物理規(guī)律教學(xué)：認(rèn)識與思考

【專家介紹】

朱行建（1964-），男，碩士，天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)教育促進(jìn)中心教研員，正高級教師、特級教師，天津師范大學(xué)、安徽師范大學(xué)、南京師范大學(xué)碩士生導(dǎo)師，《物理通報(bào)》《物理之友》《高中數(shù)理化》《中小學(xué)課堂教學(xué)研究》雜志編委，教育部初中、高中物理教材編寫核心作者（教科版），參加教育部中考及高考研究項(xiàng)目，獲天津市、安徽省基礎(chǔ)教育成果獎一等獎各一項(xiàng)，天津市濱海新區(qū)名師工作室主持人，發(fā)表文章110余篇，出版著作4部。

摘 要：通過中學(xué)物理教師對高考試題有關(guān)問題的爭論，認(rèn)識物理規(guī)律教學(xué)的程序，思考并指出物理規(guī)律教學(xué)的要求，即物理規(guī)律是怎么來的？物理規(guī)律是什么？物理規(guī)律有什么用？

關(guān)鍵詞：物理規(guī)律；教學(xué)；物理試題

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）12-0001-5

基金項(xiàng)目：天津市濱海新區(qū)名師工作室專項(xiàng)課題“基于核心素養(yǎng)的HPS融入中學(xué)物理課程的課例研究”

（BHXQKTMS087）。

２０２４年高考物理試題公布以后，各個物理教師的QQ群、微信群、微信公眾號都在討論高考物理試題，一些試題引起了教師們很大的爭論。從教師們的爭論可以看出，一些物理教師缺乏對物理規(guī)律的深刻認(rèn)識，他們對物理規(guī)律沒有整體的理解，并且由于對物理規(guī)律的片面理解造成了對高考物理試題的錯誤認(rèn)識，這也從側(cè)面反映出這些教師沒有根據(jù)物理規(guī)律課型的特點(diǎn)按照其教學(xué)程序?qū)嵤┙虒W(xué)。下面通過物理規(guī)律課型的教學(xué)程序總結(jié)出的物理規(guī)律教學(xué)要求，結(jié)合具體的教師爭論的２０２４年高考物理試題進(jìn)行剖析，以期引起對物理規(guī)律教學(xué)的重視。

１ 物理規(guī)律教學(xué)的認(rèn)識

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，“物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)學(xué)科，研究自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動規(guī)律”［１］，物理規(guī)律“反映了物理量之間的互相依存制約關(guān)系，可用于解釋和預(yù)言自然現(xiàn)象，并在日常生活和工程技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用”［２］。物理規(guī)律通常包括物理定律、物理定理、物理定則，物理定律通常是通過實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)出的規(guī)律，如牛頓第二運(yùn)動定律等；物理定理通常是通過理論推導(dǎo)演繹得出的規(guī)律，如動能定理等；物理定則通常是為了表達(dá)物理規(guī)律而規(guī)定的方法和規(guī)則，如平行四邊形定則等。

物理教育家閻金鐸指出，物理規(guī)律的教學(xué)程序是“創(chuàng)設(shè)物理情境，形成科學(xué)問題；實(shí)施科學(xué)探究，促進(jìn)知識建構(gòu)；討論物理規(guī)律，理解物理意義；運(yùn)用物理規(guī)律，解決實(shí)際問題”［３］。按照這樣的物理規(guī)律教學(xué)程序，我們可以提煉出物理規(guī)律的教學(xué)要求，即在物理教學(xué)中要弄清楚以下三個問題，物理規(guī)律是怎么來的？物理規(guī)律是什么？物理規(guī)律有什么用？只有這樣才能真正理解和應(yīng)用物理規(guī)律。

２ 物理規(guī)律教學(xué)要求的思考

２．１ 物理規(guī)律是怎么來的？物理規(guī)律建立的過程

物理規(guī)律的建立過程包括建立的背景、目的與意義，為什么要建立這樣的物理規(guī)律？該物理規(guī)律是在研究什么問題時發(fā)現(xiàn)的？用什么樣的科學(xué)方法得出該物理規(guī)律？如著名的量子論，１９世紀(jì)初物理學(xué)家在研究黑體輻射的輻射強(qiáng)度按波長分布的規(guī)律時，德國物理學(xué)家維恩用理論公式推導(dǎo)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在短波區(qū)基本一致，而在長波區(qū)差異較大；英國物理學(xué)家瑞利和金斯用理論公式推導(dǎo)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在長波區(qū)基本一致，而在短波區(qū)差異較大；德國物理學(xué)家普朗克綜合了上述物理學(xué)家推導(dǎo)出來的理論成果，采用數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換的方法，運(yùn)用內(nèi)插法構(gòu)造了一個新的公式，使理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果完美一致。普朗克再由數(shù)學(xué)的結(jié)果尋找其物理意義，提出了能量子假設(shè)，開創(chuàng)了量子力學(xué)的先河。

例１ （遼寧卷）圖1（ａ）為一套半圓拱形七色彩虹積木示意圖，不同顏色的積木直徑不同。某同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)探究這套積木小幅擺動時周期Ｔ與外徑Ｄ之間的關(guān)系。

（１）用刻度尺測量不同顏色積木的外徑Ｄ，其中對藍(lán)色積木的某次測量如圖1（ｂ）所示，從圖中讀出D=＿＿＿＿＿＿cm。

（２）將一塊積木靜置于硬質(zhì)水平桌面上，設(shè)置積木左端平衡位置的參考點(diǎn)Ｏ，將積木的右端按下后釋放，如圖1（ｃ）所示。當(dāng)積木左端某次與Ｏ點(diǎn)等高時記為第０次并開始計(jì)時，第２０次時停止計(jì)時，這一過程中積木擺動了＿＿＿＿個周期。

（３）換用其他積木重復(fù)上述操作，測得多組數(shù)據(jù)。為了探究Ｔ與Ｄ之間的函數(shù)關(guān)系，可用它們的自然對數(shù)作為橫、縱坐標(biāo)繪制圖像進(jìn)行研究，數(shù)據(jù)如表1所示。

■

（a）

■

（b）

■

（c）

圖1 例1示意圖

根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制出圖像如圖2所示，則Ｔ與Ｄ的近似關(guān)系為＿＿＿＿＿＿。

Ａ．T ∝■ Ｂ．T ∝D2

Ｃ．T∝■ Ｄ．T∝■

■

圖2 lnT-lnD圖像

（４）請寫出一條提高該實(shí)驗(yàn)精度的改進(jìn)措施： 。

解析 第（１）（２）（４）小問解答略，第（3）小問解答如下：

由圖2可知，1nT與1nD成線性關(guān)系，根據(jù)圖像可知，直線經(jīng)過（2.80，-0.5）與（1.80，-1.0），則有

■=■=0.5

解得

1nT=0.51nD-1.9

則有

1nT=1nD■-1ne■=1n■

解得

T=■■

可知

T ∝■

點(diǎn)評 本題是全新的實(shí)驗(yàn)探究試題，中學(xué)物理教材沒有該實(shí)驗(yàn)。試題任務(wù)是通過實(shí)驗(yàn)探究這套積木小幅擺動時周期Ｔ與外徑Ｄ之間的關(guān)系，即找出周期Ｔ與外徑Ｄ之間應(yīng)滿足的規(guī)律。而它們之間的關(guān)系需要根據(jù)題目提供的自然對數(shù)圖像采用求直線斜率的辦法，運(yùn)用對數(shù)的知識求出周期Ｔ與外徑Ｄ之間的關(guān)系。

本題教師爭論的焦點(diǎn)是對數(shù)坐標(biāo)系在中學(xué)物理教材中沒有出現(xiàn)過，并且運(yùn)用對數(shù)圖像尋找兩個物理量的關(guān)系在物理學(xué)發(fā)展過程中是否存在也未知，因此，一些教師認(rèn)為這樣的試題不宜作為高考試題考查學(xué)生。

其實(shí)，１６０９年開普勒在《新天文學(xué)》一書中給出了第一、第二定律，１６１９年開普勒在出版的《世界的和諧》一書中給出了第三定律，但是開普勒在書中并沒有提到是怎么得出第三定律的。為什么開普勒花了１０年的時間才得出第三定律？究其原因，是天文觀察的數(shù)字太大，用手工計(jì)算時間很長，需要花費(fèi)很大精力。恰巧，在這一時間段中，對數(shù)被數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)，１６１４年英國數(shù)學(xué)家納皮爾在愛丁堡出版了第一本對數(shù)專著《奇妙的對數(shù)定理說明書》，其后發(fā)明了對數(shù)表。納皮爾的對數(shù)研究引起了開普勒的注意，“開普勒在給一個朋友的信中寫道：某個蘇格蘭貴族最近嶄露頭角（名字我記不起來了），完成了一項(xiàng)出色的工作，把所有的乘法和除法運(yùn)算轉(zhuǎn)換成了加法和減法運(yùn)算”［４］。盡管開普勒是否應(yīng)用對數(shù)發(fā)現(xiàn)了第三定律不得而知，不可否認(rèn)的是對數(shù)的發(fā)展對開普勒天體運(yùn)行研究起到了巨大的作用。今天我們應(yīng)用對數(shù)可以很容易地得出開普勒第三定律，根據(jù)觀察到的行星數(shù)據(jù)畫出的周期和半長軸的圖像，很容易想到它們之間的關(guān)系是冪函數(shù)，即設(shè)為Ｔ＝ｋａｂ（ａ為半長軸，Ｔ為周期），兩邊取自然對數(shù)，得到ｌｎＴ＝ｂｌｎａ ＋ ｌｎｋ。這樣就把問題轉(zhuǎn)為了求ｌｎＴ與ｌｎａ之間的關(guān)系，它們之間是一次函數(shù)關(guān)系，圖像是一條直線，最終根據(jù)圖像斜率得到了開普勒第三定律。

從以上教師的爭論可見，這些物理教師在進(jìn)行開普勒第三定律教學(xué)時，由于沒有關(guān)注到對數(shù)在開普勒天體運(yùn)動研究中的作用，因此錯失了對數(shù)圖像在物理學(xué)中應(yīng)用的范例教學(xué)。當(dāng)然，即使不知道對數(shù)圖像，也不影響本題的解答，因?yàn)槲覀円呀?jīng)學(xué)習(xí)了很多通過圖像尋求兩個物理量之間的關(guān)系，如牛頓第二定律就是通過圖像得出的，只不過本題是不常見的對數(shù)圖像而已，但這樣的方法是可以遷移與類比的。

２．２ 物理規(guī)律是什么？物理規(guī)律的內(nèi)容

怎么描述該規(guī)律？為什么要這樣給規(guī)律下定義？該物理規(guī)律反映了哪些物理量之間的關(guān)系？這個規(guī)律的內(nèi)涵是什么？外延是什么？即該規(guī)律的適用范圍和條件是什么？該規(guī)律與其他規(guī)律有什么聯(lián)系與區(qū)別？如伽利略在研究自由落體的運(yùn)動規(guī)律時，為了描述自由落體的運(yùn)動規(guī)律，他猜想速度應(yīng)該是均勻變化的，但是速度是隨時間均勻變化還是隨位移均勻變化？他通過斜面實(shí)驗(yàn)和邏輯推理的方法證明了速度是隨時間均勻變化的，由此確定了自由落體的運(yùn)動規(guī)律。

例２ （江西卷）某物體位置隨時間的關(guān)系為ｘ＝１＋２ｔ＋３ｔ２，則關(guān)于其速度與１ ｓ內(nèi)的位移大小，下列說法正確的是（ ）

Ａ．速度是刻畫物體位置變化快慢的物理量，１ ｓ內(nèi)的位移大小為６ ｍ

Ｂ．速度是刻畫物體位移變化快慢的物理量，１ ｓ內(nèi)的位移大小為６ ｍ

Ｃ．速度是刻畫物體位置變化快慢的物理量，１ ｓ內(nèi)的位移大小為５ ｍ

Ｄ．速度是刻畫物體位移變化快慢的物理量，１ ｓ內(nèi)的位移大小為５ ｍ

解析 根據(jù)速度的定義式表明速度等于位移與時間的比值。位移是物體在一段時間內(nèi)從一個位置到另一個位置的位置變化量，而時間是這段時間的間隔。這個定義強(qiáng)調(diào)了速度不僅描述了物體運(yùn)動的快慢，還描述了物體運(yùn)動的方向。因此，速度是刻畫物體位置變化快慢的物理量。再根據(jù)物體位置隨時間的關(guān)系ｘ＝１＋２ｔ＋３ｔ２，可知開始時物體的位置ｘ０＝１ ｍ，１ ｓ時物體的位置ｘ１＝６ ｍ，則１ ｓ內(nèi)物體的位移為Δｘ＝ｘ１－ｘ０＝５ ｍ。

點(diǎn)評 本題給出了物體位置隨時間的關(guān)系，很容易求出位移大小，從速度的定義上看，毫無疑問速度是刻畫物體位置變化快慢的物理量，即Ｃ選項(xiàng)是正確的。但是，不少教輔資料把“位置—時間”圖像稱為“位移—時間”圖像，因此，不少師生認(rèn)為速度是位移的變化快慢，故一些教師認(rèn)為答案是Ｄ選項(xiàng)。

本題教師爭論的焦點(diǎn)是速度是刻畫物體位置變化快慢的物理量還是位移變化快慢的物理量。一些教師認(rèn)為，如果根據(jù)圖像描述“位移—時間”的變化規(guī)律，則該圖像的斜率反映的是位移變化快慢，即速度是刻畫位移變化快慢的物理量這一描述錯在哪里？

人民教育出版社在２０１９年以前的舊教材中使用的是“位移—時間”圖像，沒有“位置—時間”圖像，這樣的刻板印象加上教輔材料的“沖擊”造成了一些教師的錯誤認(rèn)識。而２０１９年以后的新教材進(jìn)行了調(diào)整，在“位移—時間”圖像一節(jié)的描述中，增加了“位置—時間”圖像的描述，并作了“如果將物體運(yùn)動的初始位置選作位置坐標(biāo)原點(diǎn)Ｏ，則位置與位移大小相等，位置—時間圖像就成為位移—時間圖像”的說明，而且以“位置變化快慢的描述——速度”作為第３節(jié)的標(biāo)題?？梢?，只有“位置—時間”圖像和“位移—時間”圖像一樣時，位移的變化和位置的變化才相同，但這只是個特例，不具備普遍意義。

２．３ 物理規(guī)律有什么用？靈活應(yīng)用物理規(guī)律解決問題

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的目的就是使人們運(yùn)用物理規(guī)律認(rèn)識自然和改造自然，即要解決具體的問題。如何區(qū)分學(xué)生是否真正理解并掌握了物理規(guī)律，就是看學(xué)生在解決具體的問題時是否抓住了體現(xiàn)物理規(guī)律的本質(zhì)特征，能否獨(dú)立思考并靈活應(yīng)用物理規(guī)律去解決問題。如關(guān)于光的本質(zhì)的認(rèn)識，從牛頓的微粒說，到惠更斯的波動說，再到麥克斯韋的電磁說和普朗克、愛因斯坦的量子說，最后到德布羅意的波粒二象性說，人類對光傳播規(guī)律的認(rèn)識是在解決具體物理問題的過程中不斷發(fā)展的。

例３ （全國新課標(biāo)卷）三位科學(xué)家由于在發(fā)現(xiàn)和合成量子點(diǎn)方面的突出貢獻(xiàn)，榮獲了２０２３年諾貝爾化學(xué)獎。不同尺寸的量子點(diǎn)會發(fā)出不同顏色的光。現(xiàn)有兩種量子點(diǎn)分別發(fā)出藍(lán)光和紅光，下列說法正確的是（ ）

Ａ．藍(lán)光光子的能量大于紅光光子的能量

Ｂ．藍(lán)光光子的動量小于紅光光子的動量

Ｃ．在玻璃中傳播時，藍(lán)光的速度大于紅光的速度

Ｄ．藍(lán)光在玻璃中傳播時的頻率小于它在空氣中傳播時的頻率

解析 由于紅光的頻率小于藍(lán)光的頻率，則紅光的波長大于藍(lán)光的波長，根據(jù)E=hν，可知藍(lán)光光子的能量大于紅光光子的能量；根據(jù)p=■，可知藍(lán)光光子的動量大于紅光光子的動量，故Ａ選項(xiàng)正確，Ｂ選項(xiàng)錯誤；由于紅光的折射率小于藍(lán)光的折射率，根據(jù)v=■，可知在玻璃中傳播時，藍(lán)光的速度小于紅光的速度，故Ｃ選項(xiàng)錯誤；光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)中頻率不變，故Ｄ選項(xiàng)錯誤。

例４ （廣東卷）如圖3所示，紅綠兩束單色光，同時從空氣中沿同一路徑以θ角從ＭＮ面射入某長方體透明均勻介質(zhì)。折射光束在ＮＰ面發(fā)生全反射。反射光射向ＰＱ面。若θ逐漸增大。兩束光在ＮＰ面上全反射現(xiàn)象會先后消失。已知在該介質(zhì)中紅光的折射率小于綠光的折射率。下列說法正確的是（ ）

Ａ．在ＰＱ面上，紅光比綠光更靠近Ｐ點(diǎn)

Ｂ．逐漸增大時，紅光的全反射現(xiàn)象先消失

Ｃ．逐漸增大時，入射光可能在ＭＮ面發(fā)生全反射

Ｄ．逐漸減小時，兩束光在ＭＮ面折射的折射角逐漸增大

■

圖3 例4示意圖

解析 紅光的頻率比綠光的頻率小，則紅光的折射率小于綠光的折射率，在MN面，入射角相同，根據(jù)折射定律n=■，可知綠光在MN面的折射角較小，根據(jù)幾何關(guān)系可知綠光比紅光更靠近Ｐ點(diǎn)，故Ａ選項(xiàng)錯誤；根據(jù)全反射發(fā)生的條件sinC=■，可知紅光發(fā)生全反射的臨界角較大，θ逐漸增大時，折射光線與NP面的交點(diǎn)左移過程中，在NP面的入射角先大于紅光發(fā)生全反射的臨界角，所以紅光的全反射現(xiàn)象先消失，故Ｂ選項(xiàng)正確；在MN面，光是從光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)，無論θ多大，在ＭＮ面都不可能發(fā)生全反射，故Ｃ選項(xiàng)錯誤；根據(jù)折射定律n=■，可知θ 逐漸減小時，兩束光在ＭＮ面折射的折射角逐漸減小，故 Ｄ選項(xiàng)錯誤。

點(diǎn)評 例３和例４都是考查不同色光在介質(zhì)中傳播的相關(guān)問題，涉及波長、頻率、速度、折射率、全反射等相關(guān)知識，需要通過不同色光在介質(zhì)中的折射率大小關(guān)系來確定其他物理量之間的大小關(guān)系。

本題教師爭論的焦點(diǎn)是例４給出了不同色光的折射率之間的大小關(guān)系，可以根據(jù)這一關(guān)系解決問題，但是，例３的題干中沒有給出不同色光的折射率之間的大小關(guān)系，而新人教版教材已經(jīng)刪去了舊教材中的“某種玻璃對各種色光的折射率”表格，因此無法判斷出不同色光的頻率、速度等物理量的大小關(guān)系。但是，作為高考試題，依據(jù)教材內(nèi)容是基本要求，所以例３是否適宜考查值得商榷。

其實(shí)，在初中物理教材“光的色散”一節(jié)內(nèi)容中，給出了牛頓用的色散實(shí)驗(yàn)，即讓太陽光通過玻璃三棱鏡，在豎直的光屏上，由上到下依次形成了“紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫”的彩色光帶，將這樣的規(guī)律和高中學(xué)習(xí)的折射率概念結(jié)合起來，即由入射角相同時不同色光的折射角是由大到小排列的，因此，可以判斷出不同色光的折射率是由小到大排列的。在高中教材的電磁波譜內(nèi)容中，給出了不同色光的頻率由低到高的排列順序，進(jìn)一步思考可以得到不同色光折射率不同的本質(zhì)是色光的頻率不同。由此可見，例３是不需要給出折射率的大小關(guān)系的，把初中學(xué)習(xí)的知識和高中學(xué)習(xí)的知識結(jié)合起來分析與解決問題，是應(yīng)用已經(jīng)學(xué)習(xí)的物理規(guī)律在具體問題中的應(yīng)用，體現(xiàn)了對思維的深刻性和靈活性等高階思維的考查，考查了學(xué)生是否能獨(dú)立思考出不同色光折射率不同的本質(zhì)和靈活運(yùn)用不同色光折射率的大小關(guān)系處理與其他物理量之間的聯(lián)系。反而例４中給出的折射率關(guān)系是多余的，例３比例４更適合作為高考試題進(jìn)行考查。

３ 總 結(jié)

物理學(xué)對人類文明的促進(jìn)作用體現(xiàn)了對物理規(guī)律的運(yùn)用，物理規(guī)律是物理教學(xué)的重點(diǎn)。美國在“２０６１ 年計(jì)劃”指出，“學(xué)生對于物理規(guī)律的學(xué)習(xí)，不能僅僅停留在物理規(guī)律的表層，而是應(yīng)該深度挖掘物理規(guī)律背后的原因及意義，找出物理規(guī)律所涉及的知識點(diǎn)之間的聯(lián)系和紐帶”［5］。因此，在物理教學(xué)中，只有依據(jù)由物理規(guī)律教學(xué)程序提煉出的教學(xué)要求實(shí)施教學(xué)，才能幫助學(xué)生理解、掌握與應(yīng)用物理規(guī)律，從而真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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［４］詹姆斯·格雷克．信息簡史［Ｍ］．高博，譯.北京：人民郵電出版社，２０１３：８５.

［５］王艷軍，郝鳳華．科學(xué)史在科學(xué)教育中的作用及實(shí)施策略——解讀美國 ２０６１ 計(jì)劃中“歷史的觀點(diǎn)”［Ｊ］．當(dāng)代教育論壇，２００５（６）：１０５－１０６.

（欄目編輯 廖伯琴）