易解出。从这两道题来