物理學(xué)史在大學(xué)物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：為更好地進(jìn)行大學(xué)物理課堂教學(xué)，將學(xué)科內(nèi)容分為力、振動(dòng)與波、熱、光、電磁和近代物理六個(gè)模塊，討論在正常課程進(jìn)度中適時(shí)加入一些有意義的物理學(xué)史的知識(shí)，激發(fā)學(xué)生興趣，同時(shí)也可加深對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解，以提高課堂教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；物理學(xué)史；課堂教學(xué)；興趣激發(fā)

作者簡(jiǎn)介：李玲（1980-），女，湖北荊州人，長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，講師。（湖北 荊州 430020）

基金項(xiàng)目：本文系長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院教研基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JY201112）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）08-0122-02

一、大學(xué)物理課程的意義

物理是自然科學(xué)的基礎(chǔ)性學(xué)科，它的知識(shí)體系和思維方法貫穿人們學(xué)習(xí)自然科學(xué)知識(shí)的始終，培養(yǎng)人的科學(xué)精神，陶冶人的科學(xué)思維，教會(huì)人應(yīng)用科學(xué)方法解決具體問(wèn)題。大學(xué)物理是工程技術(shù)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我院”）相關(guān)系部許多專業(yè)課的理論基礎(chǔ)，但因有些學(xué)生認(rèn)識(shí)不到這門課的重要性，經(jīng)常在課程中期出現(xiàn)畏難厭學(xué)現(xiàn)象。現(xiàn)通過(guò)改革課堂教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣，以期提高教學(xué)質(zhì)量。

物理學(xué)史上的許多名人軼事及其主要研究成果的研發(fā)過(guò)程都對(duì)今人有積極的指導(dǎo)作用，如光學(xué)波粒二象性對(duì)立統(tǒng)一的認(rèn)知發(fā)展過(guò)程。若能結(jié)合教學(xué)內(nèi)容將物理學(xué)史中有代表性的知識(shí)體系發(fā)展融入教學(xué)過(guò)程，既可激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，改變滿堂灌的理論推導(dǎo)，又可有機(jī)地將物理知識(shí)要點(diǎn)與科學(xué)的世界觀及哲學(xué)發(fā)展理論結(jié)合起來(lái)，有利于學(xué)生知識(shí)底蘊(yùn)的累積和眼界的開闊。

表1 大學(xué)物理全模塊教學(xué)內(nèi)容及課時(shí)分配

我院經(jīng)過(guò)數(shù)年的大學(xué)物理模塊化教學(xué)改革[1]后，將學(xué)科內(nèi)容分為六個(gè)模塊（表1），參考課時(shí)分配，本文討論如何在課堂教學(xué)中將物理學(xué)發(fā)明史、名人史等容易激發(fā)學(xué)生興趣的內(nèi)容導(dǎo)入，以及導(dǎo)入后其對(duì)課題教學(xué)可起到的積極作用，課程內(nèi)容以我院現(xiàn)在使用的大學(xué)物理教材[2]為準(zhǔn)。

二、大學(xué)物理全模塊教學(xué)內(nèi)容

1.力學(xué)

力學(xué)部分的講授內(nèi)容比較多，是物理學(xué)實(shí)踐探索方法與思想體系建立的基礎(chǔ)。質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)有兩次課，第一次課緒論開端討論物理學(xué)科的研究范圍，介紹從古人對(duì)自然的樸素的感性認(rèn)知，到近代利用微積分等數(shù)學(xué)工具歸納推導(dǎo)大量天文觀測(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)而獲得的經(jīng)典物理學(xué)基本定理與定律，再到近現(xiàn)代的量子物理和相對(duì)論，物理的發(fā)展史即人類文明的發(fā)展史。這兩次課中要將大學(xué)物理用到的微積分、矢量等數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化介紹，而微積分的發(fā)明者之一牛頓正是近代物理的標(biāo)志人物。

牛頓定律部分由于學(xué)生熟悉內(nèi)容，在理論講授部分很容易分散注意力，因此，介紹相關(guān)物理學(xué)史知識(shí)可以有效地激發(fā)學(xué)生興趣。如被稱為近代物理學(xué)之父的伽利略，其著名的比薩斜塔落體實(shí)驗(yàn)、斜面實(shí)驗(yàn)皆入選最美麗的十大物理實(shí)驗(yàn)，[3]其物理思想如慣性、力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系等，是牛頓定律得以建立的基石。而牛頓在1687年發(fā)表的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》里提出的萬(wàn)有引力定律以及他的牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基石。質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的最后一節(jié)非慣性系略有些抽象。以科里奧利命名的旋轉(zhuǎn)參考系中的慣性力有許多常見實(shí)例，很容易激發(fā)學(xué)生探究興趣，如臺(tái)風(fēng)氣旋、下水方向、河道兩邊的不對(duì)稱沖刷，以及著名的列入十大最美物理實(shí)驗(yàn)之一的傅科擺。[3]

剛體力學(xué)三次課相對(duì)來(lái)講較難較抽象，需要用到微積分、空間立體幾何及矢量叉乘知識(shí)，質(zhì)點(diǎn)的角動(dòng)量守恒可以將開普勒第二定律的反向證明作為計(jì)算實(shí)例，而歷史上牛頓正是由開普勒第二定律推導(dǎo)定義角動(dòng)量的概念。在大段相對(duì)沉悶的概念講解和定理推導(dǎo)之后，第谷與開普勒師生的歷史故事以及他們對(duì)物理學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)很容易引起學(xué)生的興趣。

2.振動(dòng)與波

由于簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振動(dòng)方程、平面簡(jiǎn)諧波的波動(dòng)方程等都比較抽象，其對(duì)應(yīng)物理量的計(jì)算和轉(zhuǎn)換多，所以此處學(xué)生最易產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

機(jī)械振動(dòng)兩次課，第一節(jié)課可用中國(guó)2013年6月太空課堂的單擺實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入；第二次課的利薩，及其后的阻尼振動(dòng)及共振在生活中的應(yīng)用及歷史中的實(shí)例就更多了，例如著名的18世紀(jì)拿破侖士兵齊步過(guò)橋致橋塌事件。在西方，波動(dòng)現(xiàn)象的本質(zhì)首先是由達(dá)芬奇發(fā)現(xiàn)的。機(jī)械波致質(zhì)點(diǎn)受迫振動(dòng)也可舉共振的例子，如中國(guó)古代戰(zhàn)場(chǎng)上利用共振器判斷敵軍多寡和方位、唐朝寺廟鐘磬聲波共鳴等事例。第二次課中可以用1842年多普勒在散步時(shí)的“多普勒效應(yīng)”導(dǎo)入，目前該效應(yīng)應(yīng)用很廣。

3.熱學(xué)

熱學(xué)部分我院僅勘工和化工類專業(yè)需要學(xué)習(xí)。氣體動(dòng)理論部分的兩次課中涉及到微積分的計(jì)算不太多，學(xué)生們對(duì)克拉伯龍方程也有一定基礎(chǔ)，總體難度不大。第二次課講自由度及麥?zhǔn)纤俾史植悸蕰r(shí)，由于涉及到統(tǒng)計(jì)學(xué)，相對(duì)比較枯燥且理論公式冗長(zhǎng)?？梢栽谇捌谝延^察到學(xué)生狀態(tài)及接受水平的基礎(chǔ)上，淡化理論，介紹一下科學(xué)家麥克斯韋生平。麥克斯韋被譽(yù)為牛頓與愛因斯坦之間最偉大的物理學(xué)家，其一生對(duì)物理學(xué)的卓越貢獻(xiàn)不僅表現(xiàn)在對(duì)后世產(chǎn)生巨大影響的電磁學(xué)上。他在熱力學(xué)方面提出的麥克斯韋速率分布式也是應(yīng)用最廣泛的科學(xué)公式之一，在許多物理分支中起著重要的作用。同時(shí)代的科學(xué)家玻爾茲曼將麥克斯韋速率分布式應(yīng)用到保守力場(chǎng)中，提出了玻爾茲曼速率分布律，在熱力學(xué)研究中也具有重要地位。玻爾茲曼把物理體系的熵和概率聯(lián)系起來(lái)，闡明了熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)并引出了能量均分原理。

熱力學(xué)基礎(chǔ)三次課，可聯(lián)系科學(xué)發(fā)展史上對(duì)永動(dòng)機(jī)的探索導(dǎo)入。如第一類永動(dòng)機(jī)不可能被創(chuàng)造出來(lái)是違背了能量守恒定律，但其探索過(guò)程為熱力學(xué)第一定律的建立提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；第二類永動(dòng)機(jī)則違背了熱力學(xué)第二定律。此外，熱機(jī)的發(fā)明是工業(yè)革命的標(biāo)志之一，第二次課的循環(huán)過(guò)程可借此話題導(dǎo)入。

4.光學(xué)

光學(xué)是一個(gè)古老而充滿活力的學(xué)科。[4]從十七世紀(jì)中葉牛頓和惠更斯分別提出光的微粒學(xué)說(shuō)和波動(dòng)學(xué)說(shuō)之后，對(duì)于光的本質(zhì)的討論一直是科學(xué)界熱點(diǎn)話題，直到二十世紀(jì)愛因斯坦提出光的波粒二象性才告一段落。牛頓對(duì)光學(xué)的研究可視為近代光學(xué)的開端，其棱鏡分解白光實(shí)驗(yàn)入選十大最美物理實(shí)驗(yàn)，[3]而牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)至今仍是大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)室經(jīng)典必選實(shí)驗(yàn)之一。因牛頓的權(quán)威，光的微粒學(xué)說(shuō)在科學(xué)界占主導(dǎo)地位達(dá)一個(gè)多世紀(jì)。光的干涉第一次課以十九世紀(jì)初托馬斯楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入，這一實(shí)驗(yàn)揭開了近代波動(dòng)光學(xué)的序幕，亦是十大最美麗的物理實(shí)驗(yàn)之一。[3]第二次課薄膜干涉可以用牛頓環(huán)導(dǎo)入。第三次課中介紹在物理學(xué)史上有重要地位的邁克爾遜（1907年獲諾貝爾獎(jiǎng)）干涉儀。

在衍射部分，將菲涅爾等實(shí)驗(yàn)證明的著名泊松亮斑在第一次課中作簡(jiǎn)單介紹，可以很好激發(fā)學(xué)生的討論熱情，因泊松亮斑的相關(guān)歷史很多學(xué)生都有所了解。第二次課的X射線衍射的發(fā)現(xiàn)過(guò)程亦十分有趣，倫琴（1901年獲諾貝爾獎(jiǎng)）夫人戴婚戒的手骨底片是第一張X光照片。

光的偏振總體上是介紹性質(zhì)的講授，重點(diǎn)是1808年發(fā)現(xiàn)的馬呂斯定律和1815年布儒斯特定律，不作重點(diǎn)但比較有趣的雙折射現(xiàn)象則是早在1669年就被人們發(fā)現(xiàn)的，其在生活中可作為辨別晶體與非晶體的一種方式。

5.電磁學(xué)

經(jīng)典電磁學(xué)理論是大學(xué)物理中的必修模塊，雖然理論推導(dǎo)多、微積分計(jì)算多，但現(xiàn)在電磁學(xué)在生活中的應(yīng)用無(wú)處不在，且名人輩出，將課上得生動(dòng)有趣并不困難。如靜電學(xué)部分的庫(kù)侖定律是1785年的庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)確立的，電荷的不連續(xù)性是由1909年密立根油滴實(shí)驗(yàn)證明，該實(shí)驗(yàn)是十大最美物理實(shí)驗(yàn)之一。[3]第三次課講授的靜電場(chǎng)高斯定理因“數(shù)學(xué)之王”高斯得名。高斯生平傳聞?shì)W事很多，尤其是其研究生時(shí)期，誤將懸留兩千余年未解的尺規(guī)作正十七邊形問(wèn)題作為導(dǎo)師布置的課后作業(yè)一夜解決的故事，與學(xué)生們發(fā)散討論其心理學(xué)與教育學(xué)意義，對(duì)于學(xué)生打破心理設(shè)限努力鉆研學(xué)習(xí)很有意義。

穩(wěn)恒磁場(chǎng)八次課，第一次課可介紹中國(guó)古人在磁學(xué)方面的發(fā)現(xiàn)，司南和指南針的意義；1820年近代磁學(xué)標(biāo)志性的奧斯特實(shí)驗(yàn)等，也是學(xué)生們熟悉且有興趣的內(nèi)容。第二次課的畢奧-薩伐爾定律，可介紹其定律的得出與安培、拉普拉斯等在數(shù)學(xué)上的幫助密不可分，再次強(qiáng)調(diào)大學(xué)物理學(xué)習(xí)中高數(shù)知識(shí)的重要性。安培是一位在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)領(lǐng)域都有很高造詣的科學(xué)家，約第四、五次課中學(xué)習(xí)的磁場(chǎng)安培環(huán)路定理、安培定律都由他發(fā)現(xiàn)，被稱為“電學(xué)中的牛頓”。

電磁感應(yīng)部分則由著名科學(xué)家法拉第的故事導(dǎo)入。被譽(yù)為電磁學(xué)領(lǐng)域的平民巨人，著名的自學(xué)成才的科學(xué)家法拉第，生于英國(guó)一個(gè)貧苦鐵匠家庭，僅上過(guò)小學(xué)。1831年，他作出了關(guān)于力場(chǎng)的關(guān)鍵性突破，永遠(yuǎn)改變了人類文明。[4]法拉第是一位無(wú)以倫比的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，在電磁學(xué)、化學(xué)、電解、氣體液化等實(shí)驗(yàn)方面都做出了巨大貢獻(xiàn)。而且法拉第十分幸運(yùn)地在晚年遇到了既能理解他的物理思想，又長(zhǎng)于數(shù)學(xué)的麥克斯韋，第三、四次課中的感生電場(chǎng)和位移電流假設(shè)都是由麥克斯韋提出。麥克斯韋于1873年出版了科學(xué)名著《電磁理論》，系統(tǒng)、全面、完美地闡述了電磁場(chǎng)理論，這一理論成為經(jīng)典物理學(xué)的重要支柱之一。1888年，赫茲經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)了人們懷疑和期待已久的電磁波，由法拉第開創(chuàng)、麥克斯韋總結(jié)的電磁理論，得以完美的證明。

6.相對(duì)論與近代物理

這部分內(nèi)容我院只有全模塊的勘工和建環(huán)專業(yè)按十六課時(shí)教學(xué)并考試，其他專業(yè)都只作為了解內(nèi)容，用物理學(xué)史的故事串講主要內(nèi)容即可：

（1）被譽(yù)為20世紀(jì)最偉大物理學(xué)家的愛因斯坦，其狹義相對(duì)論的兩個(gè)重要結(jié)論：時(shí)間延緩和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)，及物理學(xué)史上著名的雙生子佯謬已被實(shí)驗(yàn)證明，而為愛因斯坦贏得1921年諾貝爾獎(jiǎng)的是光電效應(yīng)的研究。

（2）光電效應(yīng)方程中的普朗克常數(shù)對(duì)描述光的量子性非常重要，因研究黑體輻射而提出該常數(shù)的普朗克（1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）是量子力學(xué)的創(chuàng)始人。有趣的是，普朗克本人并不認(rèn)同量子理論的許多觀點(diǎn)，直到愛因斯坦利用能量子假設(shè)完美地解釋了光電效應(yīng)。

（3）被戲傳一舉拿下諾貝爾獎(jiǎng)（1929）的德布羅意也是量子力學(xué)創(chuàng)始人之一，以物質(zhì)波假設(shè)理論最初的確是在其博士論文中提出的，因德布羅意是法國(guó)公爵兼德國(guó)王子，使其曾被傳聞是一位花花公子，事實(shí)上德布羅意終身獻(xiàn)身于科學(xué)，深居簡(jiǎn)出，是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工作狂。

（4）提出氫原子能級(jí)假設(shè)的天才玻爾是著名的哥本哈根學(xué)派創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。

（5）概率波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人薛定諤，提出著名假設(shè)“薛定諤的貓”。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文按長(zhǎng)江大學(xué)使用的《大學(xué)物理》教材[2]中各章節(jié)先后順序列出各章可能提及的名人軼事，希望對(duì)執(zhí)教于大學(xué)物理的同仁們?cè)谡n堂教學(xué)中有所助益。

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（責(zé)任編輯：王意琴）