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【人教版】高中物理(必修2)教材介绍(张大昌)
  作者:张大昌(课程教材研究所物理课程教材研发中心)  发布时间:2012-02-03

    ★第五章、机械能守恒定律

    第1节:追寻守恒量

    在过去的教学中,我们总是先学习能量的概念,而后研究一两个具体问题,发现动能与势能之和在某些过程中不变,由此引出机械能守恒定律。实际上,在物理学的发展过程中,能量的概念几乎是与人类对能量守恒的认识同步发展起来的,能量的概念之所以重要,就是因为它是个守恒量。守恒关系是自然界中十分重要的一类关系,我们强调方法的教育、观念的教育,就要从中学时代开始加强学生对守恒关系的认识。根据这样的思想,本书把守恒思想的提出放到了具体的能量概念之前,并把它渗透在能量学习的全过程。今后在其他守恒关系的处理时也会遵循这样的原则。

    第2节:功

    沿着初中物理的思路,我们仍然强调功与能量变化的联系,因此在第一次提到“功”这个术语时就说:“如果物体在力的作用下能量发生了变化,那么这个力一定对物体做了功”。不仅如此,图5.2-1还分别展示了做功与能量变化的关系的几种不同情景。

    本书多处用了卡通图来描述情景,主要目的还不只是引起读者的兴趣。与照片相比,卡通图能够更生动地、夸张性地突出我们所要表现的物理思想。许多学生学不好物理,原因之一是他们对于所讨论的问题不能建立明确的、动态的物理图像,物理学的内容在他们的头脑中只是一些条文与公式。而实际上,物理学的条文与公式不过是一种语言,它们帮助我们把实际情景中蕴含的科学概念和规律抽象出来,但最终还要归结为生动的情景。

    第3节:功率

    第8页P=Fv的关系可以适用于瞬时速度和瞬时功率,推导过程中相应地应该用。考虑到如果这里再引入平均功率与瞬时功率的概念会过于繁琐,所以用了。教学时注意公式的适用条件就可以了。

    关于额定功率,一种说法是“机器正常工作时的功率”。这是由初中课程中电灯等用电器的额定功率那里引申而来的,对于机器并不合适。在本书所用的例子中,某汽车发动机在平直公路上的功率只有20kW左右,能说发动机的工作不正常吗?动力机械是这样,电动机等工作机械也是这样,实际功率经常小于额定功率。本书在这里用了较多笔墨,还配备了例题,目的就是让学生区分几种“功率”。

    第9页“做一做”是调查,这是新课程十分强调的一种学习方式。除了察看实际的机械外,还可以收集说明书、广告等进行调查。路子是相当宽的,老师们还可以想到很多其他途径。学习本书别的内容时也有类似情况。

    调查不只是收集数据,还要充分利用这些数据,如分析功率的大小与机器(或器具)的效能之间的联系等。

    第4节:重力势能

    与过去的处理方法相比,本书认真分析了重力做功与路径是否有关的问题。这样做的目的不是为了追求严密。严密性本身不应成为追求的对象。本书这样做,是想有助于学生形成严肃认真的科学态度。我们不是鼓励学生质疑吗?学到势能的时候,我们又举例又画图,进行详尽的分析,那么,这样的话就到学生的嘴边了:如果物体从A沿着另外一条路线到达B,重力做的功可能不一样,那么A点的势能应该算是多少?我们不能叶公好龙,不能回避。到了这里,即使有的学生没有提出这样的疑问,我们还要帮助他提呢!学习物理课不能总是想着怎样让学生简洁轻快地学到物理知识,我们是在培育一代新人,他们应该具有追根究底的习惯,“自圆其说”应该是学习中起码的追求。

    需要说明的是,本书强调科学方法,用比较高的观点处理问题,有多处表现,这些东西只要求学生能够“跟”来,并不要求学生去重复。也许一段时间之后他们记不清课本所写的内容了,但这样走过的路会在他们的心中留下印记,形成他们的“科学素质”。

    在讨论物体沿任意路径运动时重力做功的问题时,又一次用到了极限的思想。经过多次接触,学生对这样的方法应该比较熟悉了。

    “问题与练习”在第14页的第3题要讨论有空气阻力时的下落情况。这是为了让学生更接近实际情况,哪怕是定性的也好。

    第5节:探究弹性势能的表达式

    《课标》不仅规定了对于知识与技能的要求,还规定了对于过程与方法、情感态度与价值观的要求。这节是为了通过科学探究来落实后两个课程目标而设立的。

    中学课程中的科学探究,是通过学生自己的探索性活动,变未知为已知的一类学习过程,其中是否包含实验,并不是它的本质特征。这节的探究就是一个不包含实验的探究。

    既然功是能量变化的量度,既然重力势能的表达式是通过重力做功的分析得来的,很自然地会想到通过弹力做功可以得到弹性势能的表达式。

    研究一件事物总是先从表面的、定性的考察开始。因此,我们先考虑弹性势能的表达式可能与哪几个物理量有关。

    然后就是技术性的问题:怎样计算拉力所做的功。这里,求和的极限的方法派上了用场……如果在学习匀变速直线运动的位移、重力做功与路径无关等课题时认真地体验过所用的方法,到这时应该能够大致得出所要的结论。

    《课标》没有对弹性势能的表达式提出要求,也就是说这个素材可以不受知识与技能目标的束缚,所以我们完全地把着眼点放到过程与方法上。这节课重在参与。结论的对错不再是心理负担,学生就能真正自由地进行一次探究。

    本节对没有任何要求,不要用这个表达式去解题。教师可以根据具体情况采用不同的方式进行教学。

    第6节:探究功与物体速度变化的关系

    本节的思路是第4、5节的继续,用做功与能量的关系探索另一种能量及其表达式:动能。由于动能的问题比势能复杂些,所以本节暂不直接涉及动能,而是先研究一个与动能密切相关的物理量----速度----与做功的关系。以上想法在学习本节之前要让学生明白。

    实验的写法承袭了本书的一贯风格:不规定具体的实验步骤,但讲清思路,在操作技巧和数据处理方面给出提示。这样会使学生既有章法可循,又有自由创作的空间。

    本书在实验技能上也是有意安排循序渐进的。例如,本节的数据处理又遇到作拟合曲线的技巧,但前面已经接触过,到这里不至于无从下手。这个问题中,由于事先不知道功W与速度v的关系,需要进行尝试。用计算机拟合会方便得多,应该提倡。

    第7节:动能和动能定理

    上节的探究结果只是向我们暗示:物体的动能极可能与速度的二次方成正比,但是否真的这样,还要进一步分析。至于怎样分析,要依具体问题而定,可能是实验分析,也可能是理论分析。本书是通过理论分析最后完成的。

    过去对于新概念、新规律的引入过于简单,不是“通过××实验得到了××结论”,就是“通过推导得到××”。这种做法把复杂的事情简单化,它的最大问题是抹杀了科学的过程。享受科学首先是享受它的过程、享受探索的乐趣。没有了过程,还能有多少情感态度与价值观的教育呢?

    基于以上理念,本书在经过分析后得知物体做功的表达式与的关系后,于第18页底到第19页顶写道:“很可能是一个具有特定意义的物理量……这也印证了我们的想法”。本书希望这样做能减弱过去教学给学生造成的简单化的印象,增加一些不确定性,增加探索的气氛。书中这类问题的处理方法是为教学而设计的,不一定与历史轨迹完全相同,但却符合人们探究时的认识规律,体现了科学探究的特点。

    第8节:机械能守恒定律

    过去是计算物体自由下落时的能量,从而得知机械能守恒,进而推广到普遍的机械能守恒定律。本书则先定性地分析多个具体事例,猜测动能与势能的可能的关系,然后定量计算物体只在重力作用下的能量变化情况,这样来得到机械能守恒的关系。计算中不涉及动能和重力势能的具体表达式,所以更具有普遍性,这点可以向学生说明。

    第9节:实验:验证机械能守恒定律

    本节仍然采用了不给步骤给思路,同时进行难点提示的写法。

    在前面的实验中,测速度时都是用两点间的平均速度代表其中某点的瞬时速度,在这节的第27页,证明了“做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度,等于与它相邻的两点间的平均速度”。前面没有使用这个方法,目的是使学生更多地通过实验认识瞬时速度,同时也是为了避免盲目追求精确度的倾向。在过去的教学中,这个结论是以一个习题的形式出现的,这里做了正式的证明。这也是为了给学生加深这样的印象:无论做什么事情,采用一个新的方法,必须有可靠的根据,不能草率从事。

    第10节:能量守恒定律与能源

    本节分为两部分。

    第一部分简述发现能量守恒定律的历史,基本思想是:能量守恒定律的发现不是偶然的,它是人类对自然认识发展到一定阶段的产物;除了物理学外,别的学科对能量守恒定律的发现也有贡献。书中还提到曾经发现有的核反应中似乎能量并不守恒,后来发现是没有把中微子的能量考虑进去。指出这一事例的目的是说,质疑不仅能催生新的理论,同时能够考验已知的真理。

    本节“思考与讨论”的作用就是一个质疑的范例,它引导我们考虑能量转化和能量转移的方向性。这是本节的第二部分内容。过去的中学物理课程不涉及这个问题,新课程更多地与社会实际相联系,因此对能源问题做了讨论,而研究能源,从物理学的角度看自然要谈宏观过程的方向性。在必修模块中这只是简单地提一提,如果学生继续学习物理,在选修1-2和选修3-3中还有深入一些的讨论。

    问题和练习中的第3题主要是从科学态度的角度考虑的,目的是让学生关心科学技术与社会的关系,重点在参与,不要求学生一定能提出多少有价值的意见。

    ★第六章、曲线运动

    本章分为两大部分,前一部分研究抛体运动及为此所做的准备;后一部分是圆周运动。

    第1节:曲线运动

    与过去的教材相对照,本书仍从砂轮落下微粒的运动入手,开始讨论曲线运动的方向。但是,又有很大不同。过去是由课本描述现象,同时直接说出结论,本书则在学习的开始提出问题,书本不予解答,请学生考虑由现象应该得出的结论。这类“思考与讨论”、“说一说”等,都是为便于学生自主学习所创造的条件。

    过去的教学中也用到曲线的切线的概念,但是高中学生实际上只知道圆的切线。因此,本书用了少量文字简单说明了什么是曲线的切线。这里又一次用到了极限的思想,而且是在几何学的情景下的极限思想。

    第2节:运动的合成与分解

    这节前一半的思路与过去的教学相同,即通过蜡块运动的实验提出运动合成的思想。但是随后的处理则有明显不同。本书采用物理学中规范的方法,强调坐标(位置)、轨迹的概念,并以此为基础解决位移、速度等问题。按照这个思路,以后平抛、斜抛等问题都将纳入同一个框架来处理,不同的只是x、y两个坐标随时间变化的具体方式不同。这样的处理体现了如下思想:重视科学方法、淡化具体运动的特殊规律。

    第37页“思考与讨论”是学过本节后自然而然发生的问题。它涉及的具体知识是为下节做准备的,而在科学态度教育方面,则是鼓励思考、鼓励质疑。

    “问题与练习”第3题是为加强对坐标与轨迹的重要性的认识而设计的。

    第3节:探究平抛运动的规律

    本节首先一般性地介绍抛体运动,转而专门研究平抛运动。

    考虑到问题的难度,竖直方向的探究在教师的引导下进行。尽管如此,它仍然包含了探究的要素,如提出问题、猜想与假设等。这部分教材与过去教学时教师的陈述有本质的区别:第一,所说的“与自由落体的规律一样”是不确定的,它只是“可能”;第二,它是在定性地分析了抛体的运动,发现在竖直方向越来越快之后,做出的合乎情理的猜想;第三,对实验的分析不是书本上写出的,而是要由学生自己做出。

    对水平方向运动规律的探究主要由学生做出。它分三大步骤完成:第一,设法记录物体运动的轨迹;第二,在轨迹上确定相隔相同时间物体所处的位置;第三,判断物体在相同时间在水平方向运动的位移。难点在第二步,需要教师的讲解。

    在实验操作上,仍然是给出一个以上的参考案例,由师生根据各自条件决定具体的操作。

    第40页“说一说”中,用数码相机研究抛体运动,是一个简便可行的方法,有条件时不但可以“说一说”,最好实际做一做。

    第4节:抛体运动的规律

    研究实际的科学问题时,往往不是只凭实验或只凭理论就能得到可靠的结论,这时需要两者结合,互相印证。本节通过理论分析研究抛体的运动。

    与过去不同的是,我们的出发点不是说物体在水平方向做××运动、竖直方向做××运动,而是说它在水平方向受力如何、竖直方向受力如何;既然受这样的力,它在这两个方向上的位置(坐标)与时间的关系就应该是……学习物理学就要学习它的基本方法,而在力学里,根据受力确定物体的运动规律,包括它的坐标随时间变化的规律,进而解决其他问题,这是一个基本方法。学习这样的方法,比多记住一两种具体运动的特点重要得多。多年来关于高中是否学习斜抛运动的讨论,其症结在于大家都在盯着具体的运动规律,没有把科学方法放到应有的地位。课程标准解决了这个问题。

    这节内容是按上节所说的规范化的思路展开的,即先根据物体所受的力和初始条件确定位置与时间的关系,以此为基础再深入研究轨迹、速度等。这个思想在第42页的旁批中明确地写出来了。

    第42页“说一说”要求学生定性讨论炮弹在空气中运动的轨迹,目的也是拉近物理课程与实际的距离。学生们可以自己去发挥,如果有兴趣,也可以查找其他书刊,本书不做统一要求。

    第5节:圆周运动

     “思考与讨论”中有意识地比较含糊地说“运动得快些”,目的是在学生引出角度、弧长这样两种不同的表达。这样做的目的是引导学生注意生活用语与科学术语的区别。

    本节安排了一小段,专门讨论数学问题----弧度。用到弧度了,数学课还没学,其实是很肤浅的一点弧度的知识,物理课不妨讲一讲。物理课用到曲线方程的知识了,学生虽然学过,但不很熟练,物理课上用一用不是就熟练了吗?数学课上用到的物理的例子也不少,这些例子也不都是学生熟悉的。新课程强调学科间的联系,相关学科更不要分得太清。

    自行车是学生十分熟悉的例子,可以让学生感到物理课的亲切。自行车在这节用了两次,下节(第51页)还会用。

    “问题和练习”第5题在物理上很简单,但用了现代的例子,可以使学生感到时代的气息。

    第6节:向心加速度

    本书的向心加速度是用运动学的方法引入的。有了向心加速度的概念之后,下节再根据运动定律得出向心力。

    由于这是第一次对不在同一直线上的矢量进行比较深入的分析,问题有一定的难度。为此,本书把问题分解为两大部分,第一部分讨论向心加速度的方向,第二部分是“做一做”,属于扩展性内容,讨论向心加速度的大小。

    在讨论方向之前再把问题做一次分解,先解决速度的方向发生变化时速度的变化量的表示方法。向心力方向的具体讨论时又分成了五个小步。教学时要注意层次清楚,前面为后面做铺垫,要有节奏感。

    过去引入向心加速度时用的是动力学的方法,即先通过小球在桌面做匀速圆周运动的实例,认识到物体所受的力是指向圆心的,进而得知向心加速度的方向。本书认为,从一个实例引入一种普遍运动的规律,不利于科学方法和科学的价值观的教育,所以采用了运动学的方法。但是,人对新事物的认识又常常不是通过形式逻辑的途径达到的,实例的提示与启发往往是至关重要的,所以本节开始的思考与讨论让学生考虑两个实例,从中悟到向心力与向心加速度的方向,然后再经由逻辑的途径证明这个猜测。

    第51页“做一做”又是一个没有实验的探究活动,它给出了提示,让学生自己尝试去做。

    第7节:向心力

    有了向心加速度,向心力的问题就解决了。

    本书关于实验的一个想法是,尽量使用通用器材而不是专用器材做实验,如果能用生活中常见的物品做实验更好。这样思考的目的是,一方面可以减少由于器材问题引起的困难,使大家多做实验;另一方面则是考虑到,非专用器材,特别是生活物品的实验会拉近科学与学生的距离,使学生感到科学就在我身边,对科学产生亲近感。

    因此,本书没有采用向心力演示器,而是用圆锥摆来验证向心力的表达式。这个实验的优点除了器材易得外,摆球受力的分析方法也是以后常用的,熟练掌握有利于后面的学习。这个实验的难点在于不易保持摆球的圆周运动,但由于是估测,小球能转一两圈也就可以了。

    本节还有一点与过去不同,那就是讨论了变速度圆周运动和一般的曲线运动。这部分内容的目的是要学生在更一般、更广阔的背景下认识抛体运动和匀速圆周运动。这个思想与我们讨论非匀变速的直线运动、讨论匀变速直线运动的位移-时间图象时的出发点是一脉相承的。

    第8节:生活中的圆周运动

    讨论这几个实例时,仍要抓住这样的基本思想,即先分析物体所受的力,然后列出方程、解方程。在这个统一的思想指导下,不必区分拱形桥和凹形桥。

    第57页“说一说”是扩展性内容,目的仍是使学生在更广阔、更一般的背景下认识拱形桥上的运动。由于不要求定量的分析,让学生想一想、说一说是有好处的。

    第58页的“思考与讨论”目的是鼓励学生展开幻想的翅膀,把拱形桥的物理图景推广开去。创造性思维往往就是这样出现的。这个“思考与讨论”也是为下面的学习做准备的。

    超重和失重现象的讨论在本书中分成了两部分,一部分放在牛顿定律的运用中(物理1第93页),另一部分放到圆周运动,分别讨论飞船发射、制动和关闭发动机时飞行的情况。

    ★第七章、万有引力与航天

    这章的整体思路与过去大致相同,但节内的写法还是有很大差异的。

    第1节:行星的运动

    本节简介开普勒行星运动的三个定律。因为后面讨论的条件都是圆轨道近似,所以在第63页中间把圆轨道近似条件下由开普勒定律得出的结论明确地写出来了,以方便使用。

    “科学足迹”叙述了人类认识行星运动的历史,把科学与历史、科学与艺术、科学与社会,以及科学发展与思想解放等几方面很好地结合起来了,寓意很深,应该引导学生反复阅读。

    第2节:太阳与行星间的引力

    从行星运动的规律到万有引力定律,这是科学过程的好教材。本书在第2节和第3节中充分利用了这些材料,向学生展示了这一过程。

    与过去的教学相比,本书更清晰、更有层次地陈述了这一科学过程。本节首先根据开普勒第一、第二定律得出,太阳对不同行星的引力与行星的质量成正比,与行星和太阳间的距离的二次方成反比:。然后,根据牛顿第三定律,推知行星对太阳的引力为。最后,得到。但是,这还不是万有引力定律,因为它只适用于太阳与行星之间。为了强调这一点,我们把这个关系向任意物体间的推广放到下节去进行充分的讨论。

    第3节:万有引力定律

    到此为止,离万有引力定律还有两步之遥。首先,假设月球与地球之间的引力也具有类似的形式,根据月球公转的向心加速度,这一点得到了验证。然后,把这个关系推广到任意两个物体之间。这一点无法得到直接验证,但是,我们没有理由认为不是这样!在过去的教学中我们只重视演绎推理,而往往忽视最后这一点。

    第4节:万有引力理论的成就

    这节的教学思路与过去大致相同。与过去不同的是,在第一小节最后,本书引用了马克.吐温的话:“根据零星的事实,增添一点猜想,竟能赢得那么多收获!”这话虽然出自一位外行人之口,却道出了科学发现的精髓。

    本节结尾引用的冯.劳厄的话,以及最后关于太阳系边界的富于感情的话,激励学生去进一步探索宇宙的奥秘。

    第5节:宇宙航行

    前一小节关于宇宙速度的计算与常用的方法无异。

    第二小节“梦想成真”简述了人类航天事业的发展史,其中特别介绍了我国航天事业的发展。既谈到航天成就,也谈到人类为此付出的代价。全文最后说:“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜”,以激励学生科学探究的志趣。

    人们常常认为航天活动是一项高精尖的事业,与自己的距离较远。其实,它正在改变着我们的日常生活。第77页的STS的目的就是向学生展示这种关系。

    第76页“科学漫步”的“黑洞”的写法与过去有所不同。第一,它明确提出在黑洞问题上经典力学与实际情况是不一致的;第二,它介绍了黑洞探测的最新成果;特别是第三,它的最后一句话非常有哲理地回答了“人们为什么研究黑洞”,以及为什么要研究自然这样一个十分深刻的问题。

    本节“问题与练习”都是与实际密切相关的问题,这些问题的教育功能不只在知识的层面,它们能激发学生学习物理的志趣,增加自信心。

    第6节:经典力学的局限性

    本节从低速与高速、宏观与微观、弱引力到强引力三个方面介绍了经典力学的局限性。这三个方面的具体内容都不要求学生掌握,但学过本节之后,学生会知道,尽管前面已经体会到了它的辉煌成就,但它没有穷尽一切真理,在新的领域还有新的规律等着我们去发现。文中“未知的交响曲”、萧伯纳的幽默的话,以及“相对论和量子力学是哪一种更广泛的理论的特殊情形呢?我们现在还不知道……”,着眼点都在于它们在情感态度与价值观方面的教育功能。

    可能大家会想,学生读过第80页“时间和空间是什么”会更糊涂了。如果真是这样,写这篇材料的目的就达到了。原因是,大家都认为时间和空间是最简单不过的,自己完全了解它。当然实际不是这样。这篇科学漫步不打算讲清时间与空间的问题,只是提出问题,激励学生未来的探索。它的目的同样在于情感态度与价值观的教育。

    ★课题研究:潮汐现象

    潮汐的形成与地球和太阳、月球间的引力有关。本书简单介绍了潮汐的现象,提出了学生可以研究的几个方向。大家也可以选择其他课题。

 
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