學(xué)習(xí)物理學(xué)史有助于更系統(tǒng)地學(xué)好物理

李烽韜

物理學(xué)作為自然科學(xué)的一個(gè)分科，以研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和相互作用及它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為己任，在自然科學(xué)中地位特殊，它以整個(gè)自然界為研究對(duì)象，范圍非常廣闊，它的基礎(chǔ)是實(shí)驗(yàn)事實(shí)，其基本的研究方法是觀察、實(shí)驗(yàn)。物理學(xué)既古老又年輕，早在古代人們?cè)谌粘Ｉ睢⑸a(chǎn)實(shí)踐中就積累了一定的物理知識(shí)。古希臘的亞里士多德的《物理學(xué)》一書(shū)，敘述了當(dāng)時(shí)人們對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的有關(guān)知識(shí)，我國(guó)古代的沈括在《夢(mèng)溪筆談》中也闡述了許多物理現(xiàn)象。說(shuō)它年輕是因?yàn)?，現(xiàn)代物理學(xué)的飛速發(fā)展正在影響著人們生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域，特別是20世紀(jì)興起的電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)等，引起了一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命，可以說(shuō)物理學(xué)的飛速發(fā)展與人類社會(huì)的物質(zhì)文明息息相關(guān)。

但是，我們發(fā)現(xiàn)，不少同學(xué)用很長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)那些具體的物理知識(shí)，常常只滿足于對(duì)具體知識(shí)的理解，沒(méi)能建立起相應(yīng)的物理觀念，對(duì)物理世界的規(guī)律沒(méi)能獲得一個(gè)清晰的基本認(rèn)識(shí)。

中學(xué)物理學(xué)習(xí)，首先是物理基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，而中學(xué)物理基礎(chǔ)知識(shí)包括相互區(qū)別又相互聯(lián)系的兩個(gè)方面，即物理概念和物理規(guī)律，要想讓學(xué)生學(xué)好物理概念和規(guī)律，就必須掌握正確的學(xué)法。

一、從了解物理學(xué)史中加深對(duì)物理概念的理解

中學(xué)物理有大量的物理概念，如力、質(zhì)量、速度、壓強(qiáng)、電流等等，這些物理概念反映了大量物理現(xiàn)象、物理過(guò)程等客觀事物中最本質(zhì)的屬性。要深刻理解物理概念，并能靈活地運(yùn)用概念解決問(wèn)題，全面了解概念的發(fā)展史就很必要和重要。比如，力是物理學(xué)中最基本的概念之一，初中學(xué)，高中學(xué)，到大學(xué)后繼續(xù)學(xué)習(xí)還要講，但學(xué)生總感覺(jué)到抽象難懂，理解不深。那么，對(duì)力這一自然現(xiàn)象，人們到底是怎樣認(rèn)識(shí)的，人們對(duì)力現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)到底經(jīng)歷了怎樣的認(rèn)識(shí)過(guò)程，目前又達(dá)到怎樣的一個(gè)水平？其實(shí)人們對(duì)力現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)與我們大家對(duì)力的最初的認(rèn)識(shí)是一致的，都是與推、拉、提、壓等引起的肌肉緊張、疲勞等主觀感覺(jué)相聯(lián)系的?！赌?jīng)》中有“力，刑之所以?shī)^也”的說(shuō)法。刑，指形體，其含義就在于此。難道力就是肌肉緊張、疲勞？肯定不是。這只是人們對(duì)力現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)。到底什么是力？是誰(shuí)將人們的這一感性認(rèn)識(shí)上升為科學(xué)理論？古希臘學(xué)者亞里士多德歸納了大量力的現(xiàn)象，提出“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”，距今已有二千余年，直到十七世紀(jì)，牛頓在總結(jié)了伽里略、笛卡兒等人的研究成果，提出“力是使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因”，人們對(duì)力現(xiàn)象才有了本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。難怪現(xiàn)在還有很多同學(xué)在學(xué)習(xí)力概念時(shí)有跟亞里士多得相同的看法，原因就是因?yàn)闆](méi)有透過(guò)物理表象，當(dāng)知道物理這一史實(shí)時(shí)，我們?cè)趯W(xué)習(xí)力的概念時(shí)就會(huì)有更深的理解，極少犯跟亞里士多德一樣的錯(cuò)誤。如在學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)時(shí)，介紹歷史上探索“磁能生電”進(jìn)的艱難過(guò)程，讓學(xué)生了解法拉第對(duì)磁生電的研究，這樣學(xué)生仿佛就經(jīng)歷了歷史的進(jìn)展一樣，加深了對(duì)磁生電的理解，學(xué)起來(lái)也就輕松得多了，并且對(duì)科拉頓跑失良機(jī)有更充分的認(rèn)識(shí)。

二、從明確物理學(xué)史中更好地掌握物理規(guī)律

物理規(guī)律是物理學(xué)習(xí)主要內(nèi)容，它是一類物理現(xiàn)象及物理過(guò)程本質(zhì)的、必然的聯(lián)系。了解物理規(guī)律發(fā)展確定的歷程，能加深對(duì)物理規(guī)律的理解和掌握。能的轉(zhuǎn)化和守恒定律被譽(yù)為是十九世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一，無(wú)論是在哲學(xué)界還是自然學(xué)界具有崇高的地位，也是中學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)重點(diǎn)。

那么，該定律究競(jìng)是怎樣被發(fā)現(xiàn)確立的，科學(xué)家們?yōu)榇烁冻隽嗽鯓拥呐?，進(jìn)行了哪些方面的研究？了解了這些，無(wú)疑能加深學(xué)生對(duì)定律的學(xué)習(xí)和理解。追朔起來(lái)，守恒思想的萌芽起源于遠(yuǎn)古時(shí)期，古希臘哲學(xué)家很早就提出了“運(yùn)動(dòng)不滅”的思想，我國(guó)明朝王夫之在深入手工作坊考察制墨燒汞過(guò)程中得出“生非創(chuàng)有，死非消滅”的結(jié)論。1638年，伽利略通過(guò)對(duì)斜面和擺的研究意識(shí)到物體下落過(guò)程中所獲得的速度，能夠使它從新跳回原來(lái)的高度，但不會(huì)更高。1669年，惠更斯研究完全彈性碰撞時(shí)，認(rèn)識(shí)到各個(gè)物體的質(zhì)量與速度平方的乘積的總和，在碰撞前后保持不變等等。其實(shí)，科學(xué)家們對(duì)各種現(xiàn)象之間普遍聯(lián)系且能相互轉(zhuǎn)化的發(fā)現(xiàn)研究開(kāi)始于十八世紀(jì)末十九世紀(jì)初。1799年，化學(xué)家戴維把兩塊冰放在真空容器中摩擦，發(fā)現(xiàn)冰被溶解。1801年英國(guó)科學(xué)家尼科爾遜，通過(guò)電解水的實(shí)驗(yàn)證明電可以產(chǎn)生化學(xué)變化。1820年丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特證明電可以轉(zhuǎn)化為磁。1821年德國(guó)人塞貝克制成溫差電偶，證明熱可以轉(zhuǎn)化為電。1831年英國(guó)科學(xué)家法拉第證明：磁可以轉(zhuǎn)化為電。1842年楞次、焦?fàn)枎缀跬瑫r(shí)發(fā)現(xiàn)了電流的熱效應(yīng)等等。這些發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家們得出了同一個(gè)結(jié)論：在自然界中各種運(yùn)動(dòng)形式都可以相互轉(zhuǎn)化，并相信各種運(yùn)動(dòng)是統(tǒng)一的。到十九世紀(jì)四十年代，能量守恒的信念基本確立，接著許多科學(xué)家便開(kāi)始了將信念上升為規(guī)律的定量研究，其中邁爾、亥姆霍茲、焦?fàn)栕顬橹?/p>

德國(guó)醫(yī)生邁爾，在1845年根據(jù)氣體溫度發(fā)生變化，定壓過(guò)程吸熱大于定容過(guò)程吸熱的事實(shí)，計(jì)算出了熱功當(dāng)量的數(shù)值J=365Kgm/KCol?？梢哉f(shuō)，他是歷史上第一個(gè)提出能量守恒定律并計(jì)算出熱功當(dāng)量的人，也是第一個(gè)把能量轉(zhuǎn)化概念應(yīng)用于生物領(lǐng)域的人。德國(guó)物理學(xué)家、生物學(xué)家亥姆霍茲，在全然不知邁爾、焦?fàn)柕热斯ぷ鞯那闆r下，從生理學(xué)問(wèn)題入手，于1847年發(fā)表文章，以其嚴(yán)密的數(shù)學(xué)方式表達(dá)了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。焦?fàn)柕膶?shí)驗(yàn)研究更令人注目，自學(xué)成才的英國(guó)物理學(xué)家焦?fàn)?，?843年起，用盡四十年的時(shí)間進(jìn)行了四百多次實(shí)驗(yàn)，通過(guò)電和熱的轉(zhuǎn)化，電和機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，機(jī)械能和熱的轉(zhuǎn)化等測(cè)出了熱功當(dāng)量，特別是1847年的6月，在牛津舉行英國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)的會(huì)議上，焦?fàn)枅?bào)告的用法碼下落帶動(dòng)銅制的劃水輪分別攪水、鯨腦油和水銀的實(shí)驗(yàn)，測(cè)出熱功當(dāng)量的平均值J=4.203J/Cal。在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下，他所測(cè)得的熱功當(dāng)量的數(shù)值能夠保持三十年不作較大更正，這在物理學(xué)史上實(shí)屬罕事，后人不得不為他驚人的耐心和巧奪天工的技術(shù)而贊嘆。熱功當(dāng)量的測(cè)定為能量守恒提供了證據(jù)，奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。大約到了1860年左右，能量轉(zhuǎn)化和守恒定律才被人們普遍接受，而且立即成為整個(gè)自然科學(xué)的基石。當(dāng)學(xué)生知道了這些史實(shí)時(shí)，不但明確了發(fā)現(xiàn)一種物理規(guī)律的艱辛程度，還能更好地明確物理規(guī)律的內(nèi)涵，從而更深層次理解了這一規(guī)律。

另外，對(duì)歷史上一些有杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家進(jìn)行個(gè)別考察和研究時(shí)，我們會(huì)認(rèn)識(shí)到，這些科學(xué)家對(duì)待事物的科學(xué)態(tài)度、思想方法、高貴品質(zhì)等都將對(duì)我們的學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響和熏陶，受到深刻的啟示和啟迪，得到巨大的動(dòng)力和精神食糧，受到鼓舞。

總之，物理學(xué)是來(lái)源于實(shí)際生活而又用到實(shí)踐中去的一門科學(xué)，學(xué)生明確了科學(xué)家探究物理規(guī)律的過(guò)程，也就會(huì)更加明確物理實(shí)驗(yàn)在學(xué)習(xí)中不可替代的作用，可以用實(shí)驗(yàn)去探究還不明了的問(wèn)題。