2015年全国课标理综卷物理学史试题评析与教学建议

□许冬保



2015年全国课标理综卷物理学史试题评析与教学建议

□许冬保

【摘要】2015年全国课标理综卷Ⅰ及卷Ⅱ中的物理学史试题，其史料已超出现行教材。其设计思想与命题方向，对加强中学物理学史教学具有较好的导向作用。本文通过对试题进行评析，从教学论的视角，提出加强物理学史教学的三条建议。

【关键词】“圆盘实验”；指南针；分析；评价；教学建议

一、原题展示

【试题1】（卷Ⅰ，第19题）1824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”。实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图1所示。实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后。下列说法正确的是（）

图1

A.圆盘上产生了感应电动势

B.圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动

C.在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化

D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动

【试题2】（卷Ⅱ，第18题）指南针是我国古代四大发明之一。关于指南针，下列说明正确的是（）

A.指南针可以仅具有一个磁极

B.指南针能够指向南北，说明地球具有磁场

C.指南针的指向会受到附近铁块的干扰

D.在指南针正上方附近沿指针方向放置一直导线，导线通电时指南针不偏转

二、分析解答

试题1，我们知道块状金属放在变化的磁场中，或者让它在磁场中运动时，金属块内将产生感应电流。这种电流在金属块内自成闭合回路，很像水的漩涡，称之为涡流。当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，在盘中产生涡流，涡流受到磁针磁场的安培力作用，安培力（准确讲是安培力的力矩）将阻碍圆盘的转动。由于力的作用是相互的，因此，小磁针也会同方向转动起来，其转速肯定小于圆盘的转速，这其实就是感应异步电动机的原理。可见选项A、B正确。对于圆盘整体而言，穿过其磁通量没有发生变化，因此选项C错误。圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成环形电流，该电流的磁场方向通过圆盘中心方向竖直向下，圆盘中心的其他地方对称分布，方向均竖直向下。该磁场对小磁针在水平面内的旋转没有影响。实际上，圆盘中的正离子也在随盘旋转，它与自由电子产生的磁场互相抵消。可见选项D也是错误的。对选项D的判断，如果从相对运动的视角来分析，问题更简单，假设以圆盘为参考系，则电子不会相对圆盘运动，当然也就没有电流可言，但是圆盘上的小磁针仍在转动，这说明两者的相对运动不可能是选项D描述的情形。因此，该题正确选项为A、B。

试题2，指南针即是一个小的磁铁。1931年，著名的英国物理学家狄拉克从理论上预言了存在着只有一个磁极的粒子，叫磁单极子。但是有关磁单极子的实验和理论仍在研究之中，尚未取得重大突破。因此，就目前科学发展的现状而言，指南针不可以仅具有一个磁极，选项A错误。由于地球是一个磁体，指南针的N极近似指向地球地理位置的北极，指南针的S极近似指向地球地理位置的南极，如果指南针附近有铁块，则铁块会磁化，从而对指南针产生影响，可见选项B、C正确。如果在指南针正上方附近沿指针方向放置一直导线，导线通电时会在周围空间产生磁场，由安培定律可确定该电流的磁场方向，容易判定该磁场会使指南针偏离南北指向的位置。综上，该题正确选项为B、C。

三、试题评价

2015年物理学史试题的取材超出现行课程标准实验教科书，试题以相关史料为载体，考查考生对实验现象的理解、推理、分析以及评价的能力。

试题1，阿拉果的“圆盘实验”所描述的现象是电磁学发展中的重大发现。在电磁学发展史上，阿拉果的“圆盘实验”曾经引起众多物理学家的关注，如毕奥认为铜盘在运动中产生了磁性，安培认为铜盘在运动中产生了电流（试题1中的D选项即以此设计），直到1831年法拉第发现电磁感应现象之后，才正确解释了“圆盘实验”。毋庸置疑，阿拉果的“圆盘实验”对法拉第电磁感应规律的发现具有极其重要的影响，“圆盘实验”使法拉第坚定“磁生电”的信念，促进了法拉第通过设计其他实验探究“圆盘实验”之中所蕴含的奥秘，法拉第制作的第一台发电机模型的灵感也源于“圆盘实验”。该题通过再现阿拉果“圆盘实验”的史实，让考生置身于历史的长河中，重复物理学家研究和发现物理问题的实验分析，从而鉴别学生对涡流、电磁驱动等概念的理解和掌握的程度。试题围绕涡流和感应电动势设问，由于涡流概念属于考试大纲中的较低要求，备考中或许遗漏了对该知识点的复习。另一方面，圆盘中产生感应电动势，倒底是动生电动势、感生电动势，亦或两者均有？根据法拉第电磁感应定律，整个圆盘并不产生感应电动势，何来感应电流？等等，学生由于缺乏深度的思考，容易造成错误的选择。总之，试题情景和设问（选项）构思巧妙、独具匠心，抽样统计难度仅为0.30，说明试题难度稍大，但无可否认这是一道有价值的难题。

试题2，关于指南针的原理与应用，凸显我国古代物理学发展的伟大成就。指南针作为我国古代四大发明之一，在人类文明史上有着重要的地位，是使我国成为文明古国的标志之一，此试题有利于增强考生的爱国热情和民族自豪感。关于指南针，考生在初中已经接触，由于指南针自身就是一个小磁体，该小磁体受地球磁场的作用发生偏转，主要应用于判断地球南北方位及确定某处磁场的方向。因此，具有初中物理水平的考生就能回答，其难度较小。

综上所述，2015年物理学史试题的设计，彰显课程标准的理念且符合中学物理教学的实际情况，对今后中学进行物理学史教学具有重要的引领作用。

四、教学建议

1.教学中融入物理学史的内容，有利于促进三维课程目标的实现

研读《普通高中物理课程标准（实验）》可以发现，物理学史的要求渗透于相关模块的教学目标之中，总体上可以分为3类：（1）了解物理学家在物理学发展过程中的贡献，理解与物理学家相关的重要物理概念、规律与理论；（2）了解物理学家发现或探究物理规律的过程，领悟物理学家探究过程中的物理思想或方法，体会科学探索中的成功或挫折对科学发现的意义；（3）了解我国古代在物理学方面的成就。可见，课程标准中关于物理学史的要求是非常明确的，物理学史本身就是物理教学的目标和学生的学习内容。

物理学史由于其所具有的丰富内容和独特视角，为增强学生的学习热情、提升学生的科学素养、促进三维课程目标的达成提供了重要的素材。物理学史融入课堂教学之中，有助于学生了解物理概念、规律形成和发展的过程，掌握物理学家探索物质世界的科学方法，有助于激发学生的兴趣，培养学生正确的人生观和价值观，是贯彻落实三维课程培养目标的有效途径。有鉴于此，在物理教学过程中，应当展示前辈科学家在概念、规律和理论建立过程中的思想与方法，介绍科学家在探究过程中的科学态度和科学精神，让学生体验科学发生、发展的过程。正如法国著名的物理学家郎之万所言，那种认为只需掌握已获得的、确定的定理的想法是绝对错误的，因为它“会使科学丧失掉它的全部教育价值”，而在科学教育中加入历史的观点是有百利而无一弊的。

2.教学中重演科学发生的过程，有利于提高学生的迁移能力

逻辑与历史的一致性或同一性是黑格尔首先发现的。逻辑与历史的一致性表明，个体认识活动的逻辑过程与人类认识发展的历史过程，在总体上和主要环节上具有一致性。恩格斯认为，逻辑与历史的关系类似于胚胎生长和古生物进化的关系。的确，当我们参观从受精卵到婴儿的各个时期的人体胚胎标本时，当我们参观从低等动物进化到高等动物的古生物学展览时，其间的各种相似性令人惊讶、发人深思。

皮亚杰通过大量的史实考察，认为科学发展史的确为科学认识的发生和发展提供了有力的证据，他将科学史称为“认识发生的实验室”。该结果进一步表明：科学发展的历史对于学生的学习进程具有重要的借鉴作用。逻辑与历史的一致性对物理教学有重要的启示，它为理解物理教学体系的形成、发展，为理解学生认知活动的规律性，为把握教学中的重点、难点，提供了理论依据。它使我们懂得，为什么物理教学的逻辑体系在总体和主要环节上必定是物理学历史发展的反映；为什么历史上关键性的突破和前辈物理学家伟大贡献的精髓，应该成为物理教学的难点；为什么物理教学中学生的学习难点往往与物理学史中长期未能克服的困难不谋而合，总是带有历史的烙印，等等。

认知心理学家指出，清晰、完善的认知结构，能有效促进知识与能力的迁移。有鉴于此，在中学物理教学中引入物理学史，有利于厘清物理学发展的历程，有利于学生构建清晰的认知结构，进而提高学生的迁移能力。

3.教学中展示物理学史上的重要实验，有利于提升学生的科学素养与人文素养

今天的教学不再是教教材，而是用教材教。因此，关注教材以外的重要的物理学史料，特别是物理学家所设计的对理论发展有重大影响的重要实验，让学生用学过的知识去分析实验、评价实验，作为教学的拓展或延伸，无疑是必要的。经历这种认识、推理与论证的过程，能使学生了解物理学家探索理论知识的过程、思想与方法，理解概念和规律形成与发展的矛盾、原因和结果，培养学生立足于当时历史条件认识事物的科学的价值观，并从中受到人文精神的感染、熏陶，对于学生科学素养和人文素养的提高是大有益处的。

【例1】费恩曼圆盘实验

美国著名物理学家费恩曼曾设计过这样一个实验：一块绝缘圆盘可绕其中心竖直转轴无摩擦地自由转动，在圆盘的中部有一个线圈，圆盘的边缘固定着一圈带电的金属小球，如图2所示。在线圈接通电源或断开电源的瞬间发现圆盘会转动起来。若改变小球带电的性质或将线圈中电流的方向改变，则在线圈接通电源或断开电源的瞬间发现圆盘的转动方向也会随之改变。

图2　费恩曼实验

【例2】法拉第电磁旋转实验

1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，安培提出了分子电流假说……，一系列激动人心的研究成果传到英国，立即引起了广泛关注，1821年英国《哲学学报》杂志编辑约法拉第写了一篇关于电磁问题的述评，这件事导致法拉第开始了电磁学的研究。法拉第在整理电磁学文献时，为了判断各种说法的真伪，做了许多实验，其中包括奥斯特和安培的实验。在实验过程中，发现了一个新现象：如果在载流导线附近只有磁铁的一个极，磁铁就会围绕导线旋转；反之，如果在磁极周围有载流导线，这导线也会绕磁极旋转，如图3所示，这就是电磁旋转实验。实际上，它也是最早的电动机雏形。图中a是可动磁铁，b是固定导线，c是可动导线，d是固定磁铁，黑色部分表示汞，下部接在电源上，则从上向下看a逆时针旋转，c顺时针旋转。

图3　法拉第电磁旋转实验

众所周知，物理学的发展过程，实质上是物理学家不断探索、发现重要概念和规律的过程，正是由于这些投身于物理研究的科学家的贡献，经过四个世纪的发展，物理学才成为一门有着众多分支、令人尊敬和热爱的基础科学。物理学史试题的设计是新课程实施后，高考命题的亮点之一。2015年物理学史试题的设计思想和命题方向值得肯定，对引导中学重视物理学史教学，发挥物理学史的教育功能将会起到重要的导向作用。

参考文献：

[1]李勇,程力.课程标准高考物理学史考查的理念和方法研究[J].中国考试,2015(3):15-21.

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[3]陈熙谋,等.物理教学的理论思考[M].北京:北京教育出版社,1997: 98-100.

[4]高嵩,廖伯琴.科学理论的历史演进对科学教学的启示[J].物理教学,2015(4):74-78.

（编辑：赵悦）

【基金项目】本文系中国教育学会物理教学专业委员会2013～2016年全国物理教育科研重点课题“习题教学与物理科学方法教育的研究”的研究成果。

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1671-0568（2016）07-0028-03

作者简介：许冬保，江西省九江市第一中学首席教师，江西省物理特级教师。主要从事高中物理教学及考试命题与评价的研究。