利用物理學(xué)史明晰大學(xué)物理中的物理概念

摘 要： 本文研究如何在課堂上通過(guò)引入物理學(xué)史明晰物理思想和概念。以講授波動(dòng)光學(xué)這一章為例，可以發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)匾胛锢韺W(xué)史上的小故事不僅可以豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，拓寬學(xué)生的視野，而且對(duì)于強(qiáng)調(diào)其中的物理思想和提高學(xué)生創(chuàng)造力有積極的作用。

關(guān)鍵詞： 大學(xué)物理教學(xué) 物理學(xué)史 物理概念

1.引言

《大學(xué)物理》這門(mén)課程是目前中國(guó)大學(xué)所有工科專業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)物理基礎(chǔ)學(xué)科，它的許多物理概念和基本公式對(duì)學(xué)生后期的工科專業(yè)學(xué)習(xí)至關(guān)重要，所以大學(xué)物理教學(xué)的成效將會(huì)直接影響到工科學(xué)生的數(shù)理修養(yǎng)。經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍缺乏學(xué)習(xí)興趣，對(duì)于關(guān)鍵的物理概念模糊，厭倦習(xí)題的求解。之所以出現(xiàn)這樣的情況，筆者認(rèn)為主要是因?yàn)楦咧须A段大規(guī)模的應(yīng)試教育使學(xué)生產(chǎn)生了倦怠學(xué)習(xí)的心理，而目前的大學(xué)物理課程無(wú)論是內(nèi)容還是形式都與高中課程類似，缺乏能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的新穎形式。

對(duì)于這種情況，大多數(shù)教學(xué)者是通過(guò)強(qiáng)調(diào)物理知識(shí)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用及和實(shí)際生活的聯(lián)系，豐富大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。而物理學(xué)史的滲透卻常常被忽略。值得注意的是，大學(xué)物理中的物理概念和公式是物理學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)研究的結(jié)果，所有的理論是經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，被教育者或研究者抽象出來(lái)用于教學(xué)的。這些理論在當(dāng)時(shí)的研究過(guò)程中，實(shí)際上并不像教科書(shū)上描述得那樣抽象，順利，以及自然而然，有些理論的建立甚至摻入了很多人為的因素。所以將當(dāng)時(shí)理論建立的過(guò)程正確地還原給學(xué)生，有助于學(xué)生正確地理解知識(shí)的建立，拓寬學(xué)生的視野，同時(shí)引發(fā)學(xué)生的探究欲望。

2.以波動(dòng)光學(xué)為例

2.1教科書(shū)中內(nèi)容的安排

波動(dòng)光學(xué)是主要講授光的波動(dòng)性。東南大學(xué)馬文蔚教授等編著的《物理學(xué)》下冊(cè)中關(guān)于波動(dòng)光學(xué)的內(nèi)容是這樣安排的：首先干涉的必要條件是兩束光相干，接著干涉實(shí)驗(yàn)包括楊氏雙縫干涉、劈尖干涉和牛頓環(huán)，之后是單縫衍射和光柵衍射，最后是光的偏振。

2.2光學(xué)發(fā)展史

牛頓（1642—1727）在1672年做了一個(gè)很出名的實(shí)驗(yàn)——色散實(shí)驗(yàn)。牛頓待在一個(gè)小屋里，只有一束亮光從一個(gè)特意留的小孔中射進(jìn)來(lái)，他不時(shí)地將棱鏡片插入小孔中。這時(shí)候原來(lái)的白光不見(jiàn)了，在墻上映射出一條長(zhǎng)長(zhǎng)的彩色寬帶。牛頓認(rèn)為光是不同顏色的微粒的合成。注意同一時(shí)期英國(guó)皇家學(xué)會(huì)主席胡克是波動(dòng)學(xué)說(shuō)的倡導(dǎo)者。所以胡克反對(duì)牛頓觀點(diǎn)，認(rèn)為僅僅是個(gè)假說(shuō)而已，想給年輕的牛頓一個(gè)下馬威。這讓牛頓勃然大怒，花了四個(gè)月的時(shí)間寫(xiě)了一篇洋洋灑灑的長(zhǎng)文，進(jìn)行反駁。

楊氏（1773—1829）受到當(dāng)醫(yī)生的叔父的影響開(kāi)始學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)，后來(lái)研究人體上眼睛的構(gòu)造，接觸到光學(xué)上的一些基本問(wèn)題，并形成了光是波動(dòng)的想法，他的這個(gè)認(rèn)識(shí)來(lái)源于前面我們講到的波的干涉現(xiàn)象。于是做了一系列實(shí)驗(yàn)。1807年楊氏總結(jié)出版了他的《自然哲學(xué)講義》，里面綜合了他在光學(xué)方面的工作，并第一次描述了他名震四海的實(shí)驗(yàn)：光的雙縫實(shí)驗(yàn)，還第一次成功測(cè)定了光的波長(zhǎng)。

微粒說(shuō)和波動(dòng)理論的決勝時(shí)刻在1818年，當(dāng)時(shí)法國(guó)科學(xué)院開(kāi)展了一個(gè)懸賞的征文競(jìng)賽，競(jìng)賽的題目是利用精密的實(shí)驗(yàn)確定光的衍射效應(yīng)及推導(dǎo)光線通過(guò)物體附近時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。當(dāng)時(shí)的本意是希望通過(guò)微粒說(shuō)來(lái)解釋光的衍射和運(yùn)動(dòng)打擊波動(dòng)理論。戲劇性的情況出現(xiàn)了：一個(gè)不知名的法國(guó)年輕工程師菲涅爾菲涅耳（1788—1827）向組委會(huì)提交了一篇論文，論文中他采用了光是一種波動(dòng)的觀點(diǎn)，并以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理很好地解釋了光的衍射問(wèn)題。無(wú)疑，菲涅耳的工作給微粒論的支持者以致命的一擊。

2.3滲透物理學(xué)史的優(yōu)點(diǎn)

從上面的發(fā)展史可以發(fā)現(xiàn)，這些故事中不僅涵蓋了教科書(shū)中的知識(shí)點(diǎn)，而且強(qiáng)調(diào)了物理概念，如學(xué)生也許不會(huì)明白為什么楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)是歷史上排名第五的重要實(shí)驗(yàn)，從上述發(fā)展史中可以強(qiáng)調(diào)雙縫實(shí)驗(yàn)是第一個(gè)證明光是波動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。因?yàn)椴迦肓嗽S多有趣的故事，如牛頓和胡克的個(gè)人恩怨，楊氏的家庭背景等，相比于教科書(shū)教授的方式更加有趣和真實(shí)。

3.結(jié)語(yǔ)

以波動(dòng)光學(xué)這章為例，我們可以發(fā)現(xiàn)在大學(xué)物理教學(xué)中科學(xué)滲透物理學(xué)史，能收到畫(huà)龍點(diǎn)睛的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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