高中物理知识模块化教学体系探析

摘 要：本文对高中物理知识进行模块化归纳，并对其中隐含的基本规律做了系统的提炼，最终整理出11个基本原理，较为完整地阐述了经典物理学的教学体系。

关键词：高中物理；模块化；教学体系；初探

一、引言

《高中物理课程标准》规定，高中物理课程由2个必修模块和10个选修模块组成。学生修完2个必修模块获得4个学分后，文、理科学生再从规定的系列里分别各选1个模块，获得2个学分。这样每位学生完成6个必修学分，才可视为完成了本课程的最基本学业，达到高中毕业的最低要求。当然学生也可以根据自己的兴趣、未来学习方向和今后的发展需求，选修相关系列模块的课程。与以前物理教学大纲不同的是，高中物理新课程标准有助于学生继续学习基本的物理知识与技能；体验科学探究过程，了解科学研究方法；增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情；从这个意义上说，新课改下的物理教师就是将物理知识的教学过程作为培养学生上述各种能力的主要途径，物理知识体系只是物理教师口袋里的一个工具而已。因此，物理教师只有清楚地掌握高中所有物理内容的公理体系，从更高的层次上把握各个模块的物理内容，才能够从根本上理解物理学的内涵，从而完成新课程改革赋予物理教师的神圣使命。本文将高中物理所有模块的物理知识归纳、提炼成若干公理，以便物理教师更好地去把握。

二、高中物理必修模块的教学体系

牛顿运动定律；万有引力定律。机械运动是自然界宏观低速物体最简单、最基本的运动形式，而力学是研究宏观物理做低速运动的现象和规律的学科，宏观是相对于微观而言的，低速是相对于光速而言的。人们日常生活直接接触到的并首先加以研究的都是机械运动，这种运动也是贯穿于其他各种运动的最基本的运动形式。因此高中物理把这一部分内容作为文理科学生的必修内容。牛顿分别于1666年和1687年建立的牛顿运动定律和万有引力定律是所有上述物理内容的两大基本原理。在机械运动中，能量之间的变化和传递是通过相互作用来完成的，而力是贯穿力学各部分的主线。因此，我们从这两大原理出发，利用力对物体具体的作用效果即通过力在时间和空间上的累积效果，就可以导出上述模块中所有的物理定律和规律。

在经典力学中，基本物理量是质点的空间坐标和动量。通过牛顿运动定律和初始条件就可以求出质点在任一时刻的空间坐标和动量。对于一个不受外界影响，也不影响外界，不包含其他运动形式（如热运动、电磁运动等）的力学系统来说，它的总机械能及其他物理量就是每一个质点的空间坐标和动量的函数，其状态随时间的变化由总能量决定。从以下的结构图中我们就可以清楚地看出以牛顿运动定律为基础的其他力学命题。同样根据万有引力定律，我们就可以解释天体运行的规律等。

三、高中物理选修模块的教学体系

在高中物理的选修模块中，学生可以根据自己的兴趣、爱好和今后的发展需要，选取一定量的物理内容，这些内容也包含其内在的基础性命题。选修模块的内容很多，但从传统意义上说还是可以分为以下几大部分：

（一）热力学基础。热力学第一定律；热力学第二定律；麦克斯韦速度分布律。热力学是研究热现象的本质和普遍规律的科学，焦耳在1843～1845年，分别用机械功、电能和气体压缩能的转化测定热功当量，以实验支持能量守恒原理，从而建立了热力学第一定律：机械运动的能量与内能可以相互转化。就一个孤立的物理系统来说，无论能量形式怎样相互转化，总的能量的数值是不变的。因此，热力学第一定律就是包含内能在内的能量守恒与转换定律的一种表现。从此原理出发，结合宏观理想气体的状态方程，就可以计算出各种情况下系统的热能并且导出其他相关公式。1850年克劳修斯等科学家提出了热力学第二定律，表达了宏观热力学过程的不可逆性。热力学第二定律还可以表达为：一个孤立的物理系统的熵不会随着时间的流逝而减少，只能增加或保持不变。当熵达到最大值时，物理系统就处于热平衡状态。为了深入研究热现象的本质，我们可以用麦克斯韦速度分布律来计算大量粒子（分子）的平均速度，由此便可以求出其他相关力学量的统计平均值，继而可以导出理想气体的状态方程以及相关分子运动的物理定律和公式。通过这一部分物理内容的学习我们还可以知道，单个粒子（分子）的运动规律服从牛顿运动规律，而大量独立粒子运动却遵循描述由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律。

（二）经典电磁学基础。库仑定律；比奥-萨伐尔定律；法拉第电磁感应定律；经典电磁学。1785年法国人库仑建立了库仑定律（静电力的平方反比定律）。1820年法国人比奥、萨伐尔从实验结果归纳出直线电流元的比奥-萨伐尔定律。通过库仑定律和比奥-萨伐尔定律可以求出静电场以及电流所产生的磁场。1831年英国人法拉第和美国人约·亨利各自发现电磁感应现象所满足的基本规律——法拉第电磁感应定律。在电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似，另一些方面却又有差别。为此法拉第引进了力线（现在叫电场线）的概念，认为电流产生围绕着导线的磁力线（磁感线），电荷向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。1895年荷兰人洛伦兹由电磁理论推出磁场和电场对运动电荷（密度）的作用力表达式即洛伦兹力表达式。不仅电荷及电流能够产生电场和磁场，而且变化着的电场能产生磁场，变化着的磁场也能产生电场。我们利用库仑定律、比-萨定律和法拉第电磁感应定律以及位移电流假设，就可以推导出麦克斯韦方程组，它是经典电磁学的基本方程，它不仅能计算交变电磁场的电场强度和磁场强度，而且能全面描述和计算宏观电磁现象的一切基本规律。

在经典电磁学的建立与发展过程中，形成了电磁场的概念，在物理学其后的发展中，场成了非常基本、非常普遍的概念。在现代物理学中，场的概念已经远远超出了电磁学的范围，成为物质的一种基本的普遍的存在形式，所以在高中物理相关模块中都详细讲述了上述四大基本原理，并且作为理科学生必选内容，其目的也在于此。

（三）光学基础。费马原理；菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式。1629～1639年法国人费马提出光线传播的最小时间原理，这就是著名的费马原理。从费马原理出发我们可以得出光的反射、折射、光的直线传播定律以及薄透镜的物像公式等，它是几何光学的核心原理。但当研究深入到光现象的细节，其空间范围（障碍物）和光波波长差不多大小的时候，就必须要考虑光的波动性。1815年法国人菲涅耳提出光衍射的带构造理论，结合惠更斯的波迹原理，就得到了菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式。此积分公式是干涉和衍射理论的基础，可以解释所有干涉、衍射、光栅等各种光学现象。在经典光学中光的平均能流密度用光強度来表示，所以光学的主要任务就是确定光在传播中光强度的空间分布。

参考文献

[1] 官文栎.走进高中物理教学现场[M].北京：首都师范大学出版社，2008.

[2] 人教社.全日制普通高级中学教科书·物理[M].北京：人民教育出版社，2006.

[3] 廖伯琴.高中物理课程标准解读[M].武汉：湖北教育出版社，2004.

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