人教版普通高中物理课程标准实验教科书选修3-4的编写思想，本文主要内容关键词为：教科书论文,人教版论文,课程标准论文,普通高中论文,物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
选修系列继承了必修教科书的编写思想，即循序渐进、改变学习方式、贯穿探究精神、增强实践意识、重视科学思想与科学方法、渗透情感态度价值观的教育等几个方面。本文以问答的形式，通过选修3-4中的实例对编写思想做些说明。
第十一章 机械振动
·简谐运动的定义为什么与过去不同？
在过去的教学中一直说：“物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比，并且总指向平衡位置的回复力的作用下的振动，叫做简谐运动。”这个说法没有错，但这是从动力学的角度下的定义，这就好像在说：“物体在大小、方向都不变的力的作用下的运动叫做匀变速直线运动。”人们对事物的认识总是首先大致回答“是什么”，然后再探讨“为什么”。因此，新教科书中简谐运动的定义写为：“如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律……这样的振动叫做简谐运动。”这是从运动学的角度定义的简谐运动。在后面第3节则说：“如果质点所受的力……质点的运动就是简谐运动。”这是从动力学的角度说明质点做简谐运动的条件。
把运动的描述与运动的成因分清楚，这种做法在学习匀速直线运动时就已经注意了，目的是使学生的思维条理化，这属于科学方法、科学态度教育的范畴。
·为什么定义简谐运动时只提正弦函数，不提余弦函数？
正弦函数的一般形式为y=Asin(ωx+
)（见高中数学教科书），在取不同值时它已经把y= Asinωx、y=Acosωx等各种情况都包括了，所以这套教科书只提正弦函数。
·相位的概念要掌握到什么程度？
课程标准的要求是：“能用公式和图象描述简谐运动的特征。”这里就包括了振幅、频率（周期）和相位。为了更明确地表达对相位的要求，课程标准又通过例子做了说明：“用两个摆长相同的单摆演示简谐运动的相位差。”教科书就是按照课标这个例子的思路展开的：两个同样摆长、同样振幅的单摆，如果开始运动的时间不同，它们的振动情况也不相同；为了描述这个差别，我们引入相位的概念。除此之外再弄清楚公式中哪个量代表相位，这样就足够了。如果习题涉及相位差，编者掌握的难度是，相位差应该能从公式或图象直接看出，不需要复杂的推算。
·怎样根据图 11.2-3（如图1所示）中月相的插图判断画中描述的是黎明还是黄昏？
画中情景是我国北方的冬天。北方平原的房屋大门朝南开，冬天的太阳从东南方升起，在西南方落下。月球的光亮是太阳的照射引起的，从月牙弧面的方向推断，此时太阳正在房屋的东南方。所以这幅图画的是黎明时的情景。
图1 如果你平时注意观察月亮的圆缺变化，你就能判断这张照片是在黄昏拍摄的还是在黎明拍摄的
这是一篇阅读材料，目的是加强物理课与日常生活、自然现象的联系。这个问题并不涉及很多专业知识，但能做出以上判断的人，平时一定热爱生活、热爱自然、注意观察、爱动脑筋。安排这个阅读材料的目的是进行一些情感态度价值观方面的教育。这样的“科学漫步”栏目不做统一要求。
·单摆做简谐运动的回复力应该说是重力的分力还是重力与绳的拉力的合力？
一般来讲，说到一个物体受到的力与它的运动的关系时，这个力应该指合力。在单摆的问题里，重力与绳的拉力的合力并不沿圆弧的切线方向，而是偏向圆弧的内部，合力的一个作用效果是使摆球的线速度发生改变，另一个效果是使摆球的运动方向改变，即沿圆弧运动。
教科书研究的是偏角θ很小时单摆的运动，这时可以不再区分摆线运动的弧与它所对的弦，而要研究摆球沿圆弧的运动，只考虑沿圆弧切线方向的力就可以了。因此，历年的教科书在研究单摆小球的简谐运动时，都只分析重力在切线方向的分力。
·通过“探究单摆周期与摆长的关系”这个实验，学生能够得到单摆的周期公式吗？
在过去的教学中，学习单摆时有一个测量性实验，而课程标准在这里写出了两个与实验相关的要求：“通过实验，探究单摆的周期与摆长的关系”和“会用单摆测定重力加速度”。由于两个实验所用的器材、操作的要点都一样，从训练技能的角度看，两个实验的教育价值是相近的，第一个实验能够起到科学探究的教育作用，所以教科书中只写了一个，但课文也描述了用单摆测定重力加速度的方法及注意事项。
在必修1最后的“学生实验”中介绍了绝对误差和相对误差的知识，测量单摆周期时要用到这些知识。此外，通过作图寻找T与l的关系时也要用到过去多次实验用过的技巧。这些地方都体现了科学方法的教育。
·在把单摆的运动当作简谐运动时，为什么没有提“摆角小于5°”这个条件？
事实上，单摆的运动并不像弹簧振子那样是理论上的简谐运动，它的周期也并不是严格服从惠更斯的单摆周期公式。单摆的周期不仅与摆长和重力加速度有关，而且与最大摆角
有关，这个关系不能用初等函数表达，但可以用级数展开：
从中可以看出，最大摆角越小，实际周期与惠更斯公式给出的周期的差别越小。教科书中的几个相对误差的值就是这样得到的。
虽然没有必要教给学生这个公式，但“最大摆角越小，单摆的运动越接近简谐运动”这种“与理想模型越来越近”的思想一定要让学生知道。至于什么时候能够把它的运动当作简谐运动，什么时候不能，要根据问题的需要来定。不能使学生形成一个僵化的观念：小于某个确定的角度时单摆的运动是简谐运动，大于这个角时就不是。教科书这样处理也是出于科学方法教育的考虑。
从书中的数据来看，最大摆角为21°时惠更斯公式的误差也只有0.83%，这对于中学物理实验来说已经很好了，因此5°的限制是完全没有必要的。
第十二章 机械波
·对于惠更斯原理应该要求到什么程度？
课程标准要求“了解惠更斯原理，能用其分析反射和折射”，因此教科书原原本本地介绍了惠更斯原理。至于用它来分析反射和折射，一种做法是定性分析，另一种做法是定量分析。对于反射定律，教科书做了定量分析，即从惠更斯原理出发导出了反射定律；对于折射定律，只给出了思路，没有进行推导。实际教学中，教师应该根据学生的基础和课时来决定教学方法，即使是反射定律，也可以只讲思路，不在课堂上做平面几何的推证。
教科书采用了定量的分析，还有一个原因：这样能够得出波的折射定律
。波的折射定律在教科书中没有什么用处，这里是为了与后面的光学相呼应：光的折射定律是实验定律，但光的折射定律与波的折射定律具有完全相同的形式，这是否暗示着光是一种波？也就是说，波的折射定律在与光的波动性相呼应。编者要向学生传递这样的思想：科学上的新发现并不是一个人一时的创造，人们认识到的新规律，往往是在一定时期内，在许多事实上已经有所表露，人们对它的认识最初带有很大的猜测性。
总的说来，惠更斯原理具有一定的独立性，它对以后的学习没有很大的影响。
·学生是否应该记住水波的波速与水深的关系？
水波的折射是放在“做一做”栏目中的，不要求所有学生都掌握。由于水波波速与水深的关系能够解释为什么海浪的传播方向总与海岸垂直，而现实生活中波的折射的例子不多，所以教科书安排了这样一个栏目。
·按照第6节“做一做”栏目的“操场上声音的干涉现象”进行操作，为什么有时候不成功？
根据编者的经验，这个实验应该在比较空旷的操场上进行，周围不能有高大的建筑。来自这些建筑的反射波相互叠加，干涉的情况就复杂了。有的学校在教室中做这个实验，效果也很好，但要用较高频率的声波。
·为什么没有给出多普勒效应的公式？
课标对多普勒现象的要求是：“通过实验感受多普勒效应。解释多普勒效应产生的原因。列举多普勒效应的应用实例。”利用教科书插图12.7-2 （如图2所示）中队列行进的模拟实验可以很清楚地说明多普勒效应的产生原因，所以没有必要给出公式。是否出现公式与要求的高低没有简单的关系。
图2 多普勒效应的模拟实验
·新教科书关于超声波的介绍有什么特点？
各种媒体上的科普文章有一个共同的缺点：描述了神奇的现象，但缺少逻辑关系，因此它们的描述难以让人信服，更不能起到科学方法、科学精神方面的教育作用。为了克服这类缺点，教科书在介绍科技新成就时掌握两条原则：第一，提供一定的事实或一定的规律，作为讨论的基础；第二，用简单的逻辑关系把这些事实或规律与新奇的现象和功能联系起来。这是整套教科书都坚持的原则。
在介绍超声的应用时，先强调关于超声的一个事实——波长短；再介绍两个规律——①由于波长短，所以不易发生衍射，②由于频率高，所以能量密度大。由于第①点，我们可以用超声探察内脏的形状以发现病变；由于第②点，我们可以用超声清洗、碎石。
即使是阅读材料，也要使它不仅传递科学知识，而且在科学方法、科学精神的教育方面发挥作用。
第十三章 光
·新教科书中的几何光学和物理光学为什么没有完全分开？
教科书是否应该按照历史发展的线索展开，一直是大家讨论的热点。其实两种方式各有优缺点，不同的内容、不同的教育目的，可以采用不同的线索。
一方面，本书前面已经用较大篇幅描述了机械波，甚至包括了惠更斯原理，而且现代高中学生对于电磁波等波动知识已经有些了解；另一方面，物理学对光的研究主要是光的本性，几何光学侧重于物理学的技术应用，在新课程中已经很少了；因此编者在光学的第一节就把“光到底是什么”这个问题提出来了。
从历史上看，光的波动说也是一直与微粒说并存的，在一定条件下两种学说都能解释光沿直线传播这一事实。
·在“光的折射”一节例题的插图中只画出了一条光线，这样怎能表示像的位置？
题中说的是能够“看到”某点，而“看到”就是有光线从这点射到人的眼中。因此，研究一条光线已经足够。当然，如果真的要在某个问题中确定像的位置，一条光线是不够的。
应该指出的是，水中物体上的一个光点发出的一束光线，射出水面后它们（或它们的反向延长线）并不能会聚在一个几何点上，因此，不会像平面镜反射那样出现严格意义上的“像”。我们只能比较模糊地看到水中的物体。
·当入射角正好等于临界角时是否发生全反射？
是否发生全反射要看进入第二种介质中的能流是否具有垂直于界面的分量，这是基本的判据。理论分析表明，当入射角大于和等于临界角时，第二种介质中的电磁场并不为零，但能量只沿着两种介质的界面流动，与界面垂直的平均能流是零。因此，应该说入射角正好等于临界角时发生的也是全反射。
附带要说的是，发生全反射时尽管第二种介质中存在电磁场，但场的强度在与界面垂直的方向按指数规律衰减。
·对于相干光源应该要求到什么程度？
课程标准相应的要求是“知道产生干涉、衍射的条件”，是比较低的要求，没有单独提出相干光源的问题。但是为了知道干涉的产生条件，多少会涉及相干光源，因此教师应该有以下较为深入的认识，但不必要求学生。
光源的光是由原子内部发出来的。以白炽灯为例，加热使灯丝的原子达到激发态，甚至电离，当原子回到较低能态时，能量以光子的形式放出来。灯丝里众多的原子，哪个在什么时候发光、发什么频率的光、朝哪个方向发光、发出的光在哪个方向偏振，都是随机的。两个独立光源发出的光相互叠加时，一会儿甲光源中的某个原子与乙光源中的某个原子发出的光在一点相互加强，过一会儿另一对原子发出的光又在这点相互削弱，因此不能得到稳定的干涉图样。
如果用双缝或其他方法把一束光分开，某个原子发出的光被分成两部分，这两部分光不仅频率相同、偏振方向相同，而且相位差总是确定的。他们在空间“自己跟自己”叠加，这种情况下才出现稳定的干涉图样，这样的光才是相干光。因此两束光相干的条件不仅仅是频率相同、偏振方向相同，而且要求它们具有确定的相位差。
现在有了激光，一束激光中各点的电磁振动都是同步的，相位是确定的，两束频率相同的独立的激光具有确定的相位差，因此可以发生干涉。
·新教科书对于色散的定义是否与原来的定义不同？
新教科书说：“含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫做光的色散”。这个定义是正确的。原来的教科书在第一次出现色散这个术语时说的是：“……一束白光经过棱镜后会发生色散……”，这当然也是正确的。新书给出了色散的定义，原来的说法是对色散的描述，两者并不矛盾。
不仅棱镜能使光发生色散，其他光学元件，例如光栅，也能使光发生色散。
·用并列的两支铅笔观察光的衍射时，光屏在哪里？
教科书介绍了几个有趣的小实验，例如用并列的两支铅笔观察单缝衍射、用羽毛观察光栅衍射。铅笔缝和羽毛缝的宽度远小于人眼瞳孔的直径，透过狭缝的光发生衍射，由人眼的角膜和晶状体会聚，在视网膜上形成亮暗相间的条纹，引起视觉。这等于把整套实验器材搬到了人眼内部和眼前的很小一处空间。
·现在医院使用的内窥镜还是书中描述的那样吗？
书中描述的是纤维式内窥镜，现在用的多是电子式内窥镜。后者的前端有一个小摄像头，通过管中的电缆连到计算机上，在屏幕上显示，供多人研究，而且能够以电子文件的形式存储起来。最好的纤维式内窥镜也只有几十万像素，而电子式内窥镜的分辨率高得多。
·“激光”一节为什么不介绍激光产生的机理？
课程标准只要求学生“了解激光的特性和应用”，不涉及激光是怎样产生的。再考虑到学生的原子物理知识很少，所以本书只谈激光是什么，而完全不谈激光产生的机理。
第十四章 电磁波
·在“电磁波的发现”这一节，编者想体现哪些科学方法和科学过程的教育？
电磁波这一章没有难以理解的概念，也没有多少定量的内容，教学中要注意的主要是科学方法、科学过程和科学态度的教育。
要注意的第一点是，猜想在科学过程中的重要性。教学中老师们都会说，麦克斯韦的电磁理论是关于电磁场的完整的理论；但是，这个理论是不能从当时已有的实验结果中用演绎或归纳的方法得出来的。的确，麦克斯韦用数学方法把当时已知的实验定律做了归纳，得到了简洁的、便于数学处理的形式；但是他最大的贡献是做出了两个大胆的猜想。一个猜想是，当磁场发生变化时，无论有没有闭合导体，空间都会产生感生电场，这个猜想是以电磁感应定律为基础的，相对来说还是容易想到的；另一个是，当电场发生变化时，空间会产生磁场。后一个猜想是根据对称性的考虑：自然界为什么不是这样呢？但是当时没有任何事实直接支持这个猜想，这个猜想的正确性要靠它的推论来验证的。过去在中学的科学课程中过分强调了演绎和归纳，对于非逻辑的思维实际上是有意识回避甚至贬低的，而实际上，猜想（或说直觉）是创造性思维中最活跃的因素！
另一点要注意的是赫兹实验。麦克斯韦的电磁理论是无法直接验证的，它之所以正确，是因为由它得到的无数推论都与事实相符。由麦克斯韦理论很自然地推出电磁波的存在，而在此之前科学界对于电磁波是闻所未闻的。赫兹实验的意义正在于此。过去的中学科学课程过于强调对于科学规律的直接验证，这样做并非不对，但是没有必要；不但如此，这样做的结果会在学生头脑中留下一个简单的模式，而关于科学过程的这个模式未必处处正确。
·知道电磁波具有能量，这对于认识电磁波的物质性有什么意义？
物理课（以及其他科学课程）要引导学生形成理性思维的习惯。说电场、磁场是一种物质，要有根据，要通过事实说明它们与水流、石块这样的实物具有某些共同的属性。课程标准规定“通过电磁波体会电磁场的物质性”正是这个原因。实物的根本属性之一是具有能量，分析电磁波的性质之后发现，电磁波也具有能量，这是电磁场的物质性的最有力的证据之一。另一个证据是电磁波的动量，这在选修3-5中将有说明。
电磁场的物质性主要放到电磁波这里来讨论，在静电场和静磁场那里没有反复强调“场也是一种物质”这类口号式的话语，这样做是出于三维课程目标的考虑。
·教科书提到，在各种波长的太阳辐射中，最强的区间与人眼感光最敏感的区间是一致的。并问道“这是巧合呢，还是生物进化的结果？”，这个问题的答案是什么？
这个问题到目前为止没有标准答案，它所涉及的不只是物理学的内容，它甚至超出了科学的范畴，教师不必为学生做答。在历年的高中物理教材中，这套书首次出现了这样的“开放式”的问题。这类问题的目的不是让学生增加某项知识，而是促进学生的思考。没有标准答案的问题更能解放学生的思想，促进他们的深层次的思考，这对于学生的发展有深远意义。
第十五章 相对论简介
·新课程为什么要安排狭义相对论的内容？
学生是否学过狭义相对论，对于以后的日常生活没有影响，甚至与大多数技术工作也没有什么关系。新课程安排这些内容，目的是加强学生对科学方法、科学意义的认识。狭义相对论的建立在科学发展史上具有十分典型的意义。
这段教材的思路如下：
①某些实验和观测事实提示：光速可能对于任何参考系都是一样的；②没有事实证明某个惯性系
关于科学的过程，过去的教学可能给学生一个形式化的，不真实的图景：把“大量”实验结果归纳起来，就得到科学的理论。事实上，多数科学定律都不可能由简单的归纳得到。科学猜想，或者说非逻辑的思维，在科学发现的过程中，甚至在认识日常生活的事物中，都起着决定性的作用，这点在过去的教学中往往被忽视。这些猜想和假设之所以正确，根本上还是因为由它们得到的许许多多（可直接检验的）推论都与事实相符。
·既然有麦克尔逊干涉实验等事实的支持，为什么还把光速不变称为原理而不叫定律？
在麦克尔逊实验、菲索的流水实验及关于光行差的观测结果中，光速的确是不变的，但决不能由有限的几个事实就轻率地推广为一般的规律。因此，在狭义相对论的逻辑结构中，光速不变还是以“原理”的形式出现的。它与狭义相对性原理一起，就像平面几何中的公理，本是不需要证明的，它们的正确性在于其推论都与事实相符。
·光速不变的确切意思是什么？
大家都在说“光速不变”，但许多情况下并不明白这句话的确切意义。“光速不变”指的是：真空中的观察者与光源无论做怎样的相对运动，观察者测得的光速都是确定的。这点要给学生讲清。
·“在不同的惯性参考系中，一切物理定律都是相同的”是否指不同参考系中观察到的物理现象是相同的？
“物理定律相同”与“物理现象相同”两种说法的含义并不一样。以下举例说明。
一艘大船在平静的河水中匀速航行，桅杆上一个物体落下，以船为参考系它的轨迹是直线，但以地面为参考系，它的轨迹是抛物线。在不同的参考系中观察，两者的现象并不一样。
但是，以船为参考系分析，物体运动过程中只受重力的作用，初速度又是零，它应该做自由落体运动，轨迹的确应该是直线；以地面为参考系分析，物体运动过程中只受重力的作用，初速度沿水平方向，它应该做平抛运动，轨迹的确应该是抛物线。在以不同的参考系分析时，用到的都是高中物理中的定律，得到的结果都与事实一致。这就是“在不同的惯性参考系中，一切物理定律都相同”的意义。
·对于长度的相对性、时间间隔的相对性、相对论速度变换公式、质能方程，教学中应该怎样把握？
课程标准的要求是“知道狭义相对论的……主要结论……了解经典时空观与相对论时空观的主要区别”，并给出了“知道长度的相对性、时间间隔的相对性、速度变换的规律、质能关系”这样几个例子。
这样的要求是有弹性的。编者认为上述几个结论应该区别对待：质能关系
要牢记；长度的相对性和时间间隔的相对性应该定性地知道，即知道什么情况下“变长”，什么情况下“变短”；至于速度变换公式，知道伽利略的速度变换公式在高速下不成立也就行了。做到这些就可以达到课程标准的要求。
·对于“广义相对论简介”的教学，应该怎样把握？
课程标准对于广义相对论的要求是：“初步了解广义相对论的几个主要观点及主要观测证据”。“初步了解”已经是最低的要求了，而有所要求的也只限于“主要”观点和“主要”观测证据。因此，教科书从等效原理得出结论的简单分析过程，也不要求学生复述。教师做了分析，学生体会到从原理到结论之间是有逻辑关系的，而结论又被观测所证实，也就可以了。这里教学的目的是让学生再次感受前面所述的科学认识的过程。