浅谈高中物理教材中的物理思想方法

陈林桥 吉文忠

（1.江苏省扬中市教研室，江苏 扬中 212200；2.扬中市联合中学，江苏 扬中 212200）

高中物理教材中蕴含了丰富的物理思想和方法，这为我们进行物理思想和方法教育、教学提供了广阔的空间.为了更好地把握这些思想和方法，笔者以人民教育出版社的物理教材为蓝本进行了一些挖掘、梳理和研究，以供大家参考.

1 合成和分解思想

合成是由部分组成整体，而分解则是由整体分成部分.合成和分解是一种处理分析问题的重要手段，它们互为逆运算，一般是以等效性为前提，以解决问题为目的.

高中物理教材中的合成与分解：（1）矢量的合成与分解，如力、速度、电场强度等矢量的合成与分解，它们遵守平行四边形定则；（2）运动的合成与分解，如平抛运动可以看成水平方向上的匀速直线运动和竖直方向上的自由落体运动合成等；（3）光的合成与分解，如光的的色散与合成；（4）波的合成与分解，如电磁波的发射与接收中的调制与解调；（5）原子核的合成与分解，如核裂变和聚变.

2 极限思想

极限思想是指用极限的概念去分析和解决问题的一种方法.极限思想揭示了变量与常量、无限与有限的对立统一关系，借助极限思想，人们可以从有限认识无限，从“不变”认识“变”，从直线形认识曲线形，从量变认识质变，从近似认识精确.

我们物理教材常常通过以下几种方法来帮助学生建构极限思想：（1）利用人们思维想象来建构极限思想，例如课本上通过平均速度来建立瞬时速度的概念，其间就运用了的极限思想；（2）通过直观图像来建构极限思想，例如课本上借助v－t图像，运用极限思想导出匀变速直线运动的位移公式；（3）通过形象的图示变化来建构极限思想，例如必修2教材中，在探究向心加速度大小的表达式时，给出了甲、乙、丙、丁4幅质点从A运动到B的速度变化量示意图，通过这连续的变化展示，进而得到向心加速度大小的表达式；（4）通过一些数据的陈列来建构极限思想，例如教材3－3上通过列出了一些数据来帮助学生建立绝对零度概念；（5）通过实验观察来建构极限思想，例如教材3－4中通过让学生观察一组渐进的反射现象实验来帮助学生建立全反射的概念.

3 控制变量思想

控制变量思想就是采用控制因素的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题.每次只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响，最后再综合解决.例如必修1教材中“探究加速度与力、质量的关系”实验的基本思想就体现了控制变量思想.

4 类比法

类比法是指由一类事物所具有的某种属性，进而推测与其类似的事物也应具有这种属性的推理方法.

高中物理教材中有：（1）将未见与可见进行类比，例如教材中把头发屑悬浮在蓖麻油里，加上电场来模拟电场线的形状；（2）将未知与已知进行类比，例如教材中讲了电场之后，在引入磁场时，课本进行了这样的类比“正负电荷之间的相互作用是通过电场发生的，磁体与磁体、磁体与通电导体之间以及通电导体与通电导体之间的相互作用，是通过磁场发生的”；（3）将抽象与形象进行类比，例如将分子势能随分子间的距离的变化，与弹簧连接着的两个小球，弹簧的弹性势能的变化趋势进行类比；（4）将微观与宏观进行类比，例如“从微观的角度看，气体对容器的压强是大量气体分子对容器的碰撞引起的，这就好像密集的雨点打到伞上一样，雨点虽然是一滴一滴地打到伞上，大量密集的雨点的撞击，使伞受到持续的作用力”；（5）从时间的前后进行类比，例如教材中所述，德布罗意在博士学位论文中写道：“整个世纪以来，在光学上，与波动方面的研究相比，忽视了粒子方面的研究；而在实物粒子的研究上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子方面的图像想太多，而忽视了波的现象？”于是，他提出假设：实物粒子也具有波动性.

5 整体性思想

整体是指由事物的各内在要素相互联系构成的有机统一体及其发展的全过程.所谓整体性思想，就是从整体出发，着眼全局，把握系统和过程的整体特征以及总体走向的思想方法.

高中物理教材中的整体性思想主要体现：（1）将多体视为一整体来处理，例如人教版选修3－1教材，在求串联和并联电路的电阻时，采取了整体处理的手法；（2）整体综合列式，例如选修3－1第64页例题1的解答中，在求电动势和内阻时，就是对整个电路，根据闭合电路的欧姆定律和题述的2种情况整体列出2个方程式来求解的；（3）整体结构展示，例如人教版选修3－1教材中给出密立根实验示意图，多量程多用电表示意图、原子核式结构模型的α粒子散射图景等，都是给出整体结构来说明问题的；（4）整个体系呈现，教材中在呈现有关知识体系时也注意到体系的整体性，例如牛顿运动第一定律，牛顿运动第二定律，牛顿运动第三定律的安排；（5）整个过程说明，例如人教版选修3－4教材中，把横波的形成整个过程以及绳中质点的运动和波的传播的关系，通过多幅图片揭示得一览无遗；（6）整体性论述，例如教材中说：“从古代光的微粒说，到托马斯·杨，菲涅尔、马吕斯光的波动说，从麦克斯韦的电磁波理论，到爱因斯坦的光子理论，人类对光的认识构成了一部科学史诗.如果现在要问光的本性是什么，我们的回答是：光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性”；（7）整体思路分析，例如选修3－2教材中，运用楞次定律判定感应电流方向的思路方框图，其实就是一个整体思路分析图.

6 转化思想

转化就是将一事物通过某种方法或途径转变为另一事物的一种解决问题的手段.转化有多种多样，就解决问题方面的转化则是将未知向已知转化，将繁向简转化，将难向易转化等.

高中物理教材中转化方式有：（1）隐现之间转化，例如人教版必修1教材中关于两个不易被观察的形变的演示实验，就是通过与其他事物之间的转化使其成为“可观察的”；（2）控量之间的转化，例如传感器一类的元件；（3）单位之间的转化，例如摄氏温标t与热力学温度T的关系：T＝t＋273.15K；（4）物态之间的转化，例如天然水晶是晶体，熔化以后再凝固的水晶（即石英玻璃）就是非晶体，有些非晶体在一定的条件下也可以转化为晶体；（5）场之间的转化，例如“麦克斯韦关于电磁场的一些观点：变化的磁场产生电场；变化的电场产生磁场”；“电磁波的传播的过程其实也就是电场与磁场之间相互转化的过程”；（6）能量之间的转化，例如“能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变”；（7）质能之间的转化，例如教材中所述，“……核子将发生新的质量亏损，释放新的结合能”；（8）图线之间的转化，例如人教版必修1教材中实验探究a与m的关系时，得到的图线是一条曲线，通过坐标转化，用图像处理a与m的关系时得到的却是一条直线.

7 分类思想

分类是从种到属的，一般按照种类、等级或性质进行的分别归类.按照不同的特点、特征、特性对事物进行分类，有助于人们更好地认清事物之间的关系和把握事物的特征和个性.

高中物理教材中分类：（1）按性质进行分类，例如在建立单位制时，根据性质将单位分为基本单位和导出单位等；（2）按等级进行分类，例如力学中将运动分为直线运动和曲线运动，直线运动分为匀速直线运动和非匀速直线运动，非匀速直线运动又分为匀变速直线运动和非匀变速直线运动，而曲线运动又分为匀变速曲线运动和非匀变速曲线运动；（3）按种类进行分类，例如教材中将碰撞分为弹性碰撞和非弹性碰撞，对心碰撞和非对心碰撞，以及电动势分为动生电动势和感应电动势等.

8 叠加思想

叠加原理是指几种不同原因的综合所产生的效果，等于这些不同原因单独产生效果的累加.给人们带来的启示是，复杂与简单、综合与独自之间存在一种内在的联系和机制，正因为这种特殊的关系，也为我们研究和解决一些复杂的现象提供了一种行之有效的方法.

高中物理教材中的叠加：（1）标量的叠加，例如教材必修2在求路径是曲线的重力做功时，运用了标量的叠加；（2）矢量的叠加，例如加速度的叠加，电场和磁场的叠加；（3）波的叠加，例如教材中提到波的叠加原理.（4）思想的叠加，例如教材中所述：“从古代光的微粒说，到托马斯·杨，菲涅尔、马吕斯光的波动说，从麦克斯韦的电磁波理论，到爱因斯坦的光子理论，直到目前，人们认为，光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性”.可以说光的波粒二象性这是人类关于光本质认识思想上一次叠加的结果.

9 简洁性思想

科学追求的是其简洁美，正如教材中所述：“科学概念的力量在于它具有解释和概括一大类自然现象的能力”，物理定律和原理言约义丰，深刻至简.（1）用文字来简洁表述，例如楞次定律的表述：“感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总阻碍引起感应电流的磁通量的变化”；（2）用字母或字母表达式来简洁表示，例如教材中所述，由第谷的行星的观测的大量记录，到开普勒三定律，再到牛顿万有引力定律由纷繁的数据到几句话，又到一个公式，形式越来越简洁，但意义越来越深刻.”

10 模型法

模型是指所研究的系统、过程、事物或概念的一种表达形式，它可以是根据实验、图样放大或缩小而制作的样品，也可以是人们抽象出来的反映事物本质特征的研究对象.建立科学的模型，不仅有助于人们科学研究和把握事物、过程的特征以及事物的本质，而且也有利于人们有效地解决理论问题和指导实际工作.

高中物理教材中典型的物理模型有：（1）点模型，例如质点和点电荷；（2）体模型，例如弹簧振子和单摆以及理想变压器；（3）状态模型，例如理想气体等；（4）过程模型，力学中有匀速直线运动、自由落体运动、平抛运动、圆周运动等等；热学中有气体的等温过程、等容过程、等压过程等等，这些都是理想过程模型；（5）功能模型，例如安培分子电流假说，物质微粒内的分子电流使它们相当于一个个的小磁体；（6）结构模型，例如原子结构模型有汤姆孙原子模型、卢瑟福核式结构模型、玻尔原子模型.

11 守恒思想

守恒主要是指某一物理量或状态在数量、性质上保持不变这一特征.世界是丰富多彩，千变万化的，但万变不离其宗，其背后往往总有一个不变的东西在无形地支配着，所以说变与恒是对立的统一.守恒思想就是要在变化中寻求不变、抓住不变、把握不变、运用不变的思想.

高中物理教材中守恒思想表现在：（1）状态守恒，例如静止或匀速直线运动状态；（2）电荷守恒；（3）动量守恒；（4）能量守恒；（5）质量数守恒，等等.

12 相对性思想

相对是指一个物质、物体和另一个物质、物体的相互比较.相对和绝对是一对哲学范畴，绝对是无条件的、永恒的、无限的、普遍的，而相对则是有条件的、暂时的、有限的、特殊的，相对性思想就是突出“相比较”的特征，突出事物的“条件性”.

高中物理教材中相对性思想主要体现在：（1）运动的相对性.① 质点运动的相对性，例如教材在讲参考系时就涉及到运动的相对性，“选择不同的参考系来观察同一个物体的运动，其结果会有所不同.”② 定律的相对性，例如教材所述：“……以加速运动的火车为参考系，牛顿第一定律并不成立，这样的参考系叫做非惯性系”；（2）相对论，例如教材中的狭义相对论和广义相对论.

13 宏微观统一思想

宏观是用肉眼直接能够观察到的，而微观则是肉眼直接观察不到的，它涉及分子、原子、电子等内部结构或机制.宏微观统一思想就是既要从宏观（大的方面、整体方面）去研究把握事物，又要从微观（小的方面、局部方面）去研究把握事物，其实微观和宏观是从不同角度对同一实物的反映，所以我们必须坚持全面、宏微观统一的观点观察和分析问题.

高中物理教材关于宏微观统一的思想：（1）由微观解释宏观，例如气体压强的微观意义，“从微观的角度看，气体对容器的压强是大量分子对容器碰撞引起的.”（2）由宏观导出微观，例如教材中“由安培力的表达式F＝ILB导出洛伦兹力的表达式F＝qvB”.

14 表征思想

表征是指信息被记载和表示的方式.我们知道广义的知识分为陈述性知识和程序性知识，陈述性知识用于回答“是什么”的问题，即符号、事实、有组织的知识，而程序性知识却用于回答“怎么办”的问题.一般来讲，陈述性知识主要以命题、命题网络和图式的形式来表征的，而程序性知识的表征则是通过产生式来实现的.

我们高中物理教材中主要有以下几种表征.

（1）运动的表征.例如简谐运动，是从下面3方面描述：① 物理量：振幅、周期和频率、相位、回复力、能量；② 简谐运动表达式：；③ 位移－时间图像；还有如机械波，用波长、频率、波速、波动图像来描述.

（2）场的表征.例如电场，① 抽象地描述：a.从力的角度，电场强度；b.从能的角度，电势、电势差、电势能；② 形象直观描述：电场线、等势面.

（3）电流的表征.① 对于恒定电流有电流强度、电压、电阻、电动势、电功、电功率、电热等物理量描述；② 对于交变电流还要有周期和频率、峰值、有效值、相位等物理量加以描述.

（4）现象的表征.这里以热现象和光现象为例，① 热现象的表征，描述的物理量有温度、功、热、内能；描述的定律有热平衡定律，热力学第一定律，热力学第二定律，热力学第三定律.② 光现象的表征，由光直进、光反射、光折射、光干涉、光衍射、光偏振、光电效应、光的波粒二象性、光的概率波等现象及其定律、原理来描述.

（5）结构的表征.例如物质结构，用分子动理论这样来描述的：“物体由分子组成，分子在永不停息地做无规则运动，分子之间同时存在着引力和斥力.”

（6）规律原理的表征.规律有一般规律和特殊规律之分，主要用文字来描述以及用字母公式来表达.

15 理想实验思想

所谓“理想实验”，又叫做“假想实验”“抽象的实验”或“思想上的实验”，它是人们在思想中塑造的思想过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法.“理想实验”不同于真实的科学实验，真实的科学实验是一种实践活动，而“理想实验”是一种思维活动.“理想实验”并不是脱离实际的主观臆想，而是以实践为基础的.在自然科学的理论研究中，它具有重要的作用，使人们对实际的科学实验有更为深刻的理解.

教材中爱因斯坦在建立狭义相对论时，也曾经做了关于同时性的相对性的一个“理想实验”.课本上列举了一个类似的事例，“假设一列火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，这是两件事件.”车上的观察者以车厢为参考系，认为这两件事是同时的.而车下的观察者以地面为参考系，所观测到的却是闪光先到达后壁，后到达前壁，因此认为这两件事是不同时的.

总之，以上所列举的只是中学里较为常用和实用的一些思想和方法，其实我们高中物理教材中所涉及的物理思想和方法还远远不止这些，比如从哲学的高度和层面来看，还有因果关系，联系发展的观点、质变和量变的观点、否定之否定的观点等等.笔者在这里仅起一个抛砖引玉的作用，以期大家对教材中物理思想方法给予更多的关注和研究，从而使教材中这些闪光的物理思想方法发挥更大的作用.