抛开历史负担推进现代物理

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1、抛开历史负担推进现代物理文/徐奎物理学源远流长，但历久弥新。目前国内各版本的中学物理教材大同小异，基本都是从牛顿时代开始，沿袭着物理学发展的历史脉络，按照若干分支学科进行讲授。以人教版物理教材为例，必修系列讲述经典物理学，选修系列按照电磁学、热力学与统计物理、波动物理和粒子物理分别编排，构成相对完整的体系。一、卡尔斯鲁厄物理课程的介绍卡尔斯鲁厄物理课程（DerKarlsruherPhys—ikkurs，下文简称KPK）是在德国卡尔斯鲁厄大学物理教学研究所诞生的一种新型现代化物理课程。KPK体系的核心是两个定义，一是广延量，二是能量和能量携带者。从初中、高中到大学，不同层次的KPK保持着相同的

2、体系结构。作为KPK一部分，初中版本的物理课程在上世纪九十年代就己正式在德国出版，到目前为止，己有近万名德国学生使用了这一课程。我国的KPK推广工作还刚开始，目前在上海和浙江有20多所学校在作为选修课教材使用，上海市教委已经批准其作为拓展型课程教材，但尚未作为教科书使用。KPK充分强调广延量(extensivequantity)，它们是：动量、角动量、电量、物质的量和熵。物理学的各分支学科，只不过是根据广延量在每种情况中所扮演的不同角色而对自然过程的分类罢了。一个分支学科的知识就足以给我们提供一个描述其他分支学科甚至包括生物学和化学的类比方法，由此就形成了KPK清晰的课程结构，梳理如下。例如

3、，在KPK看来，电学过程实质上是能量E和能量携带者电荷量Q在电势差作用下的流动，它们的流动形成能流IE和电流IQ；力学过程、热学过程、化学过程道理类似。实际上，我们观察一下吉布斯方程就知道其原理了，方程右边的每一个项都代表一种广延量，包括熵和化学势，这是KPK的理论源头。在传统物理课程中能量以很多种形态出现，有很多对应的名称，动能和势能，势能还分重力势能、弹性势能、电势能、分子势能、引力势能、浮力势能等等，这些复杂的概念在早期看来具有一定的价值，在KPK看来，这些名称是多余的，这些不同场合所呈现的都是能量，只是能量的携带者不同。关于相对论也有类似的新解，光速不变原理可以理解成为物质的极限速度

4、原理，惯性参考系就是动量不变的参考系。在量子论中，所有可以对体积积分的量都是广延量，而广延量都是可以量子化的，KPK是普适的。二、两种课程的内容体系对比KPK就像一个透镜，用它来审视我国的传统物理课程，能帮我们看清传统物理课程中存在的问题。下面以力学问题为例对比说明。力的概念，是传统物理学最成功的概念之一。而KPK打算主要用动量流的观点来诠释这一切，牛顿运动定律也有了下述新的形式。牛顿第一定律：如果没有动量流入或流出物体，物体的动量将保持不变。牛顿第二定律：一个物体的动量的时间变化率等于流入这个物体的动量流。牛顿第三定律：如果动量从物体A流出，并流入物体B，则从A流出的动量流强度和流入B的动

5、量流强度相同。举三个实例。如图1，马拉车就是一个动量流回路。马其实就是一个动量泵，将向左的动量由大地泵给车，当然车又将动量流还给大地，形成回路。照此思想，历史上超距作用的错误便不攻自破，因为必须把相应的场引入才能构成闭合回路，这也有助于破除学生对场的神秘感。又如，2010年高考浙江理综卷第14题，A、B两物体叠放在一起，见图2，以相同的初速度上抛（不计空气阻力），选项略。在传统物理课程中该如何分析笔者就不再赘述了。在KPK看来，这种状态下，动量流不能构成闭合回路，只有动量流入，没有动量流出，内部无从构成动量流，AB之间也无动量流，非常好理解。图中虚线表示动量流。再如，一盏电灯用绳子挂在两个相

6、邻房间之间的墙上，如图3。它的质量是3.5kg。墙上两个挂钩所受的力各为多大？KPK认为，这样的三力平衡问题与电学中的结点问题本质相同，前者是力势差导致的动量流，后者是电势差导致的电荷流。如有必要，参照电学中的基尔霍夫电流定律，我们可以总结出动量流的节点定理：节点处的动量流矢量和为零，这其实就是力的平行四边形定则；我们还可以总结出物质的量流的节点定理，这其实就是质量守恒定律。三、两种课程的时代背景对比牛顿时代以来，物理学家经常将新的结论简单地整合到旧有的知识结构中，这使得物理学的发展就像往一辆大货车上不断地装货物，而不注重货物之间的逻辑关系。传统物理课程过分强调时代背景和探索中的困难，甚至记

7、载了物理发展中曾经出现的许多错误概念和陈旧物理方法，并且习惯性地把这条复杂的道路强加于我们的学生身上（F.HerrmannG.Job1996）。KPK正是要解决这些问题。KPK不仅仅是为了编一套新的中学物理教材，更是要抛开历史负担，寻找一种新的简洁的物理教学方法，这种新方法适合于不同年级的学生，适合于不同民族的学生，不同生活背景的学生。视线转回国内，1866年，晚清政府在同文馆设算学馆，首次将物理作为一门独立