物理教材中存在的错误物质观及其消除

段石峰 陈敏华

摘      要  《普通高中物理课程标准（2017年版）》首次提出物理学科核心素养的课程目标，其中物理观念是物理核心素养的基础，而物质观念是物理观念的第一要素。《义务教育物理课程标准（2022年版）》用物理观念统领课程的全部知识内容，并且将“物质”作为一级主题。然而，在我国物理课程和教学中普遍缺失场物质的概念，导致学生不能正确认识场的物质性，影响学生正确的物质观的形成。现行物理教材中普遍存在一种错误的物质观——超距作用观，建议物理课程和教材中适时引入引力场（重力场）的概念，消除超距作用这种错误的物质观。

关 键 词  物理观念  物质观  超距作用观  引力场  重力场

引用格式  段石峰，陈敏华.物理教材中存在的错误物质观及其消除[J].教学与管理，2023（31）：56-58.

《普通高中物理课程标准（2017年版）》提出物理学科核心素养，要求高中物理教学要着力发展学生的核心素养，使学生通过物理学科的学习形成正确的价值理念、必备品格和关键能力。物理观念是物理学科核心素养的基础，而物质观则是物理观念的要素之一。但是现行高中物理教材中存在一种错误的物质观，忽视了引力场的概念，导致学生不能正确认知场的物质性。因此，本文通过分析教材中存在错误物质观的具体内容，提出物理教材中错误物质观的消除建议，以利于培养学生形成正确的物质观。

一、物理教材中错误物质观的表现

人教版高中物理2019版新教材在第三章第3节“牛顿第三定律”中有一幅如图1所示的插图，对应正文中的解读：“地面上及地球附近的物体受到地球的吸引（重力）。其实，地球也受到它们的吸引，地球和物体之间的作用也是相互的”。言下之意，重力G和物体对地球的吸引力F是一对作用力和反作用力。以往的教材中尽管没有这幅插图，但对作用力和反作用力的描述中都会举这个例子。然而，这其实这是典型的超距作用观，是一种带有普遍性的错误物质观，因为它忽视了引力场这种物质的存在。

万有引力曾被认为是一种超距作用，但牛顿本人并不赞同这种观点，它不可避免地会带来一些神秘色彩，违背人们的理智。牛顿在给本特利的一封信中写道：“很难想象，没有别种无形的媒介，无生命无感觉的物质可以毋须相互接触而对其他物质起作用和产生影响……没有其他东西为媒介，一物体可超越距离通过真空对另一物体作用，并凭借它和通过它，作用力可从一个物体传递到另一物体。在我看来，这种思想荒唐之极，我相信从来没有一个在哲学问题上具有充分思考能力的人会沉迷其中。”牛顿未能解决这个问题，因而这个错误的观点可以从牛顿时代以来的所有物理教科书中找到。我国物理教材在力学中始终未提出引力场的概念，即使在电磁学中引入了电场和磁场的概念，也仍然消除不了超距作用观的痕迹，普遍性缺失场物质的观念[1]。例如在“电荷间的相互排斥或吸引”“磁极间的相互排斥或吸引”的说法中，“排斥”“吸引”就隐含着超距作用观。

高中物理教材在力学中说“重力势能是地球与物体所组成的系统所共有的”，在电学中虽然采用与重力场类比的方法建立电势能的概念，但依然对重力场的概念避而不谈。例如“重力势能属于地球和物体组成的系统，是地球和物体相互作用产生的。同样，电势能是相互作用的电荷所共有的，或者说是电荷及对它作用的电场所共有的。”这里说到电势能是电场所共有的，因为已经有电场的概念了，而不强调重力势能也是重力场所共有的，是因为还没有重力场的概念，否则会有失逻辑。教材中第一次提及重力场概念是在“电场  电场强度”一节的“练习与应用”第3题：“场是物理学中的重要概念，除了电场和磁场，还有重力场。地球附近的物体就处在地球产生的重力场中。仿照电场强度的定义，你认为应该怎样定义重力场强度的大小和方向？”

我国高中物理教材中在没有引入重力场概念的情况下，在研究自由落体运动时提出了重力场强度g，并把它叫做自由落体加速度，而且把它错误地理解为描述自由落体（物体）的性质。事实上，不同的物体做自由落体运动经过重力场的同一位置时的加速度是相同的，所以这个加速度g描述的不是自由落体（物体）的属性，而是描述重力场的属性，它跟做自由落体运动的物体无关，而且在地球表面、内部或附近各处的重力场强度不同。正如电场强度E描述的是电场的属性，而不是描述检验电荷的属性一样，它跟是否存在检验电荷无关，而是由电场本身决定的。在电学中，我们是先引入电场的概念，再有电场力、电场强度的概念。同样地，在力学中，我们也应该先引入引力场（重力场）的概念，然后才建立重力、重力场强度的概念。

既然重力是重力场施加的，而不是地球施加的，那么重力做功实际上是重力场对物体做功，重力势能不是物体和地球的，而是重力场的。因此，不引入重力场概念，就无法引入重力势能概念。为什么重力做的功等于重力势能的减少量？这是因为有能量从重力场传递到物体，物体增加的能量等于重力势能的减少量，而重力势能指的是重力场的能量。“重力做功与路径无关”的物理意义在于，这个功刚好等于重力场能量的减少量，其逻辑基础是重力场可以储存能量。实际上，在数学上可以证明，任何一个恒力做功都与路径无关，然而并不是“任何恒力做功与路径无关”都有与“重力做功与路径无关”相同的物理意义，因为它们不一定有相应的“可以储存能量的场”。

现代物理学认为，势能是场的能量。场的能量与动能不同，它不是被物体所携带，而是处于物体周围的空间中。这是场的观点所带来的最深刻的物理思想的变革——能量存在于空间中，而不是物体上。不只是重力势能如此，电势能也是如此，所有的势能都是如此。物体系统所具有的势能，并不在物体自身上，而是物体的身外之物，它分布在物体周围的空间中，即储存在场中。

二、物理教材中錯误物质观的消除建议

教育的主要功能是培养学生的思维能力。概念是思维的最小单元，是建立物理学理论大厦的基石。物理学属于物质科学，其研究对象是客观世界中的物质及其性质，物理学中最基本的概念是物质概念，而各种实物和场属于物质概念。人们对物质的探索伴随着物质观的发展与变革，物质形态从实物到场，是一次观念上的飞跃。

学生对物理观念的学习进阶与物理学发展中观念的演变往往具有对应性，但没有必要让学生对物理观念的认识也重复一遍科学史上观念的演变过程[4]，而应该剔除更新错误的、陈旧的物理观念。高中物理是面向全体高中生的物理，因此必须是概念性的，而不是技巧性的。物理学在不断地发展着，好的物理课程必须是今天人们所理解的物理学。“让学生形成物理观念”的课程目标不能停留在课程标准的文本上，也不能停留在口號上，而要体现并落实在物理课程和教学中。

超距作用观是从牛顿时代遗留下来的错误的物质观，当时人们只能用超距作用来描述引力，这是牛顿理论中的一个缺陷。直到19世纪30年代，为了回答在研究电磁现象时产生的困惑，法拉第提出了“力线”的概念，用来解释电荷或磁体吸引物体的现象，并由麦克斯韦等人完善后形成了“场”的概念。从此科学家们相信，超距作用是不存在的，爱因斯坦在1915年提出广义相对论时确立了自然界中引力场的科学地位[5]。那么在改革物理课程时就不应该缺失引力场的概念。美国高中主流理科教材《科学发现者·物理原理与问题》在力学中引入了引力场的概念[6]。德国卡尔斯鲁厄物理课程（简称KPK）中明确指出：在讨论两个物体之间的引力、电力和磁力时，我们必须引入相应的场，把它作为第三个系统，把场描述为像两个物体一样真实的系统。

例如，带电体之间的相互吸引或排斥可以这样来描述：两个同种带电体被它们共同的电场拉开，两个异种带电体被它们共同的电场拉拢[7]。牛顿时代所建立的知识体系只能适用于当时，因为人们都持有超距作用的观念，牛顿自己把它叫做相互作用观。由法拉第和麦克斯韦创立的现代电动力学首先引入了场理论，从那时起科学家们相信“超距作用”的描述是不恰当的，超距作用观应该算是终止了。然而，在我国当前的物理课程经典力学中，仍然大量充斥着超距作用观，甚至无处不在。有鉴于此，物理教材应该在教授自由落体时就引入引力场（重力场）的概念。自由落体的加速度刚好等于引力场强度，这是由于引力质量刚好等于惯性质量的结果，只是在经典力学中它们的相同性还没有显示出来。如果不引入引力场的概念，就不可能知道自由落体加速度不是描述自由落体的性质，而是引力场的性质；如果不引入引力场的概念，也不可能知道重力势能不是由被举高的物体所携带，而是储存在引力场中的能量，正像弹性势能是储存在弹簧中的能量、电势能是储存在电场中的能量一样；如果不引入引力场的概念，超距作用观这种错误的物质观就不可能在教材中消除。相反，如果建立了正确的物质观，就会很容易理解“自由落体加速度是量度引力场强度的物理量”，重力势能就会在人们的观念中从重物“移到”引力场，“重力对物体做功”就会被理解为引力场的能量发生传递。

在《普通高中物理课程标准（2017年版）》和《义务教育物理课程标准（2022年版）》中对“物理观念”有相同的说明：“物理观念是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华”[8][9]，表明了物理概念和物理观念的关系：建立物理概念是形成物理观念的前提条件。建议我国物理课程和教材中适时引入引力场（重力场）概念，消除超距作用观这种错误的物质观，只有这样才能让学生正确认识场的物质性，提炼、升华成正确的物质观，这对学生物理观念的发展具有重要意义。

参考文献

[1] 陈敏华.高中物理教材中的普遍性错误Ⅰ：忽视物质的存在——以人教版高中物理教材为例[J].新课程教学（电子版），2016（10）：4-8.

[2] 人民教育出版社物理室.中等学校适用·物理教师手册[M].北京：人民教育出版社，1998：46-47.

[3][6] 保罗·齐泽维茨，等著.物理原理与问题（上册）[M].钱振华，等译.杭州：浙江教育出版社，2008：196-197.

[4] 张健，宋白珂，李春密.提升科学素养，重视物理观念：浅谈物理观念的提出与认识[J].物理教学探讨，2018（04）：9-13.

[5] 董春雨.物理基本概念的演变[M].太原：山西教育出版社，1998：53.

[7] F.Herrmann G.Job.物理学的历史负担：KPK物理教师参考文集[M].陈敏华，编译.上海：上海教育出版社，2014：134.

[8] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[9] 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022：4.