Θ 婴 Fcbruary 2013 中国教 育学会 物 理 教 学 专 业 委 员会 会 甲 一 Ι这 巍 投稿邮箱 w刂 s@sudaedu cn 9 ll llll l 求求求 新实活

第 34卷 第 2期 物 理 教 Vo134N 2 师 PHYSICs TEACHER 2013年 (2013) 物 理 实在 和物 理 量 陈敏 华 (浙 江省绍兴县豫才 中学 浙 江 绍兴 31⒛ 00) 要 物 理 量和物理 实在是描述和被描述 的关系物 理 实在是客观存在 的 而 物理量是人们 为 了描述 物理 实在 而主观创造 的然 而 由 于这 个 自明的事实常常被 人 们 所 忽视 在 物理 教 科 书 中我 们 常 可看 到 由此产 生 的一 些 错误说 法 本 文作 了例举 摘 关键词 物 理 实在 ;物 理 系统 ;物 理量 1 引言 亚里士多 德 曾声 称 独 立 存 在 的是 个 别 事 物 或 用 亚 里士多德 主义 的术 语 说 是 实 体 E1]艾 菲 尔铁 塔 邻居家 的马 这支铅笔 都 是个别事物 是 亚 里 士 多德 意 义上 的实 体 它 们独立存 在 因 而是 实在 (reahψ )相 反 艾 菲尔铁 塔 的高度 邻居家马 的金黄颜 色 节 笔 的六 角形状 都 是 一 这 些属性 些属性不能独立 于塔 马和铅笔存在 在一些文献 中 物 理实在 (phy cal reahtd[2]又 叫做 物 理 世 界 (phy⒍ cal w rld)e3]或 物 理 系 统 (phy蚯 cal sys tem)[4]对 物理实在 的属 性 的描述 有 多 种 方 法 物 理 学 家 常采用物理量 (phys忆 d quantity)来 描 述 物 理 实 在 的某 些 属性 因 而 对 一 个物理系统 我 们 需 要 多个 物 理量 来 描 述 它 从 理论 上讲 无 论 我们 用 多少 个 物 理 量来 描 述 一 个 物 理 系统 我 们 总不能把它 的所 有属 性 完 全描述 出来 所 以 用物理量来描述物理系统跟用其他 方 法来 描述 一 样 总 是 不完备 的比 如 我 们 知道一个光子 的能量 是 尼v而 这仅仅 描述 了光子 的一 个 方 面 ;要 更 全 面 地 描 述 光 子 我 们 还 需 要动量 温度 化学势等物理量 在物理教科 书 中 我 们 总是把 描述 物 理属 性 的物理 量 说成是物理 系统所 具有 的比 如 我 们 通 常这 样 说 一 个 光子 具有 %v的 能量 和 的动 量 显 然 这 里 具 有 的意 孥 思并不是说光子这个 物理系统 中真正 具 有 这些 物理 量 因为这些物理量 是 人 们 所 创 造 出来 的 并 不 是 真 正 的 实 在 然而 随 着这 种 说 法成 为人 们 的 日常话 语 时 对 于 不 加深人思考或初学物理学 的人来说 很 容 易把 物理 量 当作 实在 来看待 从 而把物理系统 和描述 物理 系统 的物 理量 混 为一谈 尤 其是 当我们一直强调某 一 物理 系统 的某 一 物 理量时 随 着 时间 的推 移 人 们 会 把 这 工 物理 量 与 这 一 物 理系统等 同起来 把 九v说 成是光子 就 是一个典 型 的例子 这样 的错误说法 对 于 学 生 学 习物 理 来 说 是 不 利 的然 而 我们发现 在 物理教科 书 中这种错 误 说法 还是 有 一定 数 量 的因 而有必要来加 以澄清 和纠正 2 举例 21 光子 九v 子 当作组成光子 的物理实在 "光 本 身就是 由一 个 一个 不 可分割 的能量子组成 的 频 率为 v的 光 的能量子 为 九v尼 为 普 朗克常量 这 些能量子后来被称 为光子 (photoll 实 际上 电 磁辐 射 是 一 种 物 理 系 统 单 独 用 能 量 来 描 述 电磁辐射是不 够 的光 子是 电磁 辐 射 的基 本 组 成 部 分 显然 这 个基本组 成 部 分 不 是 能 量 子 光 子 还 需 要 用 除 能 量 以外其他 的物理量 (如 动量 温度 角动量 化 学 势 等 )来 描述 因此 我 们不能说 光子就是 能量子 就 是 九v 而 应该 说 一个光子 的能量为 九v 类似 的错误说法还有 当正 电子 和 电子 碰撞 时 它 们 两者都被湮灭 掉 物 质 被 直 接 变 成 了能 量 湮 灭 的逆过程 也 能 发 生 即 能 量 可 直 接 转 变 成 物 质 E6] H +n H+尼 v E7] 以上这些表述 其实是 唯能论 的反 映唯 能论 之 所 以是 错误 的 是 因为光 子 的能量 特 征 不 能 替 代 它 的全 部 特 征 唯能论在前提上就是根本错误 的 [] 因此 我 们不能说 电子 和 正 电子 的反 应 产 生 能 量 同 而应该说 电子 和 正 电子 的反 应 产 生 光 子 样 反 应 方 程 e-+e+=2尼 v 应改为 e_+e+=2γ 22 能量形式 和能量转换器 我们通常把能量这个 物理量表示 为各 种 不 同 的形 式 如 电能 化学能 热能 动能 势 能 电场 能 等 我 们 已经 习 惯 于这种表达方式 了 并 且这种表 达方 式能 帮 助 我们 区分 各种不 同的物理 现象 然 而 它 们 在 教 学 中至 少 存 在 着 两 方 面 的误导作用 有 些 能量 形 式 的名 称 (如 电能 化学能 热能 )会 误导我 们 不 同 的能量 形 式 是 不 同 的物 理 量 尤 其 是 当我们 同时运用 能量转换器 (如 我们 通 常这样 说 发 电 机把热能转换成 电能 电 池把化 学 能转 换成 电能 )这 个 名 称 时 ;有 些能量形式 的名称 (如 电场能 )会 误 导 我们 能量 是 一 种物理实在 尤 其是 当我们 同时运用 能量储 存 器 这 个 名 称时 如果我们像对待其他物理量 (如 电荷 量 质 量 等 )一 样 来对待能量这个物理量 的话 我 们 就会 觉得 上述 能量 形 式 的说法确实会 给人 以错 误 的 印象 能 量 是 一 种 物 理 实 在 根据普 朗克能量量子化理论 带 电微 粒是 以最 小 能 量 或不 同的能量形 式 是 不 同 的物 理 量 比 如 我 们 不 会 根 据 值 为单位一份一份地辐射或 吸收能量 的 这 个 不 可再 分 的 最小能量 乃v叫 做能量子 显 然 能 量子仍是 一 个物理量 而 不是一个 物理实在 然 而 在 一 些物 理 教科 书 中 却 把 能 量 在 电荷量传递 的过 程 中不 同的 电荷 携 带 者 来 给 电荷 量 这 α 离 子 电荷 个 物理量 取 不 同名 称 电 子 电荷 质 子 电荷 等 ;我 们 也不 会 根 据 质 量 储 存 在 不 同 的地 方 而 给 质 量 这 73

厂 ol 34No2 理 物 教 第 34卷 第 2期 ⒛ 13年 师 PHYSICs TEACHER (2013) 显 然 点 电荷 的 概 念 也 存 在 同 样 的 缺 陷 自 然 界 中 不 个 物 理 量 取 不 同 的 名 称 人 体 质 量 石 头 质 量 土 豆 质 量等 实 际上 在 所 谓 的 能 量 转 换 器 (energy transformer) 存 在 纯 电荷 的物 理 实 在 电 荷 (量 )其 实 是 描 述 带 电体 某 一 属 性 的物 理 量 包 括 电 子 在 内 仅 仅 用 电 荷 量 来 描 述 它 是 中 物 理 量 实 际 上 并 没 有 转 换 能 量 是 广 延 量 (extensive quanuty)又 叫 实 物 型 物 理 量 (substance-1ike phy cal 不 够 的 因 此 点 电荷 跟 质 点 一 样 也 是 将 一 个 广 延 量 与 一 个 体 积 为 0的 点 联 系 起 来 如 果 按 照 上 面 的 定 义 这 种 带 quantity)我 们 发 现 能 量 总 与 至 少 一 个 别 的 实 物 型 物 理 电体 既 不 仅 仅 是 点 电荷 同 时 也 是 质 点 因 为 带 电 体 也 是 量 同时 流 动 例 如 在 用 绕 有 绳 子 的 电 动 机 来 提 升 一 个 重 能量等 有 质 量 的 甚 至 还 有 动 量 物 时 能 量 与 电荷 量 一 起 从 电 源 流 入 电 动 机 再 与 动 量 一 起 通 过 绳 子 流 到 重 物 由 此 有 人 提 出 把 与 能 量 一 起 流 动 的物 理 量 叫做 能 量 携 带 者 (energy caroer)并 把 能 量 转 换 (mergy an ⒍ver) EOl 器 这 名 称 改 为 能量 收发 器 一 显 然 将 能 量 形 式 改 为 能 量 携 带 者 和 将 能 量 转 换 器 改 为 能 量 收 发 器 后 在 一 定 程 度 上 能 消 除 人 们 对 24 能 量 的错 误 理解 然 而 这 里 我 们 仍 然 运 用 了 比喻 的方 法 只不 过 这 种 比喻更 能使 我 们 正 确 理 解 能 量 这 一 物 理 量 因 量 后 来 他 开 创 了量 热 技 术 根 据 他 的测 量 结 果 他 提 出 r)把 它 取 热 是 一 种 物 质 后 来 法 国科 学 家 拉 瓦 锡 (Lav 此 我 们 仍 要 提 醒 学 生 不 要 将 它 当作 物 理 实 在 来 看 待 名 为热 质 El3] 23 质 点 和 点 电荷 在 物 理 教 科 书 中 与 质 点 这 一 名 称 有 关 的 概 念 有 2 个 一 个 是 对 转 动 可 忽 略 的 物 体 的 抽 象 在 英 文 词 汇 中 用 particle 表 示 ;[l ]另 一 个 是 与 质 量 这 个 物 理 量 有 关 的 概 念 即 有 质 量 的 物 质 点 在 英 文 词 汇 中 用 mass point 表 热质 我 们 知 道 热 质 (cal Ⅱc)是 历 史 上 的一 个 错 误 概 念 然 而 知 道 它 为什 么是 错 的也 具 有 很 深 远 的教 学 意 义 在 18世 纪 中叶 苏 格 兰 医 生 布 莱 克 (Joseph Black)提 出 了这 样 的观 点 温 度 是 热 的 强 度 (the intensity of lleat) 因而是 强 度 量 ;热 量 (the amount of heat)则 不 同 是 广 延 `忆 热 质 说 能 够 非 常 容 易 地 解 释 当 时 已 知 的许 多 热 现 象 物 体 有 一 定 的温 度 是 因为 物 体 内部 都 渗 透 着 一 定 量 的 热 质 ;物 体 温 度 的变 化 是 由于热 质 的流 人 或 放 出引起 的 在 18世 纪 人 们 普 遍 相 信 守 恒 原 理 人 们 同 样 认 为 示 E11]无 论 是 哪个 概 念 都 不 利 于 学 生 对 相 关 物 理 量 的 正 热 质 在 所 有 热 学 过 程 中应 保 持 守 恒 燃 而 有 许 多 现 象 表 明 热 质 是 不 守 恒 的 其 中最 主要 的现 象 是 摩 擦 生 热 人 们 确理 解 发 现 摩 擦 作 为 热 的源 泉 能 产 生 出不 可 穷 尽 的 热 量 来 他 除 了功 和 热 量 所 有 物 理 量 都 是 描 述 系 统 状 态 的 我 4类 们 又 可 以把 这 些 物 理 量 分 成 与 点 线 面 体 有 关 的 速 度 电势 等 )与 点 有 关 它 们 都 是 指 那 些 强 度 量 (如 温 度 系统 内某 一 点 的 电 势 差 是 电 场 强 度 沿 某 一 路 径 的 积 分 们 认 为 任 何 与 外 界 隔 绝 的 物 体 或 物 质 系 统 能 够 无 限 制 地 提 供 出来 的东 西 决 不 可 能 是 具 体 的 物 质 因 此 除 了把 热 看 作 是 物 质 的 运 动 以外 似 乎 很 难 把 它 看 作 是 其 他 任 何 东 西 [] 所 以像 电势 差 这 类 物 理 量 与 线 有 关 像 电流 能流 动量 流 还 等 物 理 量 与 通 道 的横 截 面 积 有 关 有一类 物理量 与体积 然 而 有 人 通 过 对 热 力 学 历 史 的 回顾 发 现 如 果 我 们 不 把 热 质 看 作 是 一 种 物 质 而 把 它 看 作 是 一 个 物 理 量 它 有 关 它 们 分 布 在 一 定 的空 间 有 相 应 的 密 度 这 类 物 理 量 就 是 我 们 前 面 提 到 过 的 广 延 量 又 叫 实 物 型 物 理 量 这 些 恰 好 就 是 克 劳 修 斯 提 出 的 熵 这 个 物 理 量 ;熵 和 布 莱 克 的 热 量 其 实 是 一 个 物 理 量 的两 个 不 同名 称 而 已 ;卡 诺 在 创 建 热 力 学 理 论 时 也 运 用 了这 个 物 理 量 热 质 (caloⅡ que)这 物理量包括质量 动 量 电荷 量 熵 物 质 的量 等 对 于 第 1个 质 点 概 念 虽 然 它 与 质 量 无 关 但 与 力 有 当 几 个 力 作 用 在 一 个 质 点 上 时 由 于 质 点 没 有 大 小 关 在 这 些 力 的作 用 下 这 个 质 点 当 然 不 会 转 动 从 这 一 点 上 来 说 一 个 没 有 转 动 的 物 体 可 以 简 化 为 一 个 质 点 然 而 根 据 牛 顿 第 二 定 律 的微 分 形 式 F=巡笛⒓ =誓 9我 们 可 以 看 出 力 就 是 动 量 流 是 一 个 与 面 积 有 关 的 物 理 量 动 量 流 (力 )怎 么 可 以通 过 一 个 没 有 大 小 的 质 点 呢?这 是 导 致 学 生 在 理 解 力 这 个 概 念 时 感 到 困 惑 的 原 因 在 学 习 力 的 概 念 时 我 们 总 要 向 学 生 强 调 力 的 3要 素 大 小 方 向 和 作 用 点 然 而 在 解 释 一 些 实 际 现 象 时 力 会 使 学 生 感 到 捉摸不透 现 在 我 们 很 容 易 看 出第 2个 质 点 概 念 的 缺 陷 因 为 质 量 是 广 延 量 是 与 体 积 有 关 的 物 理 量 因 此 我 们 很 难 将 这 样 的物 理 量 与一 个 体 积 为 0的 点 联 系起 来 带 电体 的形 状 大 小 及 电荷 分 布 状 况 对 它 们 之 间 的作 用 力 的影 响 可 以忽 略 时 这 样 的 带 电体 就 可 以看 做 带 电 的 点 74 [12] 原 来 热 质 说 的错 误 是 由于 人 们 把 它 看 成 是 一 个 物 理 实 在 了 而 实 际上 它 是 一 个 物 理 量 是 一 个 广 延 量 ;它 与 一 般 的广 延 量 不 同 是 一 个 半 守 恒 的 量 它 可 以 产 生 但 不 能 消灭 因 此 广 延 量 不 一 定 是 守 恒 量 把 热 质 和熵 等 同 为 同 一 个 物 理 量 在 教 学 上 具 有 很 重 大 的意 义 有 人 还 建 议 将 人 们 在 日常 生 活 中 常 用 的 热 Els]这 (heat)作 为 熵 的 同义 词 来 使 用 就赋 于熵 以布莱 克 的 热 量 或 卡诺 的热 质所 具 有 的可 想 象 性 热 一 词 直 接 意 味 着 它 是 一 个 包 含 在 物 体 中并 能 从 物 体 流 出 或 流 人 的 量 因 此 即 使 以前 没 有 有 关 这 方 面 知 识 的人 也 有 可 能 形 成 熵 的 概 念 从 而 形 成 掌握 它 的感 性 知 识 所 以 在 熵 的教 学 中我 们 应 该 主要 地 把 精 力 放 在 熵 作 为 一 种 实 物 型 物 理 量 可 以 储 存 在 物 体 中这 一熵 的 图像 上 25 在 流 行 的物 理 教 科 书 中是 这 样 来 定 义 点 电荷 的 当带 电体 间 的距 离 比它 们 自身 的 大 小 大 得 多 以 致 叫做 点 电荷 (point cllarge) 一 名 称 [1还 ] 质能转换 对 于 爱 因斯 坦 的 质 能 方 程 E=勿 c2在 一 般 的 物 理 教 材 中人 们 都 会 强 调 E和 勿 的对 应 关 系 尽 管 如 此 学 生 和 个 别 教 师 还 是 认 为 质 量 可 以转 换 为 能 量 或 反 过 来 甚 至 在 教 材 中仍 然 隐 约地 可 以看 出这 个 意 思 (下 转 第 83页 )

第 34卷 第 2期 物 理 教 Vo134No2 师 PHYSICs TEACHER 2013年 (2013) q一 定小 于 饧 (D带 电粒子所受 电场力 的方 向 解析 q(ω 只 表 明电场 方 向是 向上 的 由 于不 知道 带 电粒子 的运动 轨 迹 我 们无 法 判 断 此 微 粒 的受 力 方 向 也就无法知道 微粒 的电性 故 选项 (A 错 (C)@ 犭两点 电势 的高低 (D)带 电 粒 子 在 u 犭两 点 电 势 能 的 高 低 和 速 度 大小 EA>E说 明电场力做 负 功 速 度 方 向与 电场力 方 向 方 向 也 就不知道 A B两 点 电势 的高低 故 选项 (D错 解 析 由 于带 电粒 子 所 受 电场 力 就 是 粒 子 所 受 的 合 外 力 其 方 向 既 要 与 电 场 线 相 切 又 要 指 向 弯 曲 轨 迹 内部 根 据 这 一 特 点 可 判 断 电 场 力 的 方 向 故 选 项 (D正 确 若该 电荷 的运动轨迹 是 虚 线 乙可 知微 粒所 受 的 电场 力方 向向上 又 由于微粒带正 电 可 知 电场方 向向上 有 卿 (Ω 故 选 项 (D)对 虽然可 以判 断 出带 电粒 子所 受 电场力 方 向 但 由于 不知道 电场 的方 向 也 就无法判 断带 电粒 子 的 电性 和 @ 犭两点 电势 的高低 故 选项 (A) (C 错 的夹角大于 90 电 场力方 向向上 粒 子运动轨迹 为 犭故 选 项 (C)对 ;但 由于不知道微粒 的 电性 我 们无 法判 断 电场 的 变 式 题 如 图 12所 示 实 线 为 电场 线 虚 线 为 带 电 粒 子 的 运 动 轨 若此微粒 由 曰运动到 犭因 电场 力做 负功 其 动 能减 小 电 势能增加 ;如 果此微粒是 由 犭运动到 曰因 电场力做 正功 其 动能增加 电 势 能 减 小 ;故 不 管粒 子 运 动 方 向如 迹 设 带 电离 子 仅 受 电 场 力 作 用 由 图可 知 (A)带 电粒 子 的带 电性 质 (上 接 第 74页 ) 何 它 在 @点 的动能一定 比 犭点 的大 ;它 在 点 的 电势 能 一 定 比 犭点 的小 所 以选项 (D)正 确 图 12 (收 稿 日期 2012-09-16 比如 下 面 的 核 反 应 方 程 H+子 1760MeV Es] 学宣桂鑫教 授 北 京 师 范 大 学 董 春 雨 教 授 的讨 论 中在 此 H 彦He+n+ 向他们表示衷 心 的感谢 如果不作任何 解 释 学 生 就 知 道 这 个 方 程 的意 思 是 在这个核反应 中 会 释放 出 1760MeV的 能量 并 且 在 教 材 中也是作这样 的解 释 的 一 个 氘 核 与一 个 氚 核 结 合 成 一个 氦核时 (同 时 放 出一个 中子 )释 放 1760MeV的 能 量 由 于学生知道这个 反 应 前后 有 质 量 亏损 所 以 他们 自然就得 出这 样 的结论 在 这 个 反 应 中 质 量 转 换 成 了能量 参考文献 疒 1 G 希尔贝克N伊 耶著童 世骏 郁 振华 刘 进译西 方哲学 史 从古希腊到二十世纪 上海 上 海译文出版社 ⒛ 0478 2 N David Mermin Is the moon there wh它 nn0b0dy looks?real- ity and the quantum theoryphysics T 3 day Apr⒒ 198538 SheⅡ a Tobias Math anxiety and physics some th ughts n learning dⅡ flcuh su叻 ects Physics TodayJune198561 4 FHerr血 ann and G Job Ahlasten der Phy k Aul Verlag Deubner200215-ˉ 1819-ˉ 20 实 际上 质 量 和能量 都是 物理 量 而 不是 物 理 实在 它 们之 间不可能存 在 转 换 关 系 在 上 面所 介 绍 的核 反 应 中 系统在反应前后 的静止质量减少 了质 量 亏损所 对 应 的能 量表现为反应生 成物 的动能 5 6 张维 善 等 普 通 高 中课 程 标 准 实 验 教 科 书 物 理 选 修 ⒊5北 京 人 民教 育 出版社 ⒛ 0535100 保 罗 齐 策 维 茨 著 仲 新 元 译 物 理 原 理 与 问题 (第 3册 ) 上 海 上 海科 学 技 术 出版社 ⒛ 05⒛ 8 其实爱 因斯坦 本 人 也 犯 过 这 样 的错 误 根 据 狭 义 相 对论 质 量 和 能量 是 同一 事 物 的不 同表 现 这 是 一 般 人 都 不大熟悉 的概念 然 而 质 能方程告 诉 我们 能 量 等 于质量 7 8 吴 知 非 原 子 核 物 理 学 北 京 高 等教 育 出版 社 1983104 与光速平 方 的乘 积 即 很 小 的质 量 可 以转 化 为 很 大 的能 量 或 反过来 E4] 根据上 面 的讨 论 爱 因斯 坦 应 该 这 样 说 很 小 的质 量 对应很 大 的能量 9 G FalkF Herrmannand G Bruno schmd Energy f rms or energy carriers?am J Phys 51(12 December1983 107喹 10 致谢 本文所表 明的一些观点产生 于跟德 国卡尔斯鲁 厄大学 FHerrmann教 授和 M忆 hael P hlig教 授 以 及华东师范大 1077 zemansky and Hugh D Pubhshing C mpany 197620 11 张维 善 等 普 通 高 中课 程 标 准 实 验 教 科 书 物 理 必 修 1北 京 人 民教 育 出版社 201010 12 张 维 善 等 普 通 高 中课 程 标 准 实 验 教 科 书 物 理 选 修 ⒊1 北 京 人 民教 育 出版社 ⒛ 106 13 R onald Newburgh Carn t Eur t Clausius cal ric to entropy J Phys2009(30)713-728 14 G Falk Entropy a resurrection of caloricˉ a look at the his- 15 G Job tory of thermodynamics Eur 4 -ˉ Francis W sears Mark W Young University Phy cs(fifth Editi n) Addison Wesley 3 现象 因 此 一 位优 秀 的物理 教 师 应 该 从 物 理 现 象 开 始 来 展开物理教学 并 由此 来 引 出物 理 概 念 t物 理量 以及 物 理 模 型和理 论 堇 春 雨 物 理 基 本 概 念 的 演 变 太 原 山 西 教 育 出 版 社 1998 135-ˉ 136153-ˉ 161 小结 在物理教学 中 我 们经 常可 以看 到将 物 理实 在 和物 理 量混为一谈 的情况 正 如海森 堡所说 科 学 是 由人 们创 造 的 这 个 自明的事实 却 常常被 忘 掉 了 E1臼 因此 辨 别 物 理 实在和物理量 这两个概念 其 意义不仅 在 于物理语 言 的表 达上 还 在于物理 教 学 上 物 理 概 念 (包 括 物 理 量 )和 它们 之 间的关 系 (模 型 和理 论 )来 自于物 理 实 在所 表 现 出来 的 Warme Phys1985(6 108-115 Neudarstellung der WarmelehreDie Entropie a1s Akaden`ische Ver1agsgesellschaft Frankfurt am J Main 1972 16 王 正 行 物 理 学 中 的模 型 推 广 和 简化 物 理 教 学 ⒛ 12(3)5 (收 稿 日期 2012-09-14) 83