朱春花①

（新疆大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

物理學(xué)是研究宇宙間物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律和相互作用的自然科學(xué)，它是一門(mén)古老的基礎(chǔ)性學(xué)科.高等學(xué)校開(kāi)設(shè)的大學(xué)物理課程主要以物理學(xué)為基礎(chǔ)內(nèi)容.目前，大學(xué)物理中所教授的知識(shí)主要是經(jīng)典物理體系下的內(nèi)容，基本上都是百年以前的成果.然而，21世紀(jì)的人才培養(yǎng)模式發(fā)生重要變化，高等教育走向大眾化、普及化［1］.面對(duì)青年學(xué)生日益多元化的興趣和志向，作為從事大學(xué)物理教學(xué)的教師需要深入思考一個(gè)課題：如何適應(yīng)新形勢(shì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí).

近年來(lái)，這一課題的研究引起很多關(guān)注.有學(xué)者提出，在大學(xué)物理教學(xué)中融入天文學(xué)知識(shí)能有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能［2-3］.像很多其他學(xué)科一樣，天文學(xué)這門(mén)古老的基礎(chǔ)學(xué)科與某些鄰近學(xué)科也會(huì)互相借鑒、互相滲透.譬如1970年、1974年、1978年、1983年、1993年、2006年和2011年7個(gè)年度的8項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予14位天文學(xué)家，這就是天文學(xué)與物理學(xué)學(xué)科交叉的很好例證.天文學(xué)可以說(shuō)是一門(mén)以物理學(xué)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)［4］.天體物理學(xué)是天文學(xué)和物理學(xué)高度交叉融合的分支學(xué)科.因此，在大學(xué)物理教學(xué)中很自然可以穿插許多相關(guān)的天文學(xué)知識(shí)，也容易吸引學(xué)生注意力.

當(dāng)前，中國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)，科技發(fā)展迎來(lái)嶄新的局面.中國(guó)天文學(xué)的發(fā)展也進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，中國(guó)已經(jīng)建成或正在籌建一些天文大項(xiàng)目，例如，大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）、近地目標(biāo)巡視望遠(yuǎn)鏡（NEOST）、500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）、110 m全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡（QTT）等.在高校大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中，由于課時(shí)和地域限制，學(xué)生對(duì)這些天文大項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)地考察的機(jī)會(huì)很少.因此，課堂教學(xué)依然是大學(xué)物理教學(xué)最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，課堂的教學(xué)效果直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.筆者發(fā)現(xiàn)，在課堂上利用相關(guān)資料，借助多媒體教學(xué)方式介紹這些天文大項(xiàng)目能極大地激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和成就感，提高學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，活躍課堂氣氛，達(dá)到很好的教學(xué)效果.下面，舉例來(lái)說(shuō)明中國(guó)天文大項(xiàng)目對(duì)大學(xué)物理教學(xué)的促進(jìn)作用.

1 LAMOST

我國(guó)自主設(shè)計(jì)研制的大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡（LAMOST，郭守敬望遠(yuǎn)鏡）突破望遠(yuǎn)鏡大口徑與大視場(chǎng)難以兼得的瓶頸，是目前世界上最大的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，是世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡［5］.

在大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中可以穿插介紹LAMOST及其一些研究成果.這些介紹不僅能豐富教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)師生互動(dòng)，而且也能拓寬學(xué)生視野，滿足學(xué)生求知欲望，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識(shí)和探索精神的培養(yǎng)具有積極意義.

在大學(xué)物理波動(dòng)光學(xué)部分，會(huì)介紹光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng).由于光的衍射現(xiàn)象，光學(xué)儀器的分辨能力將受到限制.根據(jù)Rayleigh判據(jù)，光學(xué)儀器的最小分辨角與入射光波長(zhǎng)成正比，與儀器的透光孔徑成反比［6］.光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)即最小分辨角的倒數(shù).因此，光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)與透光孔徑成正比.在講到這部分內(nèi)容的時(shí)候，可以利用多媒體教學(xué)方式給學(xué)生介紹LAMOST，讓學(xué)生在熟悉所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)拓展知識(shí)面，了解天文望遠(yuǎn)鏡大口徑與大視場(chǎng)的矛盾.這些介紹很容易吸引學(xué)生關(guān)注，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到，利用合理的設(shè)備原理和創(chuàng)新的技術(shù)方法，中華民族能夠在相對(duì)較低成本下獨(dú)辟蹊徑，做出杰出的科技創(chuàng)新.學(xué)生會(huì)深受鼓舞，激發(fā)學(xué)習(xí)潛力和創(chuàng)新意識(shí).

通過(guò)高中物理的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)第一、第二、第三宇宙速度的概念已有所了解.在大學(xué)物理力學(xué)部分講授能量守恒定律時(shí)，可以重提宇宙速度，并加以擴(kuò)展，讓學(xué)生思考是不是可以獲得飛出銀河系的宇宙速度.Hills于2008年預(yù)言超高速星，這就是一類(lèi)速度高到能脫離銀河系引力束縛的恒星［7］.通常認(rèn)為，超高速星起源于雙星系統(tǒng)中的一顆被銀河系中心超大黑洞俘獲，根據(jù)機(jī)械能守恒定律，另一顆將以很高的速度被向外拋出，后者即為超高速星.利用LAMOST巡天的光譜數(shù)據(jù)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)迄今為止距地球最近的一顆超高速星［8］.這顆超高速星相對(duì)于銀河系中心的移動(dòng)速度是477 km/s.結(jié)合多普勒效應(yīng)的學(xué)習(xí)，可以給學(xué)生簡(jiǎn)單介紹如何利用光譜數(shù)據(jù)來(lái)確定恒星的視向速度.多普勒效應(yīng)指出，當(dāng)波源和觀察者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率不同.恒星光譜線的位移顯示恒星的視向速度，遠(yuǎn)離銀河系的恒星發(fā)射的光線頻率變低，即移向光譜的紅端，稱為紅移，恒星離開(kāi)銀河系的速度越快紅移越大.

2 射電天文望遠(yuǎn)鏡

學(xué)習(xí)大學(xué)物理經(jīng)典電磁理論之后，學(xué)生了解到電磁波的波長(zhǎng)范圍很廣，按照波長(zhǎng)由長(zhǎng)到短依次為無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線和γ射線，可見(jiàn)光只是電磁波譜中很窄的一段.射電天文學(xué)通過(guò)觀測(cè)天體的無(wú)線電波來(lái)研究天文現(xiàn)象.由于無(wú)線電波可以穿過(guò)光波通不過(guò)的塵霧，射電天文觀測(cè)成為光學(xué)天文觀測(cè)之外的一種探測(cè)宇宙的重要窗口.

我國(guó)正在建造的500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），是采用中國(guó)科學(xué)家獨(dú)創(chuàng)設(shè)計(jì)，利用貴州喀斯特地形條件和極端安靜的電波環(huán)境建造的射電天文望遠(yuǎn)鏡.FAST建成以后將成為世界上最大的單口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計(jì)在未來(lái)20-30年內(nèi)保持世界領(lǐng)先地位.正在籌建的新疆110 m射電望遠(yuǎn)鏡（QTT），是口徑為110 m全方位可轉(zhuǎn)動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡.該項(xiàng)目建成后，將與美國(guó)的100×110 mGBT（Green Bank Tele?scope）、德國(guó)的埃費(fèi)爾斯貝格（Effelsberg）100 m射電望遠(yuǎn)鏡并列成為世界最大的地面可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡.

在大學(xué)物理課堂上，利用多媒體教學(xué)方式介紹中國(guó)這些代表世界先進(jìn)水平的天文大項(xiàng)目，學(xué)生的民族自豪感油然而生，極大地增強(qiáng)學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)的積極性和主動(dòng)性.射電天文觀測(cè)得到的很多研究成果（比如關(guān)于中子星的相關(guān)物理知識(shí)）也可以在大學(xué)物理課堂上結(jié)合相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)加以介紹，能拓展學(xué)生知識(shí)面，活躍課堂氣氛，提高教學(xué)效果.

國(guó)際單位制中以非常穩(wěn)定的原子時(shí)定義的s作為時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)單位.在大學(xué)物理教學(xué)中可以給學(xué)生介紹，宇宙中也有相當(dāng)精準(zhǔn)的時(shí)鐘——脈沖星.脈沖星是高速自轉(zhuǎn)的強(qiáng)磁場(chǎng)中子星，不停地發(fā)出無(wú)線電脈沖［9］.研究發(fā)現(xiàn)，脈沖星的兩個(gè)脈沖之間的間隔十分穩(wěn)定，特別是毫秒脈沖星（自轉(zhuǎn)周期在1-30毫秒范圍內(nèi)的脈沖星），其準(zhǔn)確度與原子鐘相媲美［10］.那么，脈沖星的自轉(zhuǎn)周期為什么如此短，甚至達(dá)到毫秒量級(jí)呢？角動(dòng)量守恒定律的學(xué)習(xí)可以幫助學(xué)生解決這一問(wèn)題.根據(jù)恒星演化理論，中子星是大質(zhì)量恒星演化晚期超新星爆發(fā)后中心核塌縮的產(chǎn)物.如果假設(shè)恒星為質(zhì)量均勻分布的球體，則其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與恒星半徑的平方成正比.在塌縮過(guò)程中，恒星系統(tǒng)角動(dòng)量守恒，即Jω=恒量，其中ω為恒星自轉(zhuǎn)角速度.因此塌縮后形成的中子星很容易可以獲得極高的自轉(zhuǎn)速度，自轉(zhuǎn)周期甚至能夠達(dá)到毫秒量級(jí).另外，關(guān)于自然界中的磁場(chǎng)，中子星也是首屈一指的，其磁場(chǎng)一般高達(dá)108到109特斯拉，而太陽(yáng)表面的磁場(chǎng)約為10-2特斯拉，地球磁場(chǎng)約為10-5特斯拉.

3 中國(guó)的深空探測(cè)計(jì)劃

深空探測(cè)是21世紀(jì)人類(lèi)航天活動(dòng)的一大熱點(diǎn)，是指對(duì)月球及月球以外的天體或空間開(kāi)展的探測(cè)活動(dòng).深空探測(cè)能力是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和科技水平的重要標(biāo)志.2004年1月，中國(guó)的探月計(jì)劃——“嫦娥工程”正式立項(xiàng).月球探測(cè)的開(kāi)展，標(biāo)志著我國(guó)邁出深空探測(cè)的第一步.火星將是我國(guó)深空探測(cè)的第二顆星球.中國(guó)與俄羅斯合作共同探索火星.2011年11月中國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃中的第一顆火星探測(cè)器與俄羅斯的采樣返回探測(cè)器一起發(fā)射升空.遺憾的是，探測(cè)器變軌失敗.盡管在深空探測(cè)方面中國(guó)邁出可喜的第一步，但是未來(lái)的深空探測(cè)任重而道遠(yuǎn).

在大學(xué)物理教學(xué)中，可以在講解宇宙速度時(shí)給學(xué)生介紹運(yùn)載火箭的發(fā)射，或者在學(xué)習(xí)萬(wàn)有引力定律及能量守恒和轉(zhuǎn)化等知識(shí)點(diǎn)時(shí)引入以上深空探測(cè)項(xiàng)目的介紹.此外，如果條件允許，還可以做相關(guān)的專(zhuān)題報(bào)告.例如2014年5月，中國(guó)月球探測(cè)工程首席科學(xué)家歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士來(lái)到新疆大學(xué)，為廣大師生做了題為《中國(guó)的探月夢(mèng)》的報(bào)告.歐陽(yáng)院士的報(bào)告引起強(qiáng)烈反響，滿足了學(xué)生求知欲望，增強(qiáng)了民族凝聚力，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的熱情.

綜上所述，在大學(xué)物理教學(xué)中，借助多媒體教學(xué)方式穿插介紹中國(guó)天文大項(xiàng)目相關(guān)資料及研究成果，能起到很好的教學(xué)效果，拓展學(xué)生知識(shí)面，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其進(jìn)行科學(xué)研究的探索精神和創(chuàng)新意識(shí).

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