2015年全國課標理綜卷物理學史試題評析與教學建議

□許冬保

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2015年全國課標理綜卷物理學史試題評析與教學建議

□許冬保

【摘要】2015年全國課標理綜卷Ⅰ及卷Ⅱ中的物理學史試題，其史料已超出現(xiàn)行教材。其設計思想與命題方向，對加強中學物理學史教學具有較好的導向作用。本文通過對試題進行評析，從教學論的視角，提出加強物理學史教學的三條建議。

【關鍵詞】“圓盤實驗”；指南針；分析；評價；教學建議

一、原題展示

【試題1】（卷Ⅰ，第19題）1824年，法國科學家阿拉果完成了著名的“圓盤實驗”。實驗中將一銅圓盤水平放置，在其中心正上方用柔軟細線懸掛一枚可以自由旋轉的磁針，如圖1所示。實驗中發(fā)現(xiàn)，當圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉時，磁針也隨著一起轉動起來，但略有滯后。下列說法正確的是（）

圖1

A.圓盤上產(chǎn)生了感應電動勢

B.圓盤內的渦電流產(chǎn)生的磁場導致磁針轉動

C.在圓盤轉動的過程中，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量發(fā)生了變化

D.圓盤中的自由電子隨圓盤一起運動形成電流，此電流產(chǎn)生的磁場導致磁針轉動

【試題2】（卷Ⅱ，第18題）指南針是我國古代四大發(fā)明之一。關于指南針，下列說明正確的是（）

A.指南針可以僅具有一個磁極

B.指南針能夠指向南北，說明地球具有磁場

C.指南針的指向會受到附近鐵塊的干擾

D.在指南針正上方附近沿指針方向放置一直導線，導線通電時指南針不偏轉

二、分析解答

試題1，我們知道塊狀金屬放在變化的磁場中，或者讓它在磁場中運動時，金屬塊內將產(chǎn)生感應電流。這種電流在金屬塊內自成閉合回路，很像水的漩渦，稱之為渦流。當圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉時，在盤中產(chǎn)生渦流，渦流受到磁針磁場的安培力作用，安培力（準確講是安培力的力矩）將阻礙圓盤的轉動。由于力的作用是相互的，因此，小磁針也會同方向轉動起來，其轉速肯定小于圓盤的轉速，這其實就是感應異步電動機的原理。可見選項A、B正確。對于圓盤整體而言，穿過其磁通量沒有發(fā)生變化，因此選項C錯誤。圓盤中的自由電子隨圓盤一起運動形成環(huán)形電流，該電流的磁場方向通過圓盤中心方向豎直向下，圓盤中心的其他地方對稱分布，方向均豎直向下。該磁場對小磁針在水平面內的旋轉沒有影響。實際上，圓盤中的正離子也在隨盤旋轉，它與自由電子產(chǎn)生的磁場互相抵消?？梢娺x項D也是錯誤的。對選項D的判斷，如果從相對運動的視角來分析，問題更簡單，假設以圓盤為參考系，則電子不會相對圓盤運動，當然也就沒有電流可言，但是圓盤上的小磁針仍在轉動，這說明兩者的相對運動不可能是選項D描述的情形。因此，該題正確選項為A、B。

試題2，指南針即是一個小的磁鐵。1931年，著名的英國物理學家狄拉克從理論上預言了存在著只有一個磁極的粒子，叫磁單極子。但是有關磁單極子的實驗和理論仍在研究之中，尚未取得重大突破。因此，就目前科學發(fā)展的現(xiàn)狀而言，指南針不可以僅具有一個磁極，選項A錯誤。由于地球是一個磁體，指南針的N極近似指向地球地理位置的北極，指南針的S極近似指向地球地理位置的南極，如果指南針附近有鐵塊，則鐵塊會磁化，從而對指南針產(chǎn)生影響，可見選項B、C正確。如果在指南針正上方附近沿指針方向放置一直導線，導線通電時會在周圍空間產(chǎn)生磁場，由安培定律可確定該電流的磁場方向，容易判定該磁場會使指南針偏離南北指向的位置。綜上，該題正確選項為B、C。

三、試題評價

2015年物理學史試題的取材超出現(xiàn)行課程標準實驗教科書，試題以相關史料為載體，考查考生對實驗現(xiàn)象的理解、推理、分析以及評價的能力。

試題1，阿拉果的“圓盤實驗”所描述的現(xiàn)象是電磁學發(fā)展中的重大發(fā)現(xiàn)。在電磁學發(fā)展史上，阿拉果的“圓盤實驗”曾經(jīng)引起眾多物理學家的關注，如畢奧認為銅盤在運動中產(chǎn)生了磁性，安培認為銅盤在運動中產(chǎn)生了電流（試題1中的D選項即以此設計），直到1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象之后，才正確解釋了“圓盤實驗”。毋庸置疑，阿拉果的“圓盤實驗”對法拉第電磁感應規(guī)律的發(fā)現(xiàn)具有極其重要的影響，“圓盤實驗”使法拉第堅定“磁生電”的信念，促進了法拉第通過設計其他實驗探究“圓盤實驗”之中所蘊含的奧秘，法拉第制作的第一臺發(fā)電機模型的靈感也源于“圓盤實驗”。該題通過再現(xiàn)阿拉果“圓盤實驗”的史實，讓考生置身于歷史的長河中，重復物理學家研究和發(fā)現(xiàn)物理問題的實驗分析，從而鑒別學生對渦流、電磁驅動等概念的理解和掌握的程度。試題圍繞渦流和感應電動勢設問，由于渦流概念屬于考試大綱中的較低要求，備考中或許遺漏了對該知識點的復習。另一方面，圓盤中產(chǎn)生感應電動勢，倒底是動生電動勢、感生電動勢，亦或兩者均有？根據(jù)法拉第電磁感應定律，整個圓盤并不產(chǎn)生感應電動勢，何來感應電流？等等，學生由于缺乏深度的思考，容易造成錯誤的選擇。總之，試題情景和設問（選項）構思巧妙、獨具匠心，抽樣統(tǒng)計難度僅為0.30，說明試題難度稍大，但無可否認這是一道有價值的難題。

試題2，關于指南針的原理與應用，凸顯我國古代物理學發(fā)展的偉大成就。指南針作為我國古代四大發(fā)明之一，在人類文明史上有著重要的地位，是使我國成為文明古國的標志之一，此試題有利于增強考生的愛國熱情和民族自豪感。關于指南針，考生在初中已經(jīng)接觸，由于指南針自身就是一個小磁體，該小磁體受地球磁場的作用發(fā)生偏轉，主要應用于判斷地球南北方位及確定某處磁場的方向。因此，具有初中物理水平的考生就能回答，其難度較小。

綜上所述，2015年物理學史試題的設計，彰顯課程標準的理念且符合中學物理教學的實際情況，對今后中學進行物理學史教學具有重要的引領作用。

四、教學建議

1.教學中融入物理學史的內容，有利于促進三維課程目標的實現(xiàn)

研讀《普通高中物理課程標準（實驗）》可以發(fā)現(xiàn)，物理學史的要求滲透于相關模塊的教學目標之中，總體上可以分為3類：（1）了解物理學家在物理學發(fā)展過程中的貢獻，理解與物理學家相關的重要物理概念、規(guī)律與理論；（2）了解物理學家發(fā)現(xiàn)或探究物理規(guī)律的過程，領悟物理學家探究過程中的物理思想或方法，體會科學探索中的成功或挫折對科學發(fā)現(xiàn)的意義；（3）了解我國古代在物理學方面的成就?？梢姡n程標準中關于物理學史的要求是非常明確的，物理學史本身就是物理教學的目標和學生的學習內容。

物理學史由于其所具有的豐富內容和獨特視角，為增強學生的學習熱情、提升學生的科學素養(yǎng)、促進三維課程目標的達成提供了重要的素材。物理學史融入課堂教學之中，有助于學生了解物理概念、規(guī)律形成和發(fā)展的過程，掌握物理學家探索物質世界的科學方法，有助于激發(fā)學生的興趣，培養(yǎng)學生正確的人生觀和價值觀，是貫徹落實三維課程培養(yǎng)目標的有效途徑。有鑒于此，在物理教學過程中，應當展示前輩科學家在概念、規(guī)律和理論建立過程中的思想與方法，介紹科學家在探究過程中的科學態(tài)度和科學精神，讓學生體驗科學發(fā)生、發(fā)展的過程。正如法國著名的物理學家郎之萬所言，那種認為只需掌握已獲得的、確定的定理的想法是絕對錯誤的，因為它“會使科學喪失掉它的全部教育價值”，而在科學教育中加入歷史的觀點是有百利而無一弊的。

2.教學中重演科學發(fā)生的過程，有利于提高學生的遷移能力

邏輯與歷史的一致性或同一性是黑格爾首先發(fā)現(xiàn)的。邏輯與歷史的一致性表明，個體認識活動的邏輯過程與人類認識發(fā)展的歷史過程，在總體上和主要環(huán)節(jié)上具有一致性。恩格斯認為，邏輯與歷史的關系類似于胚胎生長和古生物進化的關系。的確，當我們參觀從受精卵到嬰兒的各個時期的人體胚胎標本時，當我們參觀從低等動物進化到高等動物的古生物學展覽時，其間的各種相似性令人驚訝、發(fā)人深思。

皮亞杰通過大量的史實考察，認為科學發(fā)展史的確為科學認識的發(fā)生和發(fā)展提供了有力的證據(jù)，他將科學史稱為“認識發(fā)生的實驗室”。該結果進一步表明：科學發(fā)展的歷史對于學生的學習進程具有重要的借鑒作用。邏輯與歷史的一致性對物理教學有重要的啟示，它為理解物理教學體系的形成、發(fā)展，為理解學生認知活動的規(guī)律性，為把握教學中的重點、難點，提供了理論依據(jù)。它使我們懂得，為什么物理教學的邏輯體系在總體和主要環(huán)節(jié)上必定是物理學歷史發(fā)展的反映；為什么歷史上關鍵性的突破和前輩物理學家偉大貢獻的精髓，應該成為物理教學的難點；為什么物理教學中學生的學習難點往往與物理學史中長期未能克服的困難不謀而合，總是帶有歷史的烙印，等等。

認知心理學家指出，清晰、完善的認知結構，能有效促進知識與能力的遷移。有鑒于此，在中學物理教學中引入物理學史，有利于厘清物理學發(fā)展的歷程，有利于學生構建清晰的認知結構，進而提高學生的遷移能力。

3.教學中展示物理學史上的重要實驗，有利于提升學生的科學素養(yǎng)與人文素養(yǎng)

今天的教學不再是教教材，而是用教材教。因此，關注教材以外的重要的物理學史料，特別是物理學家所設計的對理論發(fā)展有重大影響的重要實驗，讓學生用學過的知識去分析實驗、評價實驗，作為教學的拓展或延伸，無疑是必要的。經(jīng)歷這種認識、推理與論證的過程，能使學生了解物理學家探索理論知識的過程、思想與方法，理解概念和規(guī)律形成與發(fā)展的矛盾、原因和結果，培養(yǎng)學生立足于當時歷史條件認識事物的科學的價值觀，并從中受到人文精神的感染、熏陶，對于學生科學素養(yǎng)和人文素養(yǎng)的提高是大有益處的。

【例1】費恩曼圓盤實驗

美國著名物理學家費恩曼曾設計過這樣一個實驗：一塊絕緣圓盤可繞其中心豎直轉軸無摩擦地自由轉動，在圓盤的中部有一個線圈，圓盤的邊緣固定著一圈帶電的金屬小球，如圖2所示。在線圈接通電源或斷開電源的瞬間發(fā)現(xiàn)圓盤會轉動起來。若改變小球帶電的性質或將線圈中電流的方向改變，則在線圈接通電源或斷開電源的瞬間發(fā)現(xiàn)圓盤的轉動方向也會隨之改變。

圖2　費恩曼實驗

【例2】法拉第電磁旋轉實驗

1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，安培提出了分子電流假說……，一系列激動人心的研究成果傳到英國，立即引起了廣泛關注，1821年英國《哲學學報》雜志編輯約法拉第寫了一篇關于電磁問題的述評，這件事導致法拉第開始了電磁學的研究。法拉第在整理電磁學文獻時，為了判斷各種說法的真?zhèn)危隽嗽S多實驗，其中包括奧斯特和安培的實驗。在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)了一個新現(xiàn)象：如果在載流導線附近只有磁鐵的一個極，磁鐵就會圍繞導線旋轉；反之，如果在磁極周圍有載流導線，這導線也會繞磁極旋轉，如圖3所示，這就是電磁旋轉實驗。實際上，它也是最早的電動機雛形。圖中a是可動磁鐵，b是固定導線，c是可動導線，d是固定磁鐵，黑色部分表示汞，下部接在電源上，則從上向下看a逆時針旋轉，c順時針旋轉。

圖3　法拉第電磁旋轉實驗

眾所周知，物理學的發(fā)展過程，實質上是物理學家不斷探索、發(fā)現(xiàn)重要概念和規(guī)律的過程，正是由于這些投身于物理研究的科學家的貢獻，經(jīng)過四個世紀的發(fā)展，物理學才成為一門有著眾多分支、令人尊敬和熱愛的基礎科學。物理學史試題的設計是新課程實施后，高考命題的亮點之一。2015年物理學史試題的設計思想和命題方向值得肯定，對引導中學重視物理學史教學，發(fā)揮物理學史的教育功能將會起到重要的導向作用。

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（編輯：趙悅）

【基金項目】本文系中國教育學會物理教學專業(yè)委員會2013～2016年全國物理教育科研重點課題“習題教學與物理科學方法教育的研究”的研究成果。

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0568（2016）07-0028-03

作者簡介：許冬保，江西省九江市第一中學首席教師，江西省物理特級教師。主要從事高中物理教學及考試命題與評價的研究。