第7版程江本《普通物理学》改编介绍

钟季康　胡盘新

(1同济大学物理系，上海　200092；2上海交通大学，上海　200240)



第7版程江本《普通物理学》改编介绍

钟季康1胡盘新2

(1同济大学物理系，上海200092；2上海交通大学，上海200240)

摘要程守洙、江之永主编的《普通物理学》是我国工科物理最早教材之一，为框定我国高等学校大学物理课程的教学内容起到了奠基性的作用.本着继承与发展，与时俱进，精益求精的精神，半个多世纪以来已有多次修订改编，本文简要介绍新版(第7版)在追求论述严谨、联系实际、优化插图、追踪前沿、培养创新意识以及教材建设与信息技术相结合等方面所做的主要工作.

关键词历史承传；教材建设；普通物理学；精益求精

自改革开放以来，大学物理的教材建设呈现出百花齐放、欣欣向荣的局面，称为“大学物理”的教材琳琅满目，多达100多种，但在这众多的教材中，只有程守洙、江之永主编的《普通物理学》一本称作“普通物理学”.这是一本具有50多年的历史又不断更新发展的大学理工科基础物理教材.它的第7版修订本即将由高等教育出版社出版发行，借此机会，我们简单回顾一下该教材的编写历程，以及本次修改的思路与一些要点，以期引起读者的共鸣.

1编写历史

众所周知，解放前，我国高校主要采用欧美体系的教材；解放初期，在全面向苏联学习的大背景下，又主要采用苏联体系的教材.由于国情和文化不一样，这些教材不太适合我国高校需要.当时教育部提出“在翻译苏联高等学校教科书的同时，也要着手编写各种适合我国高校应用的教材和参考书”，为此上海市高教局组织了以程守洙教授(先华东纺织工学院后调入上海交通大学)和江之永教授(同济大学)为组长的“上海市高等工业学校物理学编写组”，经过多年的努力，在1961年定稿出版了《普通物理学》第1版.由于受当时“大跃进”的影响，认为第1版内容过于臃肿，于是在1964年作了较大压缩，修订后出版了第2版.这是我国工科物理最早的物理教材之一，与早期的其他教材一起(如1956年出版了在苏联专家巴巴诺夫指导下由王谟显、江之永、殷大钧等编写的《物理学》)，为框定我国高等学校大学物理课程的教学内容起到了奠基性的作用，被誉为是我国建国以来第一本切合我国国情且具有独特风格的通用教材，对于稳定教学秩序起到了重要作用[1].“文革”之后，当时主管科教工作的邓小平同志多次指示，恢复高考后要使用新教材，且“关键是教材，教材要反映现代科学文化的先进水平，同时要符合我国的实际情况.”此时程守洙和江之永两位教授虽年事已高，但仍在他们的指导下，联合上海各主要工科院校，再次对教材又作了较大修订，于1979年出版了第3版，这在当时百废待兴的历史条件下，为重建我国高等学校大学物理课程、适应国家现代化建设的要求起到了积极的作用，为大多数工科院校所采用.

此后，根据形势的发展和教学的需要，先后修订出版了第4版、第5版和第6版.这些教材曾获得国家优秀教材奖、上海市科技进步奖等荣誉.有评论认为，程守洙、江之永主编的《普通物理学》是我国现行使用时间最长，使用范围最广，培养人才最多的大学物理教材，也是我国各类物理教学研究论文引用最多的参考文献之一，深受广大读者和师生的厚爱[2].

第6版于2007年发行至今已有8年之久，2012年入选为第一批“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材后，本着继承与发展，与时俱进，精益求精的精神，再次作了修订.

本次修订在第6版的基础上保持了原教材体系和特点，在不增加难度的前提下，对个别内容稍作必要的调整，对某些内容的讲述作了修改和补充，改正了原书的不妥之处，使之更为精准；进一步改进了部分插图的质量，增加了联系实际的应用实例，跟踪了物理学发展的最新成就，更加符合当今的教学需求.

2论述精准 精益求精

论述严谨是任何一本教材所必须的基本素质，更是我们每一次修订的考虑重点.因此本次修订针对原教材内容作了缜密的梳理，对容易引起误解的表述作了修正.例如在讨论刚体模型时，一般都认为“刚体是一特殊的质点系”，质点是仅有质量而忽略体积大小的几何点，而处理刚体时常取一个体积元，与质点的定义似乎有矛盾.在本次修订中，将“质点”修改为“质元”.质元在宏观上无限小，微观上又包含大量分子原子，可以有内部结构.修改为质元后，质元可以有小体积dV，其质量就可以表示为dm=ρdV.同时，这个修改又为后面电磁场研究中将带电体和载流导线分割为许许多多电荷元、电流元打下基础.

又如，电荷之间的相互作用力是通过电场来传递的.为了形象地表示这个关系，第6版画了这样一个框图

图1电荷通过电场传递作用力第6版示意图

但问题是, 空间的电场应是两个电荷各自激发电场的叠加，上述表示不能反映一个电荷在另一个电荷的电场中的受力关系，所以第7版修订时，改为

图2　电荷通过电场传递作用力第7版示意图

这就避免了电荷在自身电场中受力的印象.同样地，电流通过磁场相互作用的关系也作了相应的修改.

在学习高斯定理时，由于可以利用高斯定理求解某些对称性电荷分布的电场，在教学中往往过分地突出这种解题方法，学生以为高斯定律就是讲述电场强度E与场源电荷q的关系.为消除误解，本次修订特别强调了高斯定理是讲述电场通量与电荷的关系.对电场线与电通量的关系也作了更明确的论述，特别指明这是两个完全不同的物理量，不要使学生产生电通量就是电场线的错误认识.事实上，前者是无单位的纯数，而后者却是有量纲的物理量，通过面元ΔS的电通量仅在数值上等于穿过面元的电场线条数.

在相对论一章，关于爱因斯坦的两条基本原理，学生比较容易接受光速不变原理，而对相对性原理有困难.因为经典力学中有相对性原理，狭义相对论也有相对性原理，不知二者的区别.本次修订加强了对此的背景材料的介绍，强调了爱因斯坦既肯定电磁场理论的正确性，又肯定了相对性原理的正确性.可以说相对性原理是“管定律的定律”.鉴于光速是常量已由实验所证实，所以问题出在伽利略变换.又在讨论相对论长度收缩时，增加了“伽莫夫漫游世界”的一幅图，指明长度收缩与用眼睛观察到的图像不是一回事，而这个问题在很长时间里曾经引起了包括许多科学家在内的错觉，以此启发学生独立思考的兴趣.

某些修正颇有咬文嚼字的味道(如第1章原来的标题是“力与运动”，现改为“运动与力”，更符合内容次序，也不会产生误解)，但物理学是严谨的科学，在教材中不能有引起任何误解的论述.

3增加联系实际的例子

多年来困惑我们物理教学的一大现象是，许多学生对物理学习不感兴趣，其中一个原因是教学中理论联系实际不够，学生觉得物理“没有用”.正如去年举办的全国第1届青年教师讲课比赛中，专家提出的意见那样，相当一些青年教师讲课比较枯燥，缺少理论联系实际的事例，影响了课堂教学的效果[3].要解决这个问题，要多方面的努力.教材是基础，一本好的教材，尤其是像大学物理这样理论体系比较强的基础课程，列举大量应用实例是非常重要的.所以，在历次改编时我们特别注重尽可能多地引入应用实例，特别是从日常生活中提取物理应用实例，为教师提供更多更好的教学素材.

例如，在“碰撞”一节，我们列举了2013年6月，一列从杭州开往北京的G38次高铁列车，遭遇了“飞鸟子弹”的袭击，导致车头玻璃大面积开裂，不得不紧急停靠在南京南站的实例.要求学生计算这种瞬间撞击力的可能大小，指出飞鸟对高速飞行的飞机、高铁列车可能构成极大的安全威胁，因此必须采取各种防范措施，以免造成灾难.

在描述横波与纵波后，列举了地震的纵波和横波，指出纵波的传播速度比横波快，地震仪监测到这两类波达到的时间差，便可以确定震心的距离和地震的中心位置.尤其是，利用这个时间差，可在破坏性更大的横波来到的前几秒发出警报，以减少生命财产的损失.

又如，在讲光学分辨率时，列举了前些年媒体炒作得很厉害的所谓“在太空中用肉眼能看到我国的长城”的命题，让学生讨论有没有这个可能？

还有，在安培力一节中，除了列举磁悬浮列车外，还增加了当前报道得很多的军事应用，如电磁炮，航母上的电磁弹射飞机等.

在光栅的应用中，我们将光栅的理论扩展到无线电的天线阵列，计算在什么方向上可获得最强的辐射效果.

新增的应用实例还很多，不一一列举.大量应用实例的引入，将使我们的课程更加生动，极大地激发学生学习物理的兴趣.

4优化插图、实例与习题

本次修订对一些不够准确或者不够清晰的图也作了修正.例如原书在“受迫振动 共振”一节给出了小阻尼情况下受迫振动的方程解为一振幅衰减与一等幅振动的叠加，说“在驱动力开始作用的阶段，系统的振动是非常复杂的(图10-16)……”，但所给出的曲线图给人印象受迫振动的位移时间曲线并不复杂，很有规律，且没有反映出初始阶段振幅衰减的情况.在第7版，我们采用计算机数值解，模拟出初始阶段的振动曲线(见图3(b))，使图文一致，更具一般性.

图3　受迫振动的位移时间曲线

有些实例的安排与讲述更加精准到位.例如对驻波的讨论，将音叉产生驻波的实验移至这节最后，作为驻波理论的实际演示，改变了原先一上来就介绍这个实验，令学生先入为主地留下了驻波就是“8”字型波形的印象，而忽视了对其形成机理的认识，以期达到更好的教学效果.对“量子围栏”的描述也从先前的证明一般粒子波动性而移至无限势阱后.作为无限势阱的一个例子，不仅证实了电子的波动性，而且能直观地看到在阱中形成的驻波.

习题的调整量达30%之多，如力学部分，由原来的133道题增加到143道题，其中有40道题是新增的；又如热学部分由原来的56道题压缩动53道题，但调整了27道题，调整量达50%.新增加的这些习题与正文内容联系更紧密，尽可能覆盖了所有的知识点.

5追踪前沿发展 培养创新意识

如何实践长期以来提倡的“保证经典，加强现代”的教学理念，是教材建设的重大课题，更是我们这种有传统历史的教材在修订时需要着力考虑的.以普通物理的方式介绍近代物理最新成就，不仅可以拉近基础物理与前沿的距离，而且有助于开阔学生的视野，是增强学生学习物理学兴趣和创新意识的有效举措.

在第7版的改编中，我们列举了最新的诺贝尔物理学奖的成就，通过对这些成就的介绍，充分说明了物理学不只是纯粹的基础理论，它有广阔的实际应用天地.2014年诺贝尔物理学奖授予蓝色发光二极管的发明者，还有前些年授予的光纤和半导体电荷耦合器件的发明，都是物理学实际应用的杰出范例；2013年诺贝尔物理学奖授予的希格斯玻色子(上帝粒子)的预测，和前些年授予的宇宙加速膨胀的发现等又都是物理学基础理论的重要成就.它们从两方面说明了物理学本质上是基础科学，但它源于实践，又付诸实践.作为工科物理教材的编写者，我们必须广为收集，精心筛选，达到理论与实践并重的教学效果.

本次改编除了引入了大量应用实例，我们还介绍了一些未来可能的应用和发展.例如在量子力学一章，加强了对波函数的论述，增加了“量子态叠加原理”和“量子计算机”两个小标题.因为波粒二象性，不确定原理和量子态的叠加原理同是量子力学的3个极为重要的概念，可以说是核心内容，所以有必要介绍量子态叠加原理.量子计算机是当前物理学和信息科学前沿的热点之一，而其理论基础就是量子态叠加.虽然量子计算机并不是大学物理的核心内容，但以普通物理的方式介绍这些内容，确实能激发学生学习物理学兴趣.

在本教材的最后一节是“宇宙学简介”，第7版在这一节里补充了一小节“宇宙的未来”，这样使得宇宙学的介绍有始有终，比较全面，特别是在这里介绍了当前热点话题之一的暗物质，指出是否存在暗物质是决定宇宙未来的关键.

牛顿说： “没有大胆的猜测，就做不出伟大的发现”.我们相信，在教材中引入一些前瞻性的东西是有助于激发学生的创新精神的.

6现代化教学手段的应用

本版修订仍继续保留了应用计算机编程求解的一些例题与习题，这将有利于深化课程教学，帮助那些学有余力的同学拓展知识，得到综合能力的培养.

本次修订在教材中还安排了24个视频内容和23个动画内容，例如有陀螺仪、塔卡玛桥、范艾仑辐射带、拍现象、驻波、分辨率等内容.在相关内容处标有二维码图标，学生可以通过手机扫一扫，进入相关网页，以视频和动态图像的形式对有关内容作进一步的说明和演示.这是教材建设与信息技术相结合的体现.

如前所述，程江本《普通物理学》是当前唯一一本以“普通物理学”命名的大学物理教材，这个名称既反映了时代的痕迹，也有相对理论物理而言属基础层次的意思.我们保留这个书名既是为了缅怀先辈，也是继承传统、尊重历史的体现，但更希望这个唯一的书名会使这本教材更具特色，更不“普通”.当然有没有做到这一点得由广大使用者去评述.

参考文献

[1]高教通讯[J]. 北京： 高等教育出版社，1964.

[2]严导淦.老树春深更著花——对《普通物理学(第6版)》(程守洙、江之永主编)的浅评[J].物理与工程，2008,17(4):62-64.

[3]贾瑜.搭建青年教师成长平台，推进基础物理课程教学[J].物理与工程，2014,24(5): 10-12.

[4]蒋平，马世红.享受物理教学[J]. 物理与工程，2014,24(5):18-21.

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2013—2017年度教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会第四次工作会议纪要

2015年10月12日

2013—2017年度教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会(简称：大学物理课程教指委)第四次工作会议于2015年10月9～12日在山东临沂大学召开.参会代表和委员共60位，其中本届委员37位、顾问6位、特邀嘉宾3位，高等教育出版社、科学出版社、机械工业出版社、清华大学出版社、同济大学出版社以及《物理与工程》杂志社代表14位.大学物理课程教学指导委员会副主任：北京航空航天大学陈强教授、西安交通大学王小力教授、北京大学田光善教授、上海交通大学胡其图教授、郑州大学贾瑜教授、清华大学王青教授以及教指委委员南开大学宋峰教授分别主持了各专题讨论会.大学物理课程教学指导委员会主任同济大学顾牡教授、副主任：胡其图教授、陈强教授、王小力教授、贾瑜教授以及秘书长同济大学王祖源教授分别作了主旨或主题发言.会议的议题有：(1) 教育部有关工作精神的学习及大学物理课程教指委工作回顾；(2) 理工各专业类“教学质量国家标准”研讨会情况通报；(3) 大学物理课程教指委教改立项项目的审定；(4) ICPE 2015(2015年国际物理教育会议，北京)情况介绍；(5) 全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛工作研讨；(6) 各地区/专业类工作委员会一年来的工作情况交流.(7) 物理基础课程教学和教学改革若干专题研讨等.此外，会议还就大学物理课程教指委下一年度工作计划，包括2016年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会、2016年大学物理课程教指委工作会议等作了研讨.会议期间，大学物理课程教指委顾问、前教指委正/副主任、清华大学李师群教授和中国科技大学霍剑青教授还应邀为临沂大学本科生作了两场专题报告，受到了临沂大学师生的欢迎.

临沂大学刘占仁副校长出席了开幕式并致辞，他介绍了临沂大学在教学、科研、服务老区建设和文化传承等方面的工作，强调了基础物理课程教学在人才培养中的作用.教指委主任顾牡教授着重对会议的议程安排进行了说明，并指出本次会议的主题是：解放思想、深化改革、力争超越.

1教育部有关工作精神的学习及大学物理课程教指委工作回顾

顾牡教授首先向大家传达了教育部高教司张大良司长于2015年8月在兰州所做的“深化改革、创新驱动，促进高等理科教育内涵发展提高质量”报告的精神，该报告从新形势下高等教育改革的思路与目标、当前本科教育改革创新的主要任务、“十三(五”期间高等理科教育改革的重点工作等方面较全面地阐述了教育部今后一段时间有关高等理科教育的工作思路，具有指导意义.同时，顾牡教授还与大家一起回顾了大学物理课程教指委过去一年所开展的主要工作，包括大学物理课程地位/作用和任务的研讨、理工各专业类“教学质量国家标准”的研讨和修改意见、2015年北京国际物理教育会议和高校物理课程系列报告会(2014)、全国高等学校教学研究立项工作、各地区/专业类工作委员会工作、教学研究和师资培训等.这些工作有效促进了物理基础课程的改革与建设，产生了广泛而又积极的影响.他指出，当前也有一些同志对物理基础课程教学在本科人才培养中的地位和作用的认识尚存在欠缺，对课程的重视和投入程度尚存在不足，物理基础课程教学手段和方法与世界发达国家相比存在差距，教学质量与我国社会经济发展对人才培养的要求仍有距离，课程改革与建设的任务依然繁重.为此，大家要解放思想、深化改革、力争超越.

2理工各专业类“教学质量国家标准”研讨会情况通报

王祖源教授通报了2014年11月教育部高教司理工处关于理工各专业类“教学质量国家标准”制定会议的主要情况.指出尽管“大学物理”和“大学物理实验”课程的学时数已受到挤压，但依然面临着缩减学时的压力，需要引起大家的高度重视.希望大家在努力促进物理基础课程教学质量的基础上，通过多种渠道影响有关的领导和专业课教师，努力确保物理基础课程在本科人才培养中的地位和作用的落实.

3全国高等学校教学研究立项项目的审定

胡其图教授介绍了2015年全国高等学校教学研究立项项目申请、地区工作委员会审核和网络评审的情况.此次共收到项目申请126项，经各地区工作委员会审核、委员网络评审和大学物理课程教指委工作会议审定，批准项目40项，其中：东北地区6项、华北地区7项、西北地区7项、华东地区8项、中南地区6项、西南地区6项.另经教指委主任会议同意设立教学研究专项1项.

42015年北京物理教育国际会议情况介绍

陈强教授介绍了ICPE 2015(2015年物理教育国际会议，北京)的情况，该会是国际纯粹与应用物理学联合会所属国际物理教学委员会主办的物理教学界最重要的教育学术会议，每年一次.此次会议于2015年8月9～14日在北京友谊宾馆会议举行，由中国物理学会承办，大学物理课程教指委、物理专业类教指委协办.会议的主题是“Engaging Students in Physics：Research and Practice(让学生参与物理：研究与实践)”，来自世界各国的300多位物理教育工作者云集北京；会议组织了11个大会报告、12场分会报告、4场Workshop和1场Symposium.参会代表热情高，多数口头报告和张贴报告备受关注.这次会议不仅为世界各国了解中国高校的物理教育提供了窗口，而且更重要的是也让中国高校的物理课教师更多地了解了世界.会议超出了预期的效果，得到了ICPE委员和参会代表的高度评价.

5全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛相关问题的讨论

会议对全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛相关问题进行了讨论.决定2016年继续举办两年一届的全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛(初赛：省市级；复赛：地区级；决赛：全国级)，决赛时间仍与全国高等学校基础物理课程教育学术研讨会同步.比赛规则原则上不做大的改动，仅对已获奖者是否可再次参加比赛、证书文字表述等所出现的一些新的问题做个别修改，以利于更好地激发广大青年教师投入物理基础课教学和教学改革的积极性.

6各地区/专业类工作委员会工作情况交流

华北、东北、华东、中南、西北、西南地区工作委员会和医药类、农林水类和文科类工作委员会分别对一年来各自的工作情况进行了交流和总结.主要包括：(1) 全国高等学校教学研究立项项目申请工作的宣传和审核；(2) 召开学术研讨会和教学培训，邀请国内知名教授和大学物理教指委专家作专题演讲；(3) 积极参与ICPE 2015筹备工作；(4) 大学、中学教学衔接问题的研讨等.此外，华东地区工作委员会开展了“大学物理教学调研”和“物理实验教学状况调查”；医药类工作委员会设立了专项课题研究；农林水工作委员会研讨了教学基本要求，开展了教材编写等工作；文科类工作委员会开展了现状调查和工作平台建设.这些工作加强了大学物理课程教指委与广大一线基础物理课教师的联系，赢得了数以千计基础物理课程教师的直接参与.

7物理基础课程教学和教学改革若干专题研讨

王小力教授就“物理基础课程的地位、作用和任务与人才培养模式”专题作了题为“深化大学物理课程教学改革的几点思考与建议”的主题发言，具体涉及对当前形势和机遇的思考、面对的问题、任务和目标以及各地区的均衡发展四个方面，提出要切实加大教师培训的力度、要注重教学观念/教学方法的变革，关注网络技术的推动力、要注重基于创新能力培养的教学、要不断强化八项科学实践的内容、要解放思想，勇于创新五条建议.王祖源教授、胡其图教授结合“教育模式与方法、手段的研究”专题分别介绍了当前 国内物理基础课

程MOOC和SPOC建设和应用的情况，指出要加强过程性评价.贾瑜教授就“中学物理教学与大学物理教学的衔接”专题介绍了当前中学物理的课改情况.期间，许多代表结合自己的工作踊跃发言，研讨具有建设性.

8下一年度大学物理课程教指委工作计划的研讨

会议还就下一年度大学物理课程教指委的工作计划进行了研讨.具体包括：

1) 继续做好面向基础物理课教师的全国高等学校教学研究立项项目(项目期限：2年)的立项、评审和验收工作，进一步完善评审和验收的规则和程序.

2) 继续举办2016年全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛，决赛时间仍与全国高等学校基础物理课程教育学术研讨会同步.比赛规则原则上不做大的改动，仅对已获奖者是否可再次参加比赛、证书文字表述等所出现的一些新的问题做个别修改，尽快完善比赛细则.明年8月前完成实验比赛的调研工作.

3) 与中国物理学会物理教学委员会联合组织一年一度的全国高等学校物理基础 课 程教育学

术研讨会，2016年全国高等学校基础物理课程教育学术研讨会将在深圳召开，由南方科技大学承办.2016年大学物理课程教指委工作会议将在宁夏召开，由宁夏大学承办.

4) 尽快启动“大学物理课程教学指导委员会历史沿革与工作策略”课题组的工作.

5) 完成教育部委托的有关工作.

顾牡主任对会议进行了总结，他表示本次会议任务重、涉及面广，大家工作很投入，取得了不少积极的成果.目前物理基础课程教学改革和建设的任务相当繁重，希望大家能抓住若干关键问题，予以重点突破；要注意研究发达国家特别是美国在物理基础课程教学研究方面的成果和经验，关注教学改革成效的量化评价，努力发挥大学物理课程教指委在“大学物理”和“大学物理实验”课程建设和改革中的引导作用.

本次会议得到了临沂大学各级领导、老师和学生特别是凝聚态物理研究所的大力支持，他们为会议的顺利召开付出了辛勤的劳动；同时，会议还得到了山东省物理学会、山东大学物理学院的大力协助.与会代表对此表示衷心的感谢！

2013—2017年度教育部高等学校大学

物理课程教学指导委员会

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INHERITANCE AND DEVELOPMENT FOR EXCELLENCE—INTRODUCTION TO THE GENERAL PHYSICS (7TH EDITION)

Zhong Jikang1Hu Panxin2

(1Departmetn of Physics, Tongji University, Shanghai 200092；2Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240)

AbstractGeneral physics compiled by Cheng Shuozhu and Jiang Zhiyong is one of the earliest textbook of physics for science and engineering, which has played a fundamental role in the teaching of college physics course in colleges and universities. With inheritance and development, advancing with the times, and the spirit of excellence, this book has been repeatedly revised for more than half a century. In this paper, we briefly introduces the new version (seventh edition) which has been revised for more rigorous exposition, closer to practice, optimizing the illustrations, front tracking, and combining information technology with teaching material. In this way, it is helpful for fostering students’ innovation consciousness.

Key wordshistorical inheritance; construction of textbook; general fphysics; constantly strive for perfection

作者简介:2015-10-28 钟季康，男，教授，从事大学物理教学及生物医学信号处理研究.zhongjk123@126.com