高中物理教學(xué)滲透物理學(xué)史的模式探討

摘 要：高中物理課程強調(diào)了物理教學(xué)中應(yīng)滲透物理學(xué)史，明確要求“初步了解物理學(xué)的發(fā)展歷程”。本文對在高中物理教學(xué)（包括新課教學(xué)，實驗教學(xué)，復(fù)習(xí)課教學(xué)）中滲入物理學(xué)史的模式作了一些探討。

關(guān)鍵詞：高中物理教學(xué)；物理學(xué)史；滲透

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）11-0077-4

由于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（實驗）在課程目標(biāo)中明確要求高中學(xué)生“初步了解物理學(xué)的發(fā)展歷程”，因此各種版本的普通高中物理教材中都有多處引用了相關(guān)的物理學(xué)史。那么，在高中物理教學(xué)中可以什么方式滲透物理學(xué)史呢？本文對在高中物理教學(xué)包括新課教學(xué)、實驗課教學(xué)、復(fù)習(xí)課教學(xué)中滲入物理學(xué)史的模式作一些探討。

1 在新課教學(xué)中滲入物理學(xué)史

新課教學(xué)是高中物理教學(xué)的主要形式之一，在新課教學(xué)中滲入物理學(xué)史的方式常見的有四種。

1.1 將物理學(xué)史引入新課教學(xué)

（1）利用物理學(xué)史引入新的教學(xué)主題或新的一章

比如：魯科版選修3-5除第一章外其他內(nèi)容都是近代物理，為了讓學(xué)生對即將要學(xué)習(xí)的知識有個整體的了解，在開始教學(xué)部分內(nèi)容之前用物理學(xué)史引入課題：

1 9世紀(jì)下半葉，科學(xué)家們開始研究陰極射線。倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了X射線，J.J.湯姆孫通過陰極射線證實了電子的存在。貝可勒爾在研究X射線時發(fā)現(xiàn)了放射性，居里夫婦發(fā)現(xiàn)并研究了放射性元素釙和鐳。在對放射性的進一步研究中，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了α射線和β射線，維拉德發(fā)現(xiàn)了γ射線。

隨著盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，原子核的結(jié)構(gòu)被揭開。中子的發(fā)現(xiàn)還激發(fā)了一系列新課題的研究，引起一連串的新發(fā)現(xiàn)——人工放射性、慢中子和核裂變，并且打開了核能實際應(yīng)用的大門。

普朗克為了克服經(jīng)典理論解釋黑體輻射規(guī)律的困難而提出了能量子假說，標(biāo)志著量子力學(xué)的誕生；愛因斯坦針對光電效應(yīng)實驗與經(jīng)典理論的矛盾提出了光量子假說和光電方程。玻爾將量子學(xué)說應(yīng)用于盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)成功地解釋了氫原子光譜。

愛因斯坦第一個肯定了光既有波動性又有粒子性，即波粒二象性；德布羅意把波粒二象性推廣到微觀粒子，提出了物質(zhì)波的假說，論證了微觀粒子也具有波動性，并得到了電子的衍射實驗和雙縫干涉實驗的證實。

利用物理學(xué)史引入新的教學(xué)主題或新的一章時要盡可能把本主題或本章涉及到的物理學(xué)史有機地串起來，才能達到使學(xué)生對本主題或本章將要學(xué)習(xí)的知識有整體上了解的目的。

（2）利用物理學(xué)史引入新的一堂課

比如：魯科版必修1的第6章第1節(jié)《牛頓第一定律》可以用再現(xiàn)物理學(xué)史的方式引入新課。先給出馬拉車的圖（如圖1所示），問學(xué)生看這個圖能得出什么結(jié)論，然后根據(jù)學(xué)生的回答引出亞里士多德的觀點——馬不拉車，車就不動，這證明了有力才有運動，運動需要外力來維持。亞里士多德被奉為圣賢，他的觀點人們相信了很長的時間，但慢慢地不斷有人批駁，伽利略就是其中一個。伽利略利用如圖2所示的光滑斜面實驗進行批駁：假設(shè)沿斜面AB落下的物體，以B點得到的速度沿另一斜面BC向上運動，則物體不受BC傾斜的影響仍將達到和A點同樣的高度，只是需要的時間不同而已。迪卡爾進一步完善了伽利略的結(jié)論——運動一旦加于物體，就會永遠保持下去，除非受到某種外來手段的破壞。牛頓將前人的觀點進行了大綜合，提出了牛頓第一定律。

將物理學(xué)史引入新課教學(xué)可以增強學(xué)生對物理學(xué)的興趣，可以很快就把學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性調(diào)動起來，吸引學(xué)生的注意力。

1.2 以物理學(xué)史為線索串講一堂新課

比如：魯科版必修2第5章第1節(jié)《萬有引力定律及引力常量的測定》，可以用天文學(xué)的進展為線索串起整堂課：托勒密的地心說→哥白尼的日心說→開普勒和伽利略捍衛(wèi)哥白尼的日心說→第谷的天文觀測→開普勒的貢獻→開普勒三大定律→牛頓對天體的研究→牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律→發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的意義→卡文迪許對引力常量的測量→測出引力常量的意義。

再比如：魯科版選修3-5的第3章第1節(jié)《原子核結(jié)構(gòu)》，也可以用原子核物理學(xué)的發(fā)展為線索串起整堂課：盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)質(zhì)子（含布拉凱特的貢獻）→發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的意義→盧瑟福的中子假說→玻特、約里奧-居里夫婦雙雙錯過發(fā)現(xiàn)中子的機會→查德威克發(fā)現(xiàn)中子→發(fā)現(xiàn)中子的意義。

以物理學(xué)史為線索串講一堂課，可以使學(xué)生更加深刻地了解科學(xué)探索的過程，了解知識的形成過程，進一步理解所學(xué)的知識。

1.3 在新課教學(xué)結(jié)束時補充本節(jié)相關(guān)物理學(xué)史

比如：魯科版必修2第3章第3節(jié)《勻變速直線運動實例——自由落體運動》，在教學(xué)“什么是自由落體運動”及“自由落體運動的規(guī)律”后可以補充歷史上對于落體運動的研究：亞里士多德的錯誤觀點→伽利略對落體運動的猜想假說與邏輯推理→伽利略的實驗驗證（斜面實驗）→合理外推至傾角為90 °（即物體自由下落）。

補充的目的是讓學(xué)生了解物理學(xué)史上關(guān)于自由落體運動的研究發(fā)展過程，了解伽利略對物理學(xué)的貢獻，同時讓學(xué)生了解伽利略研究運動學(xué)的方法（如圖3所示）是：把實驗和數(shù)學(xué)結(jié)合在一起，既注重邏輯推理，又依靠實驗檢驗。

再比如：魯科版選修3-1第1章第2節(jié)《靜電力 庫侖定律》，在學(xué)習(xí)庫侖定律時學(xué)生可能會有這樣的想法：怎么庫侖定律和萬有引力定律這么像？兩個定律間有什么關(guān)聯(lián)嗎？利用學(xué)生的疑惑，可以在課堂的最后幾分鐘補充庫侖定律的發(fā)現(xiàn)過程：

1759年德國的愛皮努斯猜測電荷之間的斥力和吸力隨物體的距離的減少而增大→1760年瑞士的伯努利猜測電力會不會也跟萬有引力一樣，服從平方反比關(guān)系→1767年英國化學(xué)家普利斯特利從富蘭克林的空罐實驗中得出：電的吸引與萬有引力服從同一定律，即距離平方的反比→1773年卡文迪許的同心球?qū)嶒灤_定了電力服從平方反比定律，但沒有及時發(fā)表而未對科學(xué)發(fā)展起到應(yīng)有的推動作用→1785年法國的庫侖從電扭秤實驗得出：帶同種電的兩球之間的斥力，與兩球中心之間距離的平方成反比；庫侖又從電擺實驗得出：正電與負(fù)電的相互吸引力，也與距離的平方成反比。

可以看出科學(xué)家在研究電力的規(guī)律時都是按萬有引力的模式來探討電力的規(guī)律性，即應(yīng)用了類比法，可見類比法在庫侖定律的發(fā)現(xiàn)過程中起到重要的作用。

1.4 針對新課教學(xué)過程中的某一知識點滲入相關(guān)物理學(xué)史

比如：魯科版選修3-4第4章第2節(jié)《光的全反射》，可以在全反射及其產(chǎn)生條件教學(xué)結(jié)束后補充全反射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過程：1611年，開普勒系統(tǒng)研究光的折射現(xiàn)象，并在《折光學(xué)》一書中記載了他做的兩個實驗——一個是比較入射角和折射角的實驗，另一個是圓柱玻璃實驗，雖然開普勒沒有從這兩個實驗中找到折射定律的表達式，但他卻通過這些實驗和光的可逆性應(yīng)用發(fā)現(xiàn)了光的全反射現(xiàn)象。

再比如：魯科版選修3-4第5章第2節(jié)《光的衍射》中關(guān)于泊松亮斑可以作如下補充：1818年，為鼓勵對衍射現(xiàn)象的研究，法國科學(xué)院懸賞征集這方面的論文。菲涅耳以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理定量地計算了圓孔、圓板等形狀的障礙物所產(chǎn)生的衍射花紋，推出的結(jié)果與實驗相符得很好。評審委員泊松在審查菲涅耳的理論時，運用菲涅耳方程推導(dǎo)圓盤衍射，得到一個令人稀奇的結(jié)果：在盤后方一定距離屏幕的影子中心出現(xiàn)亮斑。泊松認(rèn)為這是荒謬的，但阿拉果對泊松提出的問題進行了實驗，結(jié)果實驗中影子中心果然出現(xiàn)了一個亮斑。這一事實轟動了法國科學(xué)院，于是菲涅耳榮獲了這一屆的科學(xué)獎，而后人戲劇性地稱這個亮斑為泊松亮斑。

將新課教學(xué)過程中的某一知識點結(jié)合相關(guān)物理學(xué)史，目的是讓學(xué)生加深對這一知識點的理解，同時拓展學(xué)生的知識面，開拓學(xué)生的眼界。

2 在實驗課教學(xué)中滲入物理學(xué)史

物理學(xué)是一門實驗學(xué)科，大量的物理規(guī)律建立在實驗的基礎(chǔ)之上。物理實驗是高中物理教學(xué)的重要手段，實驗教學(xué)是高中物理教學(xué)的有機組成部分。在實驗課教學(xué)中也可適當(dāng)?shù)貪B入相關(guān)的物理學(xué)史。

2.1 在分組實驗教學(xué)中滲入物理學(xué)史

比如：魯科版必修1第3章第2節(jié)《勻變速直線運動的實驗探究》，在介紹打點計時器是個簡便的計時儀器時，可以順帶給學(xué)生講講伽利略時代的計時方法：把一只盛水的大容器置于高處，在容器底部焊上一根口徑很細的管子，用小杯子收集每次物體運動時由細管流出的水，用接收到的水的多少來代表物體運動時間的長短。這種方法不但麻煩還只能間接測量時間，可見當(dāng)時的科學(xué)家要做研究是多么的困難。

再比如：魯科版選修3-4第5章第1節(jié)《光的干涉》，在“科學(xué)探究——測定光的波長”中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)將各光學(xué)元件在光具座上裝配好后，要把雙縫干涉儀調(diào)節(jié)到能觀察到明顯的實驗現(xiàn)象有點難度，這時為了增加學(xué)生的信心，可以給學(xué)生講講18世紀(jì)初的英國醫(yī)生托馬斯·楊在沒有這些先進的光學(xué)儀器的情況下是如何克服困難做出干涉實驗的：在百葉窗上開了一個小洞，然后用厚紙片蓋住，再在紙片上戳一個很小的洞。讓光線透過，并用一面鏡子反射透過的光線。然后，再用一個厚約三十分之一英寸的紙片把這束光從中間分成兩束，結(jié)果才看到了相交的光線和陰影。

2.2 在隨堂演示實驗教學(xué)中滲入物理學(xué)史

比如：魯科版必修2第3章第3節(jié)《勻變速直線運動實例——自由落體運動》，在演示完紙片和硬幣在接近真空的玻璃管內(nèi)下落的快慢后，可以補充伽利略著名的比薩斜塔實驗：從斜塔上同時釋放一輕一重的兩個物體，結(jié)果兩個物體幾乎同時落地。

在實驗課教學(xué)中適當(dāng)?shù)貪B入相關(guān)的物理學(xué)史，可以讓學(xué)生體會科學(xué)上沒有平坦的大道，科學(xué)家使用最簡單的儀器和設(shè)備進行科學(xué)研究是多么不容易，讓學(xué)生學(xué)會珍惜現(xiàn)在優(yōu)越的學(xué)習(xí)條件，勤奮學(xué)習(xí)。

3 在復(fù)習(xí)課教學(xué)中滲入物理學(xué)史

復(fù)習(xí)課也是高中物理教學(xué)中常見的形式之一，特別是高三的總復(fù)習(xí)階段更是以復(fù)習(xí)課為主。由于近年的高考中頻現(xiàn)與物理學(xué)史相關(guān)的考題，因此，在高三總復(fù)習(xí)階段有必要把重點章節(jié)（比如力學(xué)、電磁學(xué)、原子物理）的物理學(xué)史再次滲入到相應(yīng)的復(fù)習(xí)課中，但不能只是新課教學(xué)中已講過的物理學(xué)史的簡單再現(xiàn)，而是在廣度和深度上要有所提高。

比如：在復(fù)習(xí)電磁感應(yīng)的探索歷程時，可以在原來新課教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上重點補充以下幾點：

“跑失良機”的科拉頓：科拉頓的實驗裝置設(shè)計得完全正確，如果磁鐵磁性足夠強，導(dǎo)線電阻不大，電流計十分靈敏，那么在科拉頓將磁鐵插入螺旋線圈時，電流計的指針確實會擺動。也就是說，產(chǎn)生了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。只不過科拉頓沒有看見，他跑得還是“太慢”，連電流計指針往回擺也沒看見。

阿拉果圓盤實驗：1822年，阿拉果和德國科學(xué)家洪堡測量格林威治附近小山的磁場強度時，注意到磁針附近的金屬物對磁針的振動有阻尼作用。1824年阿拉果把磁針當(dāng)作單擺，讓它在銅盤上方擺動，發(fā)現(xiàn)磁針的擺動會很快衰減；如果在磁針下面迅速轉(zhuǎn)動銅盤，磁針也會跟著轉(zhuǎn)動。當(dāng)時，阿拉果無法解釋這種現(xiàn)象，只是如實地向公眾宣布了這個實驗結(jié)果。阿拉果因此而獲得1825年的科普利獎，此盤也被命名為阿拉果盤。這個實驗震動了歐洲的物理學(xué)家，畢奧認(rèn)為銅盤在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生了磁性，而安培提出銅盤在運動中產(chǎn)生了電流，但都沒有找到問題的實質(zhì)。當(dāng)時，這個現(xiàn)象誰也不能解釋，歷史上稱之為阿拉果之謎。

法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的四個遞進式實驗：實驗一如圖4a所示，在一個軟鐵圓環(huán)上繞兩個互相絕緣的線圈A和B，線圈A和電池相連，線圈B用一導(dǎo)線連通，導(dǎo)線下面平行放置一只小磁針，充當(dāng)檢驗電流通過的指示器。實驗二如圖4b所示，在一根鐵棒上繞以線圈，并和電流計相接，鐵棒兩端各放一根條形磁鐵，讓鐵棒拉進拉出。實驗三如圖4c所示，將條形磁鐵插入和拔出線圈。實驗四（法拉第圓盤發(fā)電機）如圖4d所示，把銅盤置于馬蹄形磁極之間，從銅盤的軸心和邊沿引兩根導(dǎo)線接于電流計，然后旋轉(zhuǎn)銅盤。

4 結(jié) 語

物理學(xué)史只有以適當(dāng)方式滲入高中物理教學(xué)中才能起到幫助學(xué)生樹立正確人生觀和價值觀的作用，起到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神和良好道德品質(zhì)的作用。

參考文獻：

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（欄目編輯 鄧 磊）