王凌云 丁慶紅

(1.北京市石景山區(qū)京源學(xué)校,北京 100040;2.北京教育學(xué)院石景山分院,北京 100043)

物理教材在介紹一些物理學(xué)史的時(shí)候,往往很簡(jiǎn)單,例如“奧斯特在一次偶然的機(jī)會(huì),發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)”,“法拉第經(jīng)過十年的研究,發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象”,學(xué)生看到這里總感覺“他們的運(yùn)氣真好”,或者“課堂上幾分鐘就講完的內(nèi)容怎么用了十年時(shí)間,用這么長(zhǎng)的時(shí)間做什么”,甚至一提到某位科學(xué)家,例如亞里士多德,學(xué)生就覺得這人是笨蛋,怎么什么都是錯(cuò)誤的,他們并不了解,亞里士多德在歷史上的地位,是一丑遮百俊,而一提到牛頓、愛因斯坦,就覺得完美得令人仰視,從一個(gè)極端走向另一個(gè)極端.

因此,在物理教學(xué)中,我們需要對(duì)物理發(fā)展的歷程做一些補(bǔ)充,充分利用物理學(xué)史的內(nèi)容進(jìn)行人文教育,一方面吸引學(xué)生,激發(fā)他們對(duì)物理的興趣;另一方面,使學(xué)生對(duì)物理的發(fā)展有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí),對(duì)科學(xué)家有一個(gè)正確的了解,從而開闊學(xué)生的視野,使學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的同時(shí),還能悟“理”,悟思考之理、悟?yàn)槿酥?、悟世間之理.在教學(xué)難度大,抽象思維、邏輯思維能力要求較高時(shí),學(xué)生的學(xué)習(xí)方式是積極的還是懶惰的,是堅(jiān)忍不拔的還是畏怯退縮的,與人文精神有很大的關(guān)系.所以在物理教學(xué)中,需要進(jìn)行一些人文教育.

以下是筆者在物理教學(xué)中對(duì)教材的一些補(bǔ)充,以及利用物理學(xué)史滲透人文教育的一些嘗試.

(1)思想上的進(jìn)步.

理科班的學(xué)生在學(xué)習(xí)政治學(xué)的時(shí)候,總不感興趣,尤其在學(xué)習(xí)方法論的時(shí)候,體會(huì)不到這有什么用處.在學(xué)習(xí)牛頓運(yùn)動(dòng)定律時(shí),可以抓住時(shí)機(jī),使學(xué)生明白,哲學(xué)是使人聰明的學(xué)科,科學(xué)源于哲學(xué),牛頓的巨著還叫做《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》.在一些表面看起來無關(guān)的物理現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)可以相互轉(zhuǎn)化后,人們利用聯(lián)系的觀點(diǎn)去審視各種現(xiàn)象,這也引發(fā)了物理研究的一個(gè)又一個(gè)進(jìn)步,促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展.

材料1:奧斯特真的是偶然發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)嗎？

奧斯特早在讀大學(xué)時(shí)就深受康德哲學(xué)思想的影響,認(rèn)為各種自然力都來自同一根源,可以相互轉(zhuǎn)化.富蘭克林曾發(fā)現(xiàn)萊頓瓶放電后鋼針可以被磁化.奧斯特?fù)?jù)此認(rèn)為電和磁之間存在必然的聯(lián)系,在一定條件下,電可以轉(zhuǎn)化為磁.奧斯特仔細(xì)地審查了庫侖的論斷,發(fā)現(xiàn)庫侖研究的對(duì)象全是靜電和靜磁,確實(shí)不可能轉(zhuǎn)化.他猜測(cè),非靜電、非靜磁可能是轉(zhuǎn)化的條件,應(yīng)該把注意力集中到電流和磁體有沒有相互作用的課題上去.奧斯特推測(cè),直徑較小的導(dǎo)線通過電流時(shí)會(huì)發(fā)熱,通電導(dǎo)線的直徑再小一些,就有可能發(fā)光,當(dāng)導(dǎo)線的直徑進(jìn)一步縮小到一定程度時(shí),電流或許會(huì)產(chǎn)生磁效應(yīng).他猜測(cè),如果電流能夠產(chǎn)生磁效應(yīng)的話,這種效應(yīng)能像電流通過導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生熱跟光那樣向四周散射,是一種橫向作用.因此,將小磁針放在載流導(dǎo)線的側(cè)旁,有可能觀察到這種現(xiàn)象.

1819年上半年到1820年下半年,奧斯特一面擔(dān)任電、磁學(xué)講座的主講,一面繼續(xù)研究電、磁關(guān)系.1820年4月的一天,他利用鉑導(dǎo)線、小磁針設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn),但因其他事情沒有立即做這個(gè)實(shí)驗(yàn).當(dāng)天晚上的課堂上,奧斯特感到這個(gè)實(shí)驗(yàn)有可能成功,抱著試試看的心情做了一次實(shí)驗(yàn).他把一條非常細(xì)的鉑導(dǎo)線放在一根用玻璃罩罩著的小磁針上方,接通電源的瞬間,發(fā)現(xiàn)磁針跳動(dòng)了一下.這一跳,使有心的奧斯特喜出望外,但是因?yàn)槠D(zhuǎn)角度很小,而且不很規(guī)則,這一跳并沒有引起聽眾注意.以后,奧斯特花了三個(gè)月,做了許多次實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)磁針在電流周圍都會(huì)偏轉(zhuǎn).在導(dǎo)線的上方和導(dǎo)線的下方,磁針偏轉(zhuǎn)方向相反.在導(dǎo)體和磁針之間放置非磁性物質(zhì),比如木頭、玻璃、水、松香等,不會(huì)影響磁針的偏轉(zhuǎn).1820年7月21日,奧斯特寫成《論磁針的電流撞擊實(shí)驗(yàn)》的論文,講述了他的實(shí)驗(yàn)裝置和60多個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,正式向?qū)W術(shù)界宣告發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng).

可見,奧斯特是在一直尋找著電流的磁場(chǎng),他也經(jīng)歷了很多研究過程,查閱資料、反復(fù)試驗(yàn),因?yàn)樗且粋€(gè)有準(zhǔn)備的人,一個(gè)微弱的現(xiàn)象,才能被他牢牢地抓住,轉(zhuǎn)化為一個(gè)偉大的研究結(jié)論.說是偶然發(fā)現(xiàn),也蘊(yùn)含了必然的結(jié)果.這正是“在觀察的領(lǐng)域里,機(jī)遇只偏愛那些有準(zhǔn)備的頭腦！”

材料2:克拉頓真的是缺少一個(gè)助手嗎？

在法拉第研究磁生電現(xiàn)象的同時(shí)期,也有很多科學(xué)家研究這一問題.教材中也有介紹,例如克拉頓,他把線圈放在一個(gè)屋子,把檢驗(yàn)用的導(dǎo)線、小磁針放在另一個(gè)屋子.實(shí)驗(yàn)時(shí)他把磁鐵插入線圈,再跑到另一個(gè)屋子去看小磁針是否偏轉(zhuǎn),結(jié)果沒有觀察到電磁感應(yīng)現(xiàn)象(如圖1所示).講到這個(gè)故事的時(shí)候,多數(shù)學(xué)生會(huì)笑話克拉頓.當(dāng)問到克拉頓為什么沒有觀察到電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí),很多學(xué)生說“他應(yīng)該找一間大屋子做實(shí)驗(yàn)”、“他應(yīng)該找一個(gè)助手幫助他”、“他在墻上開一個(gè)窗戶就行了”,筆者認(rèn)為并非如此,可以反問學(xué)生,克拉頓為什么要這樣安排設(shè)備,難道找不到一間大屋子嗎？難道克拉頓就找不到一個(gè)助手嗎？筆者認(rèn)為當(dāng)時(shí)很多科學(xué)家,包括克拉頓,都認(rèn)為磁生電是一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),因?yàn)殡娏鳟a(chǎn)生的磁場(chǎng)就是一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng).一個(gè)人有了什么樣的思想認(rèn)識(shí),就會(huì)做什么樣的事情.因?yàn)殡娚攀且粋€(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),人們就認(rèn)為磁生電也是穩(wěn)定的狀態(tài).筆者認(rèn)為克拉頓的失敗更多的是他沒有意識(shí)到磁生電是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程.那么我們?cè)趯W(xué)習(xí)中是不是也有類似的現(xiàn)象呢？

圖1

材料3:推廣楞次定律的“阻礙變化”.

楞次定律的表述很讓學(xué)生感到別扭,“感應(yīng)電流的磁場(chǎng),總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”,但是楞次定律的表述“阻礙變化”具有普遍意義,在各個(gè)學(xué)科中都有體現(xiàn).如果向?qū)W生多介紹一些相關(guān)的內(nèi)容,不僅僅是體現(xiàn)“聯(lián)系”的觀點(diǎn),更多的是給學(xué)生不一樣的體會(huì).

例如歷史上各個(gè)時(shí)期的變法運(yùn)動(dòng),從商鞅變法到百日維新,總是會(huì)引起原有階層人物的反對(duì),這就是“阻礙變化”的表現(xiàn).在生活中,天熱了,我們會(huì)穿輕薄的衣服,天氣變冷了,我們就會(huì)穿上棉衣毛衣羽絨服,就是“阻礙變化”,減小外界變化對(duì)我們的影響,甚至在生物進(jìn)化中也有類似的現(xiàn)象.心理學(xué)也有逆反的現(xiàn)象,你讓我那么做我偏不那么做,偏要和你唱反調(diào),這也是在“阻礙變化”.甚至化學(xué)中有一條規(guī)律,是勒夏特列原理,如果改變影響平衡的一個(gè)條件(如濃度、壓強(qiáng)或溫度等),平衡就向能夠減弱這種改變的方向移動(dòng).它的表述與楞次定律有異曲同工之妙.這些不同學(xué)科的表現(xiàn),正是對(duì)“聯(lián)系”觀點(diǎn)的印證.

(2)粒子加速器中問題的延伸.

在《物理》選修3－1第3章磁場(chǎng)部分,學(xué)習(xí)回旋加速器的時(shí)候,教材中提到,“回旋加速器加速的帶電粒子,能量達(dá)到25～30MeV后,就很難再加速了.由于相對(duì)論效應(yīng),粒子的質(zhì)量隨著速度的增大而增大,而質(zhì)量的變化會(huì)導(dǎo)致回轉(zhuǎn)周期變大,從而破壞了與電場(chǎng)變化周期的同步.”

之后教材就沒有后續(xù)情況的介紹了.這時(shí)就可以請(qǐng)學(xué)生思考,能否解決這個(gè)問題,提出解決的思路.一般情況下,學(xué)生能提出改變電場(chǎng)的變化周期,增大電場(chǎng)的變化周期,使之與粒子的回轉(zhuǎn)周期相同,或改變磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B,根據(jù)回轉(zhuǎn)周期公式使B與m有相同的變化情況,從而保證粒子的回轉(zhuǎn)周期與電場(chǎng)變化周期同步.順著學(xué)生的思路,就可以進(jìn)一步介紹科學(xué)家們的改進(jìn).為了對(duì)原子核的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的探索和產(chǎn)生新的基本粒子,必須研究建造更高能量的粒子加速器.

如等時(shí)性回旋加速器:將加速器磁場(chǎng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)成沿半徑方向隨粒子能量同步增長(zhǎng),則能將質(zhì)子加速到上百M(fèi)eV.同步回旋加速器:高頻加速電場(chǎng)的頻率隨加速粒子能量的增加而降低,保持了粒子回旋頻率與加速電場(chǎng)同步.同步加速器:使用磁場(chǎng)強(qiáng)度隨粒子能量提高而增加的環(huán)形磁鐵來維持粒子運(yùn)動(dòng)的環(huán)形軌跡,但維持加速場(chǎng)的高頻頻率不變.

自此,加速器的建造解決了原理上的限制,但提高能量受到了經(jīng)濟(jì)上的限制.隨著能量的提高,回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁鐵重量和造價(jià)急劇上升,提高能量實(shí)際上被限制在1GeV以下.

使用加速器做高能物理實(shí)驗(yàn),一般是用加速的粒子轟擊靜止靶中的核子,然后研究所產(chǎn)生的次級(jí)粒子的動(dòng)量、方向、電荷、數(shù)量等,加速粒子能參加高能反應(yīng)的實(shí)際有用能量受到限制.如果采取兩束加速粒子對(duì)撞的方式,可以使加速的粒子能量充分地用于高能反應(yīng)或新粒子的產(chǎn)生.1960年意大利科學(xué)家陶歇克首次提出了這項(xiàng)原理,并建成了直徑約1m的對(duì)撞機(jī),從此開辟了加速器發(fā)展的新紀(jì)元.

現(xiàn)代高能加速器基本都以對(duì)撞機(jī)的形式出現(xiàn),對(duì)撞機(jī)已經(jīng)能把產(chǎn)生高能反應(yīng)的等效能量從1TeV提高到10～1 000TeV,這是加速器能量發(fā)展史上的又一次根本性的飛躍.隨著加速器能量的不斷提高,人類對(duì)微觀物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)逐步深入,粒子物理研究取得了巨大的成就,能夠研究更細(xì)微的粒子,使得微觀世界的研究與宇宙學(xué)的研究有了相同之處,就像一條蛇咬住了自己的尾巴.

在《物理》選修3－2第4章電磁感應(yīng)中,在講到電子感應(yīng)加速器的時(shí)候,在教材例題的基礎(chǔ)上,可以讓學(xué)生判斷,在感生電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同作用下,電子可能的運(yùn)動(dòng)形式.當(dāng)帶電粒子處在一個(gè)逐漸增強(qiáng)的磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生向心運(yùn)動(dòng),從而形成一個(gè)中心存在較強(qiáng)電場(chǎng),周圍出現(xiàn)逐漸張開的旋臂的渦旋電場(chǎng).以此為基礎(chǔ),有人推斷宇宙中的星系的旋臂、臺(tái)風(fēng)的漩渦云圖(如圖2所示)的形成過程可能與漩渦電場(chǎng)有關(guān).把一個(gè)抽象的問題與一些實(shí)際生活中的現(xiàn)象聯(lián)系起來,既能加深學(xué)生印象,降低理解的難度,也能給學(xué)生以新的感受,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

圖2

(3)科學(xué)家的故事.

教材中涉及很多出色的物理學(xué)家,學(xué)生耳熟能詳?shù)姆ɡ凇才?、牛頓等,也有學(xué)生不太熟悉的特斯拉、奧斯特、韋伯、亨利、麥克斯韋等.熟悉的科學(xué)家,學(xué)生總覺得他們很偉大很完美,不熟悉的科學(xué)家則表示很驚奇,“他也是一位科學(xué)家”.介紹一些科學(xué)家的成就或軼事,緩和一下緊張的教學(xué)過程,讓學(xué)生了解一些科學(xué)家的另一面,通過小故事,體會(huì)研究的過程;分析科學(xué)家的得與失,獲得一些新的感悟;介紹科學(xué)家的成就與生平,樹立學(xué)生追求的理想.

材料1:法拉第的故事.

法拉第以發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象而著稱于世,十年辛苦,研究多種情況下的電磁感應(yīng),除了研究了五種情況下會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象,法拉第還有一些實(shí)驗(yàn)沒有成功,通過分析這些實(shí)驗(yàn)的得失,適時(shí)引導(dǎo),也能給學(xué)生以激勵(lì).

例如在1839年,法拉第根據(jù)其電磁感應(yīng)原理,設(shè)想出了一個(gè)思想奇特、氣勢(shì)恢宏的實(shí)驗(yàn),即在倫敦泰晤士河的滑鐵盧橋上,沿著橋上的欄桿拉了一條320米長(zhǎng)的電線,電線兩端各系一塊銅板,沿垂直方向沉入水中.電線、銅板和泰晤士河的流水三者構(gòu)成一個(gè)電流的閉合通路,在電線中間接上電流表.流動(dòng)的河水可以看作運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體,它們?cè)诘厍虻拇艌?chǎng)中運(yùn)動(dòng),切割磁感線.根據(jù)法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)原理,回路中就會(huì)感應(yīng)出電壓,應(yīng)該能夠看見電流表指針的偏轉(zhuǎn).從而實(shí)現(xiàn)直接利用大自然的力量發(fā)出電來的理想,為人類所用.法拉第的這個(gè)奇特實(shí)驗(yàn),一連在滑鐵盧橋上緊張地進(jìn)行了3天,吸引了無數(shù)看客,然而卻一無所獲.后來他又進(jìn)行探索,進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),但由于時(shí)代條件的局限,直到法拉第告別人世時(shí),這項(xiàng)奇特的實(shí)驗(yàn)也一直未能成功.

為什么法拉第沒有成功？這時(shí)可以讓學(xué)生進(jìn)行一些猜測(cè)與判斷,通過分析法拉第此實(shí)驗(yàn)的得失,體會(huì)到科學(xué)家的成功,不僅僅依靠正確的理論或猜想,實(shí)際條件也要滿足要求,滿足要求的環(huán)境與設(shè)備也是必需品.我們以后不管在什么樣的大學(xué)繼續(xù)深造學(xué)習(xí),理論內(nèi)容可能差不多,但是環(huán)境與設(shè)備的不同,也會(huì)造成不同的發(fā)展.

材料2:約瑟夫·亨利的貢獻(xiàn).

自感系數(shù)的單位是用美國科學(xué)家約瑟夫·亨利(如圖3)的名字命名的.約瑟夫·亨利也是一個(gè)大科學(xué)家,有很多發(fā)現(xiàn)與發(fā)明,例如電磁感應(yīng)現(xiàn)象、自感現(xiàn)象、電子打火的原理、繼電器、改進(jìn)的電磁鐵等等.

由于他生活在美洲大陸,遠(yuǎn)離當(dāng)時(shí)的科學(xué)中心歐洲,在個(gè)人名譽(yù)上有一些損失,但是亨利另一方面的貢獻(xiàn)非常突出.約瑟夫·亨利推動(dòng)了美國的科學(xué)研究.當(dāng)時(shí)美國的科學(xué)界普遍存在著重視技術(shù)發(fā)明而忽視基礎(chǔ)理論科學(xué)研究的傾向.大量?jī)?yōu)秀人才涌向技術(shù)領(lǐng)域,使得本來就落后的基礎(chǔ)理論研究更難以振興.亨利開始擔(dān)任科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)工作后,便一直致力于促進(jìn)實(shí)用技術(shù)發(fā)明與基礎(chǔ)科學(xué)理論的協(xié)調(diào)發(fā)展.亨利支持開創(chuàng)性的研究,創(chuàng)立全國性的科學(xué)學(xué)會(huì),請(qǐng)歐洲著名的學(xué)者來講學(xué).亨利雖然未能影響整個(gè)科學(xué)的發(fā)展進(jìn)程,然而他所從事的科學(xué)組織工作卻改變了整個(gè)美國的科學(xué)研究現(xiàn)狀,為20世紀(jì)世界科學(xué)中心從歐洲向美國的轉(zhuǎn)移準(zhǔn)備了良好的條件.

圖3

約瑟夫·亨利說:“機(jī)械工藝能夠喚起所有依賴它們獲得生活必需品或奢侈品的人們的好奇心和興趣……人們覺得這些工藝對(duì)于國家和個(gè)人都是非常有意義的東西.但是,如果沒有適當(dāng)?shù)目茖W(xué)知識(shí)對(duì)于這一目的的應(yīng)用,它們一定永遠(yuǎn)保持靜止或者進(jìn)展極其緩慢.”

學(xué)生學(xué)習(xí)物理也有類似的現(xiàn)象,如果基本原理基本方法不明確不清晰,無論再怎么學(xué)習(xí)解題技巧、題型歸類,也不會(huì)有很大的提高,偶爾會(huì)有起色,但“一定永遠(yuǎn)保持靜止或者進(jìn)展極其緩慢”.

物理的小故事很能吸引學(xué)生,也能給學(xué)生留下深刻的印象,讓學(xué)生有新的體會(huì).新課程關(guān)注學(xué)生的全面發(fā)展,課堂教學(xué)應(yīng)弘揚(yáng)物理學(xué)的科學(xué)精神和人文精神,應(yīng)尋找真善美,應(yīng)體現(xiàn)科學(xué)精神與人文精神的統(tǒng)一.物理教學(xué)更應(yīng)促使學(xué)生更好地理解、評(píng)價(jià)、欣賞科學(xué)事業(yè),激發(fā)學(xué)生探究科學(xué)的熱情、勇氣與欲望,培養(yǎng)其堅(jiān)忍不拔的意志和品質(zhì).

深入挖掘物理學(xué)史的內(nèi)涵,可以使學(xué)生了解孕育時(shí)期的科學(xué)發(fā)展規(guī)律,了解科學(xué)思想的誕生歷程,了解科學(xué)家的創(chuàng)造性思維、邏輯思辨能力的形成過程.而物理教學(xué)就是要教會(huì)學(xué)生“一些事物是怎樣被了解的,什么事情是已知,現(xiàn)在了解到什么程度(因?yàn)闆]有事物是絕對(duì)已知的).如何對(duì)待疑問和不確定性,證據(jù)服從什么法則,如何去思考事物、作出判斷,如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象(費(fèi)曼語).”在物理教學(xué)中弄清物理概念、物理規(guī)律的建立過程有助于學(xué)生探索精神、創(chuàng)新能力的培養(yǎng).物理學(xué)的魅力不僅在于物理知識(shí)本身,更在于它的科學(xué)思維方法、研究方法、科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新精神.物理教學(xué)要培養(yǎng)學(xué)生自己獲得知識(shí)的能力,就要讓學(xué)生從物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程得到啟迪,學(xué)會(huì)思考,學(xué)會(huì)探索.因此物理教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)該使學(xué)生領(lǐng)悟理論規(guī)律的發(fā)展歷程,它起始于哪里,過程如何,怎樣突破等等,讓學(xué)生感受物理學(xué)家的思路歷程,使學(xué)生學(xué)會(huì)思考、學(xué)會(huì)應(yīng)用、學(xué)會(huì)創(chuàng)新.