三种教材版本“万有引力定律”的比较

三种教材版本“万有引力定律”的比较
作者：黎国胜
来源：《学子·教育新理念》2013年第01期
“万有引力定律”是高中物理各版本必不可少的内容。

这些不同版本教材是如何呈现这一重要内容的呢？下面笔者以人民教育出版社出版的2006版物理必修第一册（简称人教版旧教材）、人民教育出版社出版普通高中课程标准实验教科书必修2《物理》（简称人教版新教材）、教科版普通高中课程标准实验教科书必修2《物理》（简称教科版教材）三种版本教材为研究对象，就教材内容、科学方法教育及贯彻新课程理念的情况作一个比较分析。

一、教材的章节安排比较
1.人教版旧教材把“万有引力定律”安排在第一册第六章第二节，占据了近三个页面。

2.人教版新教材安排在必修二第六章第二、三两节，占据了近五个版面。

3.教科版教材安排在必修二第三章第二节，占据了近四个版面。

三个版本的教材都把“万有引力定律”放在了“圆周运动”“天体运动”后面。

因为推导万有引力定律必然要用到圆周运动的向心力、向心加速度等知识。

同时，天体间引力的存在，引力规律的探讨在开普勒总结出天体运动三定律后变得更加迫切，同时开普勒第三定律也是推导万有引力定律的基础。

人们清楚、正确地认识了天体的运动规律之后，自然需要进一步探究天体运动的原因，引力问题的提出和研究顺理成章。

因此，三个版本教材的编辑都遵循了人类的认知规律。

但是，“万有引力定律”内容多，有问题的提出，有古人的猜想，有牛顿的推导和论证，因此作为一节教材显得内容多、任务重，因此人教版新教材分成了两节。

一节“太阳与行星的引力”，这节教材得出太阳与行星间的引力遵循平方反比规律就结束。

紧接着安排了一节“万有引力定律”，这节教材进一步提出地球与月球、地球对其周围的物体的引力是否也遵循相同的物理规律这一问题，着重介绍月——地检验，简要介绍了引力常量。

二、教材的主要内容比较
1.人教版旧教材
（1）问题的提出与历史的回顾。

教材首先提出问题：开普勒三定律回答了天体运动的规律，人们自然会提出天体为什么要这样运动的问题。

显得非常自然，也符合力学的研究程序——先描述物体的运动规律，再揭示运动的原因。

紧接着教材用了近600个字来介绍人类的认识历程：从古人的神学观点——圆周运动是最完美的运动，因而是最神圣的，不需要理由和原因；再到伽利略的合并趋势观点，到开普勒磁力作用观点，笛卡儿的以太观点，胡克的平方反比猜想，最后是牛顿的精彩证明。

（2）建立了理想模型。

质点与匀速圆周运动模型。

为了简化天体运动，把天体看成质点，把天体的椭圆运动简化成匀速圆周运动。

（3）推导过程。

先给出向心力公式，由于行星速度不便于测量，但周期便于观察，所以把线速度替换成了周期，紧接着教材直接换成了开普勒第三定律的形式，这里没有给出这样换的原因，显得非常唐突。

得出太阳对行星的引力与行星的质量成正比，与二者的距离平方成反比。

教材根据牛顿第三定律，牛顿认为行星对太阳也应该有一个引力，且引力也应该与太阳的质量成正比，然后就给出了正比的表达式，最后写成公式。

教材以阅读材料的形式给出月——地检验，然后推广到任意两个物体之间，总结出万有引力定律。

（4）接着教材介绍了引力常量G、万有引力定律的适用范围。

（5）教材花了近200个字介绍万有引力定律发现的重大意义，充分体现了教材编写者试图将人文气息融入教材的意图。

（6）教材用了近800个字来介绍卡文迪许实验的原理及其重要意义，而且安排在正文中。

（7）练习的设计。

教材设计了5个习题。

第1、2题是为了让学生加深对万有引力的认识，通过简单地应用公式就可以解决。

第3、4题分别计算天体之间、微观粒子之间的引力，目的是让学生领会到天体间万有引力起决定作用。

第5题通过万有引力常量G、地球半径R及重力加速度g，请学生尝试计算地球质量。

第5题编者的意图：一是教材在介绍卡文迪许测量万有引力常量的实验后，算出了地球质量，习题与教材两相呼应。

二是真实领略到G的测量的实用价值。

三是为下一节教材“万有引力定律的应用”做好铺垫。

2.人教版新教材
与人教版旧教材相比，有以下变动：
（1）教材拆分成两节。

第一节有问题的提出、历史的回顾、太阳对行星的引力推导、行星对太阳的引力，得出太阳与行星之间的引力公式，到此结束。

第二节首先提出太阳与行星间的引力是否与地球对附近物体的引力一致？然后以正文形式详细介绍月——地检验，证明地球对月球的引力、重力是同一性质的力，得出太阳与行星、地球与月球、地球对周围物体的引力遵循同一规律的结论。

然后自然地提出，自然界中任何两个物体之间的引力都遵循相同的规律——万有引力定律。

（2）教材未介绍卡文迪许实验。

而是直接给出了引力常量G的值。

但是教材给出了一幅彩图：卡文迪许实验室，并且对此实验室进行了简略的介绍。

（3）教材得出万有引力定律后，并没有直接给出公式的适用范围，而是以方框的形式给出，以提醒学生注意。

（4）增加了“说一说”栏目，引导学生自主思考和探究。

（5）两节教材共设计了5个练习题。

第1题引导学生思考、总结力学研究的两类问题及方法，第2题引导学生回顾万有引力定律的推导过程。

第二节的3个练习题与旧教材相同。

（6）教材更加注重推导过程，每一步都清楚地给出了变形的理由，非常有利于学生自主学习。

3.教科版教材
与人教版教材不同的地方有：
（1）以“苹果受到地球的引力而落后地面，月球为什么不以其初速度作直线运动而要围绕地球运动”来引入新课。

教材的图片充分体现了运动合成分解的思想方法：月球的运动分解成切线方向的匀速直线运动、引力方向的运动，这样引入既注重了学生已有知识与经验的迁移，又注重了合成、分解思想方法的应用。

（2）教材得出万有引力定律后以彩色方框的形式引用了费曼的名言：你能认出真理，因为它既美又简单。

编者试图引导学生感悟物理规律的简洁美、对称美，充分体现科学规律的人文价值。

（3）教材得出万有引力定律后给出一个图表——引力与距离的图像，多了一种描述物理规律的方法——图表法。

这个图像的意义笔者认为不大，因为引力与距离的平方成比，图像自然是一条曲线，学生进入高中后对物理图像已经有了比较充分的认识。

（4）教材以“发展空间”的形式介绍卡文迪许实验，对该实验有些削弱。

（5）月——地检验，放在了阅读材料里面，字数非常少，引导学生自己上网查找资料验证。

编者的意图很明显，给学生自主探究的空间和时间。

但是在实际教学中往往容易受到忽略，得不到重视。

（6）教材设计3个练习题。

第1、2题与人教版旧教材的题相同，第3题涉及到引力的合力为0的问题。

练习题难度相对简单，有利于减轻学生的学业负担。

三、三种教材科学方法教育的比较
三种教材的相同点：
（1）都建立了理想模型——质点和匀速圆周运动，应用了理想模型法。

理想模型法是物理学的基本研究方法之一，也是自然科学研究的基本方法之一。

（2）推导过程中都应用了对称性——太阳对行星的引力与行星对太阳的引力应当遵循相同的规律。

太阳对行星的引力通过圆周运动的知识、牛顿第二定律容易得出，容易让学生信服。

但是，行星对太阳的引力仅仅是根据牛顿第三定律提出的猜想，它并不具有必然性。

这一点，虽然体现了自然万物的平权、平等，但缺乏严格的物理证明。

三种教材对此都没有做出说明，正因为如此，万有引力定律提出来后还需要经过广泛的验证才能得到公认。

（3）牛顿在推导了太阳——行星的引力，月——地检验后大胆地提出任何两个物体间都有引力，而且都遵循相同的规律。

这里显然采用了归纳法，归纳法是一种重要的科学研究方法。

它是一种从个别到一般的推理方法，但是这种推理方法的结论还需要实验的检验。

而三种教材都没有明确说明这一点，都是在后面教材——万有引力定律的应用中通过海王星的发现等来进一步证实万有引力定律的正确性。

笔者认为，三种教材既没有明确归纳法，也没有指出归纳法的缺陷，更没有说明使用归纳法的注意事项。

教师在教学中一定要引起注意，适当的时机要告诉学生教材所蕴含的科学方法，并且将归纳法的知识巧妙地、有机地、明确地提出来。

（4）关于卡文迪许实验的思想方法。

卡文迪许实验不仅有重大的认识论意义，还有重大的方法论意义。

这一点三种教材都没有涉及。

第一，实验利用了放大的思想方法。

这是一种测量微小量的基本方法，在科学实验中有广泛的应用。

第二，对称思想的应用。

对称思想是物理学的基本思想，也是一种基本的美学思想。

在这里可以给学生以适当的介绍。

综上分析，三种版本教材的编排各有优缺点，编者都在符合学生的认知规律、体现科学研究的过程、渗透科学规律的人文意义方面进行探索。

但是科学知识、规律中所蕴含的科学方法
比较隐蔽，需要任课教师进行显化、巧妙地进行渗透，这样才能更好地贯彻落实新课标的三维目标。

（作者单位：四川成都双流中学）。