物理教材中存在的錯(cuò)誤物質(zhì)觀及其消除

段石峰 陳敏華

摘? ? ? 要? 《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》首次提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)的課程目標(biāo)，其中物理觀念是物理核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)，而物質(zhì)觀念是物理觀念的第一要素。《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》用物理觀念統(tǒng)領(lǐng)課程的全部知識(shí)內(nèi)容，并且將“物質(zhì)”作為一級(jí)主題。然而，在我國(guó)物理課程和教學(xué)中普遍缺失場(chǎng)物質(zhì)的概念，導(dǎo)致學(xué)生不能正確認(rèn)識(shí)場(chǎng)的物質(zhì)性，影響學(xué)生正確的物質(zhì)觀的形成。現(xiàn)行物理教材中普遍存在一種錯(cuò)誤的物質(zhì)觀——超距作用觀，建議物理課程和教材中適時(shí)引入引力場(chǎng)（重力場(chǎng)）的概念，消除超距作用這種錯(cuò)誤的物質(zhì)觀。

關(guān) 鍵 詞? 物理觀念? 物質(zhì)觀? 超距作用觀? 引力場(chǎng)? 重力場(chǎng)

引用格式? 段石峰，陳敏華.物理教材中存在的錯(cuò)誤物質(zhì)觀及其消除[J].教學(xué)與管理，2023（31）：56-58.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)，要求高中物理教學(xué)要著力發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，使學(xué)生通過物理學(xué)科的學(xué)習(xí)形成正確的價(jià)值理念、必備品格和關(guān)鍵能力。物理觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)，而物質(zhì)觀則是物理觀念的要素之一。但是現(xiàn)行高中物理教材中存在一種錯(cuò)誤的物質(zhì)觀，忽視了引力場(chǎng)的概念，導(dǎo)致學(xué)生不能正確認(rèn)知場(chǎng)的物質(zhì)性。因此，本文通過分析教材中存在錯(cuò)誤物質(zhì)觀的具體內(nèi)容，提出物理教材中錯(cuò)誤物質(zhì)觀的消除建議，以利于培養(yǎng)學(xué)生形成正確的物質(zhì)觀。

一、物理教材中錯(cuò)誤物質(zhì)觀的表現(xiàn)

人教版高中物理2019版新教材在第三章第3節(jié)“牛頓第三定律”中有一幅如圖1所示的插圖，對(duì)應(yīng)正文中的解讀：“地面上及地球附近的物體受到地球的吸引（重力）。其實(shí)，地球也受到它們的吸引，地球和物體之間的作用也是相互的”。言下之意，重力G和物體對(duì)地球的吸引力F是一對(duì)作用力和反作用力。以往的教材中盡管沒有這幅插圖，但對(duì)作用力和反作用力的描述中都會(huì)舉這個(gè)例子。然而，這其實(shí)這是典型的超距作用觀，是一種帶有普遍性的錯(cuò)誤物質(zhì)觀，因?yàn)樗鲆暳艘?chǎng)這種物質(zhì)的存在。

萬(wàn)有引力曾被認(rèn)為是一種超距作用，但牛頓本人并不贊同這種觀點(diǎn)，它不可避免地會(huì)帶來(lái)一些神秘色彩，違背人們的理智。牛頓在給本特利的一封信中寫道：“很難想象，沒有別種無(wú)形的媒介，無(wú)生命無(wú)感覺的物質(zhì)可以毋須相互接觸而對(duì)其他物質(zhì)起作用和產(chǎn)生影響……沒有其他東西為媒介，一物體可超越距離通過真空對(duì)另一物體作用，并憑借它和通過它，作用力可從一個(gè)物體傳遞到另一物體。在我看來(lái)，這種思想荒唐之極，我相信從來(lái)沒有一個(gè)在哲學(xué)問題上具有充分思考能力的人會(huì)沉迷其中。”牛頓未能解決這個(gè)問題，因而這個(gè)錯(cuò)誤的觀點(diǎn)可以從牛頓時(shí)代以來(lái)的所有物理教科書中找到。我國(guó)物理教材在力學(xué)中始終未提出引力場(chǎng)的概念，即使在電磁學(xué)中引入了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的概念，也仍然消除不了超距作用觀的痕跡，普遍性缺失場(chǎng)物質(zhì)的觀念[1]。例如在“電荷間的相互排斥或吸引”“磁極間的相互排斥或吸引”的說(shuō)法中，“排斥”“吸引”就隱含著超距作用觀。

高中物理教材在力學(xué)中說(shuō)“重力勢(shì)能是地球與物體所組成的系統(tǒng)所共有的”，在電學(xué)中雖然采用與重力場(chǎng)類比的方法建立電勢(shì)能的概念，但依然對(duì)重力場(chǎng)的概念避而不談。例如“重力勢(shì)能屬于地球和物體組成的系統(tǒng)，是地球和物體相互作用產(chǎn)生的。同樣，電勢(shì)能是相互作用的電荷所共有的，或者說(shuō)是電荷及對(duì)它作用的電場(chǎng)所共有的。”這里說(shuō)到電勢(shì)能是電場(chǎng)所共有的，因?yàn)橐呀?jīng)有電場(chǎng)的概念了，而不強(qiáng)調(diào)重力勢(shì)能也是重力場(chǎng)所共有的，是因?yàn)檫€沒有重力場(chǎng)的概念，否則會(huì)有失邏輯。教材中第一次提及重力場(chǎng)概念是在“電場(chǎng)? 電場(chǎng)強(qiáng)度”一節(jié)的“練習(xí)與應(yīng)用”第3題：“場(chǎng)是物理學(xué)中的重要概念，除了電場(chǎng)和磁場(chǎng)，還有重力場(chǎng)。地球附近的物體就處在地球產(chǎn)生的重力場(chǎng)中。仿照電場(chǎng)強(qiáng)度的定義，你認(rèn)為應(yīng)該怎樣定義重力場(chǎng)強(qiáng)度的大小和方向？”

我國(guó)高中物理教材中在沒有引入重力場(chǎng)概念的情況下，在研究自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)提出了重力場(chǎng)強(qiáng)度g，并把它叫做自由落體加速度，而且把它錯(cuò)誤地理解為描述自由落體（物體）的性質(zhì)。事實(shí)上，不同的物體做自由落體運(yùn)動(dòng)經(jīng)過重力場(chǎng)的同一位置時(shí)的加速度是相同的，所以這個(gè)加速度g描述的不是自由落體（物體）的屬性，而是描述重力場(chǎng)的屬性，它跟做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體無(wú)關(guān)，而且在地球表面、內(nèi)部或附近各處的重力場(chǎng)強(qiáng)度不同。正如電場(chǎng)強(qiáng)度E描述的是電場(chǎng)的屬性，而不是描述檢驗(yàn)電荷的屬性一樣，它跟是否存在檢驗(yàn)電荷無(wú)關(guān)，而是由電場(chǎng)本身決定的。在電學(xué)中，我們是先引入電場(chǎng)的概念，再有電場(chǎng)力、電場(chǎng)強(qiáng)度的概念。同樣地，在力學(xué)中，我們也應(yīng)該先引入引力場(chǎng)（重力場(chǎng)）的概念，然后才建立重力、重力場(chǎng)強(qiáng)度的概念。

既然重力是重力場(chǎng)施加的，而不是地球施加的，那么重力做功實(shí)際上是重力場(chǎng)對(duì)物體做功，重力勢(shì)能不是物體和地球的，而是重力場(chǎng)的。因此，不引入重力場(chǎng)概念，就無(wú)法引入重力勢(shì)能概念。為什么重力做的功等于重力勢(shì)能的減少量？這是因?yàn)橛心芰繌闹亓?chǎng)傳遞到物體，物體增加的能量等于重力勢(shì)能的減少量，而重力勢(shì)能指的是重力場(chǎng)的能量。“重力做功與路徑無(wú)關(guān)”的物理意義在于，這個(gè)功剛好等于重力場(chǎng)能量的減少量，其邏輯基礎(chǔ)是重力場(chǎng)可以儲(chǔ)存能量。實(shí)際上，在數(shù)學(xué)上可以證明，任何一個(gè)恒力做功都與路徑無(wú)關(guān)，然而并不是“任何恒力做功與路徑無(wú)關(guān)”都有與“重力做功與路徑無(wú)關(guān)”相同的物理意義，因?yàn)樗鼈儾灰欢ㄓ邢鄳?yīng)的“可以儲(chǔ)存能量的場(chǎng)”。

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，勢(shì)能是場(chǎng)的能量。場(chǎng)的能量與動(dòng)能不同，它不是被物體所攜帶，而是處于物體周圍的空間中。這是場(chǎng)的觀點(diǎn)所帶來(lái)的最深刻的物理思想的變革——能量存在于空間中，而不是物體上。不只是重力勢(shì)能如此，電勢(shì)能也是如此，所有的勢(shì)能都是如此。物體系統(tǒng)所具有的勢(shì)能，并不在物體自身上，而是物體的身外之物，它分布在物體周圍的空間中，即儲(chǔ)存在場(chǎng)中。

二、物理教材中錯(cuò)誤物質(zhì)觀的消除建議

教育的主要功能是培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。概念是思維的最小單元，是建立物理學(xué)理論大廈的基石。物理學(xué)屬于物質(zhì)科學(xué)，其研究對(duì)象是客觀世界中的物質(zhì)及其性質(zhì)，物理學(xué)中最基本的概念是物質(zhì)概念，而各種實(shí)物和場(chǎng)屬于物質(zhì)概念。人們對(duì)物質(zhì)的探索伴隨著物質(zhì)觀的發(fā)展與變革，物質(zhì)形態(tài)從實(shí)物到場(chǎng)，是一次觀念上的飛躍。

學(xué)生對(duì)物理觀念的學(xué)習(xí)進(jìn)階與物理學(xué)發(fā)展中觀念的演變往往具有對(duì)應(yīng)性，但沒有必要讓學(xué)生對(duì)物理觀念的認(rèn)識(shí)也重復(fù)一遍科學(xué)史上觀念的演變過程[4]，而應(yīng)該剔除更新錯(cuò)誤的、陳舊的物理觀念。高中物理是面向全體高中生的物理，因此必須是概念性的，而不是技巧性的。物理學(xué)在不斷地發(fā)展著，好的物理課程必須是今天人們所理解的物理學(xué)。“讓學(xué)生形成物理觀念”的課程目標(biāo)不能停留在課程標(biāo)準(zhǔn)的文本上，也不能停留在口號(hào)上，而要體現(xiàn)并落實(shí)在物理課程和教學(xué)中。

超距作用觀是從牛頓時(shí)代遺留下來(lái)的錯(cuò)誤的物質(zhì)觀，當(dāng)時(shí)人們只能用超距作用來(lái)描述引力，這是牛頓理論中的一個(gè)缺陷。直到19世紀(jì)30年代，為了回答在研究電磁現(xiàn)象時(shí)產(chǎn)生的困惑，法拉第提出了“力線”的概念，用來(lái)解釋電荷或磁體吸引物體的現(xiàn)象，并由麥克斯韋等人完善后形成了“場(chǎng)”的概念。從此科學(xué)家們相信，超距作用是不存在的，愛因斯坦在1915年提出廣義相對(duì)論時(shí)確立了自然界中引力場(chǎng)的科學(xué)地位[5]。那么在改革物理課程時(shí)就不應(yīng)該缺失引力場(chǎng)的概念。美國(guó)高中主流理科教材《科學(xué)發(fā)現(xiàn)者·物理原理與問題》在力學(xué)中引入了引力場(chǎng)的概念[6]。德國(guó)卡爾斯魯厄物理課程（簡(jiǎn)稱KPK）中明確指出：在討論兩個(gè)物體之間的引力、電力和磁力時(shí)，我們必須引入相應(yīng)的場(chǎng)，把它作為第三個(gè)系統(tǒng)，把場(chǎng)描述為像兩個(gè)物體一樣真實(shí)的系統(tǒng)。

例如，帶電體之間的相互吸引或排斥可以這樣來(lái)描述：兩個(gè)同種帶電體被它們共同的電場(chǎng)拉開，兩個(gè)異種帶電體被它們共同的電場(chǎng)拉攏[7]。牛頓時(shí)代所建立的知識(shí)體系只能適用于當(dāng)時(shí)，因?yàn)槿藗兌汲钟谐嘧饔玫挠^念，牛頓自己把它叫做相互作用觀。由法拉第和麥克斯韋創(chuàng)立的現(xiàn)代電動(dòng)力學(xué)首先引入了場(chǎng)理論，從那時(shí)起科學(xué)家們相信“超距作用”的描述是不恰當(dāng)?shù)模嘧饔糜^應(yīng)該算是終止了。然而，在我國(guó)當(dāng)前的物理課程經(jīng)典力學(xué)中，仍然大量充斥著超距作用觀，甚至無(wú)處不在。有鑒于此，物理教材應(yīng)該在教授自由落體時(shí)就引入引力場(chǎng)（重力場(chǎng)）的概念。自由落體的加速度剛好等于引力場(chǎng)強(qiáng)度，這是由于引力質(zhì)量剛好等于慣性質(zhì)量的結(jié)果，只是在經(jīng)典力學(xué)中它們的相同性還沒有顯示出來(lái)。如果不引入引力場(chǎng)的概念，就不可能知道自由落體加速度不是描述自由落體的性質(zhì)，而是引力場(chǎng)的性質(zhì)；如果不引入引力場(chǎng)的概念，也不可能知道重力勢(shì)能不是由被舉高的物體所攜帶，而是儲(chǔ)存在引力場(chǎng)中的能量，正像彈性勢(shì)能是儲(chǔ)存在彈簧中的能量、電勢(shì)能是儲(chǔ)存在電場(chǎng)中的能量一樣；如果不引入引力場(chǎng)的概念，超距作用觀這種錯(cuò)誤的物質(zhì)觀就不可能在教材中消除。相反，如果建立了正確的物質(zhì)觀，就會(huì)很容易理解“自由落體加速度是量度引力場(chǎng)強(qiáng)度的物理量”，重力勢(shì)能就會(huì)在人們的觀念中從重物“移到”引力場(chǎng)，“重力對(duì)物體做功”就會(huì)被理解為引力場(chǎng)的能量發(fā)生傳遞。

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》和《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中對(duì)“物理觀念”有相同的說(shuō)明：“物理觀念是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華”[8][9]，表明了物理概念和物理觀念的關(guān)系：建立物理概念是形成物理觀念的前提條件。建議我國(guó)物理課程和教材中適時(shí)引入引力場(chǎng)（重力場(chǎng)）概念，消除超距作用觀這種錯(cuò)誤的物質(zhì)觀，只有這樣才能讓學(xué)生正確認(rèn)識(shí)場(chǎng)的物質(zhì)性，提煉、升華成正確的物質(zhì)觀，這對(duì)學(xué)生物理觀念的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳敏華.高中物理教材中的普遍性錯(cuò)誤Ⅰ：忽視物質(zhì)的存在——以人教版高中物理教材為例[J].新課程教學(xué)（電子版），2016（10）：4-8.

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[4] 張健，宋白珂，李春密.提升科學(xué)素養(yǎng)，重視物理觀念：淺談物理觀念的提出與認(rèn)識(shí)[J].物理教學(xué)探討，2018（04）：9-13.

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[8] 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[9] 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：4.