核心素養(yǎng)培養(yǎng)體系下如何理解物理觀念

張先煒??

摘要：基于物理核心素養(yǎng)的構(gòu)成與內(nèi)涵，從物理學(xué)視角形成相關(guān)的基本認(rèn)識(shí)，形成基本的物理觀念。在高中物理教學(xué)中滲透物理觀念可以加深學(xué)生對(duì)物理概念、規(guī)律的理解。結(jié)合人教版高中物理教材，本文分別對(duì)物質(zhì)屬性、運(yùn)動(dòng)、能量等物理觀念的分析，從而更好地理解它們。

關(guān)鍵詞：科學(xué)素養(yǎng)；物質(zhì)觀念；運(yùn)動(dòng)觀念；能量觀念

新課標(biāo)中明確提出：高中物理課程旨在進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，從知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)和未來(lái)發(fā)展的挑戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)。如何提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，我們可以從物理觀念的角度重新審視物理教學(xué)及物理課程的價(jià)值。

一、 物理觀念的含義

觀念是客觀現(xiàn)實(shí)在人們意識(shí)上的反映，物理觀念是物理學(xué)家經(jīng)歷長(zhǎng)期的實(shí)踐和理論研究概括出對(duì)物理世界的根本認(rèn)識(shí)。

愛(ài)因斯坦曾說(shuō)過(guò)：“在建立一個(gè)物理學(xué)理論時(shí)，基本觀念起了最主要的作用。物理書(shū)上充滿了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，但是所有的物理學(xué)理論都是起源于思維與觀念，而不是公式?！睆闹锌梢?jiàn)物理觀念的重要性。

然而在物理教學(xué)中滲透物理觀念卻是很少，導(dǎo)致學(xué)生在解決物理問(wèn)題時(shí)，很容易忽略問(wèn)題的物理屬性，常被公式、計(jì)算左右，出現(xiàn)了一聽(tīng)就懂，一做就不會(huì)的局面，因此物理教學(xué)中滲透物理觀念是非常迫切的。

二、 物理觀念的分類(lèi)

（一） 物質(zhì)屬性的觀念

1. 物質(zhì)觀念。物質(zhì)由大量的分子、原子或離子組成，這些粒子又由更小的粒子組成，比如物質(zhì)內(nèi)部的原子由原子核和核外電子組成，原子核中又有質(zhì)子和中子，在核子中還有更小的微粒，比如夸克等。

2. 物質(zhì)無(wú)限可分觀念。在古代，就已經(jīng)產(chǎn)生了物質(zhì)無(wú)限可分的觀念：“一尺之錘，日取其半，萬(wàn)世不竭”，但這只是一種抽象的觀念，缺乏科學(xué)依據(jù)，近代的物理學(xué)證明了這種假說(shuō)的可靠性，如原子可分為原子核和電子，而原子核又可分為質(zhì)子和中子，質(zhì)子內(nèi)部又有夸克組成，然而又遇到夸克幽禁的困難，所以這種無(wú)限可分的觀念是有條件的。對(duì)應(yīng)地，又提出另外的一種假說(shuō)，即物質(zhì)是有限可分的，因此在現(xiàn)代物理學(xué)面前，這種假說(shuō)又似乎站得住腳，所以只有將兩種假說(shuō)結(jié)合在一起才能真正地接近物理學(xué)真理。

3. 宏觀物質(zhì)和微觀物質(zhì)的觀念。宏觀物質(zhì)和微觀物質(zhì)在物理中遵循不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及形式。例如，牛頓力學(xué)適用于宏觀物質(zhì)，而不適于微觀物質(zhì)，對(duì)于微觀物質(zhì)所處的世界中，某些物理量不是連續(xù)分布而是量子化的，可用量子力學(xué)處理。在宏觀物質(zhì)的世界中，位置和動(dòng)量是確定的，而微觀中，它們是不確定的，所以在研究微觀物質(zhì)時(shí)，需采用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的方法進(jìn)行。

4. 場(chǎng)的觀念。19世紀(jì)30年代，法拉第提出一種觀點(diǎn)，認(rèn)為在電荷的周?chē)嬖谥伤a(chǎn)生的電場(chǎng)，而且近代物理學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并且發(fā)展了法拉第的觀點(diǎn)，電場(chǎng)以及磁場(chǎng)已被證明是現(xiàn)實(shí)存在，并且是互相聯(lián)系的，統(tǒng)稱為電磁場(chǎng)。場(chǎng)和分子、原子組成的實(shí)物一樣具有能量和動(dòng)量，場(chǎng)與實(shí)物是物質(zhì)存在的兩種不同形式，場(chǎng)充滿整個(gè)宇宙，是一種客觀物質(zhì)。

（二） 運(yùn)動(dòng)的觀念

在遠(yuǎn)到宇宙深處，近至咫尺之間，大到廣袤蒼穹，小到微觀粒子都在永不停息地運(yùn)動(dòng)，絕對(duì)靜止的物體是不存在的，物理學(xué)研究物質(zhì)存在的基本形式，以及它們的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。物理中的運(yùn)動(dòng)主要有宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，比如直線運(yùn)動(dòng)，曲線運(yùn)動(dòng)，平拋運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體棒在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)等，另外還有微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，主要是分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。

（三） 相互作用觀念

1. 牛頓力學(xué)中力不是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。牛頓的三個(gè)定律奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，第一定律：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)。第二定律給出了力與質(zhì)量、加速度之間的關(guān)系；第三定律表明兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是等大反向，作用在同一條直線上。牛頓三定律解釋了作用力的性質(zhì)與本質(zhì)，揭示了力與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。

2. 對(duì)稱性思考，兩個(gè)相互作用的物體之間，有作用力必然有反作用力，引發(fā)出了一種對(duì)稱性思考，這種思考對(duì)于物理學(xué)發(fā)展起著重要的作用，比如奧斯特發(fā)現(xiàn)電生磁現(xiàn)象，引發(fā)了法拉第思考磁生電現(xiàn)象。在負(fù)電子發(fā)現(xiàn)幾十年后狄拉克預(yù)言了正電子的存在，并被其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。正電子的發(fā)現(xiàn)開(kāi)辟了反物質(zhì)領(lǐng)域的研究。

3. 四種相互作用力，它們是萬(wàn)有引力、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。引力是自然界的一種基本相互作用，它存在于一切物體之間。電磁相互作用即電荷間的相互作用、磁體間的相互作用。強(qiáng)相互作用，在原子的內(nèi)部有一種未知的強(qiáng)大的相互作用使得原子核緊密地保持在一起，屬于短程力，作用范圍只有約10-15m，即原子核的大小。弱相互作用，是在放射中起作用的一種基本相互作用。

（四） 對(duì)稱守恒的觀念

科學(xué)總追求規(guī)律為目標(biāo)，然而什么是物理規(guī)律呢？對(duì)于每一個(gè)科學(xué)工作者來(lái)說(shuō)，這是力圖回答的問(wèn)題，科學(xué)家們總是會(huì)在變化著的世界中尋找出不變的天地，能量守恒定律就是對(duì)這種不變性的陳述。

能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立，將自然界中各種運(yùn)動(dòng)形式相互聯(lián)系起來(lái)，是由卡諾、邁爾、亥姆霍茲、焦耳等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1. 機(jī)械能守恒定律。主要研究動(dòng)能與重力勢(shì)能及彈性勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化中存在的定量的關(guān)系，其內(nèi)容是：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。注意動(dòng)能、勢(shì)能在所研究過(guò)程初末狀態(tài)統(tǒng)—性。

2. 熱力學(xué)第一定律。焦耳實(shí)驗(yàn)表明以不同的方式對(duì)系統(tǒng)做功時(shí)，只要始末兩個(gè)狀態(tài)是確定的，做功的數(shù)量就是確定的。也就是說(shuō)，改變系統(tǒng)的內(nèi)能，做功和熱傳遞是等價(jià)的，內(nèi)能的增量與功、熱量之間的關(guān)系是ΔU=Q+W，式中W是外界對(duì)系統(tǒng)所做的功，Q是外界傳遞給系統(tǒng)的熱量，它們都是過(guò)程量，而內(nèi)能U是狀態(tài)量，因此ΔU表示變化過(guò)程初、末狀態(tài)的內(nèi)能變化量，與過(guò)程無(wú)關(guān)。

3. 焦耳定律。通有恒定電流的電路是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，但各種形式的能量之間如何轉(zhuǎn)化是有條件的，在電路中，只要有電流通過(guò)電阻，必然會(huì)有電能轉(zhuǎn)化為熱能，而熱能的大小就由焦耳定律來(lái)決定，對(duì)于純電阻元件，電流做的功全部轉(zhuǎn)化為熱能。

4. 楞次定律。其內(nèi)容是感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。楞次定律體現(xiàn)了在電磁運(yùn)動(dòng)中的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，由于外加作用力使得原磁場(chǎng)磁通量發(fā)生持續(xù)變化，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的感應(yīng)電流，且克服周?chē)拇艌?chǎng)阻礙原磁場(chǎng)的磁通量的變化而做功，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流的電能，就是能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程。

5. 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律?？梢员硎鰹椋耗芰考炔粫?huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量保持不變。該定律告訴我們，各種形式的能可以互相轉(zhuǎn)化。該定律把原來(lái)人們認(rèn)為的互不相關(guān)的各種現(xiàn)象——力、熱、聲、光、電、磁、化學(xué)、生物等聯(lián)系在一起，把不同的各類(lèi)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一在一個(gè)自然規(guī)律中。

三、 物理觀念下的教師和學(xué)生

在教師方面，在教學(xué)中滲透物理觀念，可以使學(xué)生受到科學(xué)方法、思維和唯物主義世界觀的教育，較大程度地發(fā)揮了物理課程的價(jià)值。不僅如此，教師有了較為具體的物理觀念，可以改進(jìn)教育教學(xué)方法，提高課堂教學(xué)的效率。

在學(xué)生方面，一個(gè)物理觀念的形成，是學(xué)生理解物理概念、規(guī)律的過(guò)程中，教師逐漸地滲透中形成的，因此在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮如何滲透物理觀念。一旦學(xué)生在學(xué)習(xí)完物理課時(shí)，掌握了有關(guān)的物理觀念，就對(duì)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生影響，表現(xiàn)在學(xué)生遇到問(wèn)題時(shí)，總是按照頭腦中所固有的觀念去解決。

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作者簡(jiǎn)介：

張先煒，貴州省貴陽(yáng)市，貴陽(yáng)市清華中學(xué)。endprint