學(xué)習(xí)物理學(xué)史 體會科學(xué)精神

金祎 鄭衛(wèi)峰

摘? ?要：將牛頓分解太陽光這一歷史引入初中物理“光的色散”教學(xué)中，旨在引導(dǎo)學(xué)生通過對實驗過程的學(xué)習(xí)，體會物理學(xué)科中的合作、質(zhì)疑和探索等科學(xué)精神。在教材原有實驗的基礎(chǔ)上，增加了兩個探究實驗即“兩個相同三棱鏡是否能還原白光”和“比較不同色光的折射率”，體現(xiàn)了以學(xué)生為實驗的主體，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)科學(xué)思維，提高探究能力。

關(guān)鍵詞：牛頓;物理學(xué)史;科學(xué)精神;光的色散

引言

2011 版《全日制義務(wù)教育物理課程標準》提出：義務(wù)教育的物理課程，不僅要求學(xué)生具有物理知識和技能，實驗探究能力，還要受到科學(xué)精神的熏陶，提高科學(xué)素質(zhì)[ 1 ]。

在日常教學(xué)中，教師往往更加在意學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識的能力，而忽略學(xué)生科學(xué)精神的培養(yǎng)。科學(xué)精神是人們通過長期的科學(xué)實踐活動形成的共同信念和價值準則，它涵蓋了合作精神、探索精神、求真務(wù)實精神、質(zhì)疑精神等等。在物理教學(xué)中適當引入物理學(xué)史，能夠鼓勵學(xué)生向物理學(xué)家學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)學(xué)生相信科學(xué)，崇尚科學(xué)的態(tài)度和責(zé)任感，達到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神的目的[ 2 ]。本文在“光的色散”教學(xué)中通過對牛頓分解太陽光這一實驗的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體會牛頓堅持不懈的探索精神，既能開拓視野，又提高解決問題的能力并發(fā)現(xiàn)物理的魅力所在。

1? “光的色散”教學(xué)內(nèi)容分析

在“光的色散”一節(jié)中色散實驗由以下幾部分組成（1）探究實驗：讓太陽光通過帶狹縫的擋光板照射到三棱鏡上，用白色的光屏呈接出射的光。（2）觀察現(xiàn)象：白色

的太陽光通過三棱鏡后，在光屏上形成了一條彩色的光帶，由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色組成。（3）得出結(jié)論：白光是由各種色光混合而成的。此實驗過程相對簡單，在教學(xué)中若僅限于觀察實驗現(xiàn)象，不能有效體現(xiàn)“培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)”。因此在實驗教學(xué)設(shè)計的過程中，結(jié)合牛頓分解太陽光這一物理學(xué)史，讓學(xué)生感受實驗過程中體現(xiàn)的探索精神，質(zhì)疑精神等。通過實驗探究充分鍛煉學(xué)生分析推理和解決問題的能力，形成正確的物理觀念、持之以恒的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感。

2? 追隨牛頓腳步，培養(yǎng)科學(xué)精神

2.1? 了解先人思想，體會科學(xué)精神

在實驗探究之前，教師通過介紹物理學(xué)家和哲學(xué)家們對光的思考，吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為接下來的教學(xué)內(nèi)容做好鋪墊。教師以時間為軸簡要介紹光的歷史，引出牛頓分解太陽光的實驗：古希臘哲學(xué)家柏拉圖認為光束是從眼睛發(fā)射出來的，而他的學(xué)生亞里士多德卻不同意這種觀點，他認為顏色是通過白色和黑色混合得到的，不同的顏色是由于黑色，白色的混合比例不同。1637 年法國科學(xué)家笛卡爾在《屈光學(xué)》中解釋道：以太顆粒的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了不同的顏色，以太轉(zhuǎn)的越快，顏色越紅。而笛卡爾的后輩胡克認為：白光是最基本的顏色，其他顏色都是在白光基礎(chǔ)上的偏離。牛頓經(jīng)過不斷的探索研究，對前人的解釋提出懷疑，他終于在1666 年成功通過棱鏡分解太陽光的實驗證明了光的本質(zhì)，他所做的“棱鏡分解太陽光”實驗被后人稱為最美的十大物理實驗之一[ 3 ]。牛頓面對前人的結(jié)論大膽質(zhì)疑不斷實踐，他的探索精神，質(zhì)疑精神，以及求真務(wù)實的精神能夠?qū)W(xué)生的實驗探究產(chǎn)生積極影響。

2.2? 探究白光本質(zhì)，培養(yǎng)合作精神

教師先介紹牛頓分解太陽光的實驗過程[ 4 ]，即在窗上切一個圓形小孔，讓太陽光通過小孔入射進來，并透過棱鏡投射到房間另一邊的墻上，現(xiàn)象是在墻上出現(xiàn)了藍色、綠色、黃色、橙色、紅色等顏色;再組織學(xué)生以小組的形式，利用三棱鏡分解太陽光。學(xué)生通過預(yù)習(xí)受到牛頓所做實驗的啟發(fā)，能夠想到直接用太陽光照射三棱鏡和用手電筒代替太陽光這兩種方式獲取現(xiàn)象和結(jié)論。在小組活動中，學(xué)生能夠各司其職，互相配合并得出結(jié)論：白光可以分解為不同顏色的單色光。

此實驗是書中原有的實驗，較為簡單，適合學(xué)生進行自主探究。教師組織學(xué)生以小組的形式進行，可以培養(yǎng)學(xué)生的合作精神。

通過分組實驗，學(xué)生能夠積極表達自己，提高交流能力，學(xué)會樂于分享，提高實驗效率。

2.3? 嘗試還原白光，培養(yǎng)質(zhì)疑精神

在以往的教學(xué)中，教師直接告訴學(xué)生“兩個相同的三棱鏡不能還原白光”，然而學(xué)生對這一結(jié)論持懷疑態(tài)度，甚至覺得“兩個相同的三棱鏡可以還原白光”。針對這一

問題，設(shè)計實驗探究二，引導(dǎo)學(xué)生先進行猜想，再帶著疑問進行自主探究。學(xué)生使光束通過一塊棱鏡發(fā)生色散，并讓第二塊棱鏡相對第一塊倒置，位置關(guān)系如圖1 所示。觀察到的現(xiàn)象為：兩塊相同的三棱鏡并沒有還原白光，從第二塊三棱鏡出射的是平行的七種單色光。為了幫助學(xué)生理解，教師可以將兩個三棱鏡靠在一起，這樣就可以看成一塊玻璃磚。引導(dǎo)學(xué)生回顧所學(xué)知識，當單色光進入玻璃磚時，出射光線是平行于入射光線的。白光是由七種單色光組成，因此當白光進入玻璃磚時，出射光線應(yīng)由七種不同顏色的單色光組成，且這七種單色光都平行于入射的白光。或者帶領(lǐng)學(xué)生根據(jù)光的折射定律能畫出如圖2 的光路圖，得出相同的結(jié)論[ 5 ]。

學(xué)生明白“兩個相同的三棱鏡不能還原白光”之后，再帶領(lǐng)學(xué)生了解牛頓是如何還原白光的。如圖3 所示，牛頓先用一棱鏡將白光束分解為光譜，再使光譜通過另一個頂角較大的倒置棱鏡。他猜想，由于第二個棱鏡頂角較大，使不同色光的偏折大于第一個棱鏡，所以不同色光又會在第二個棱鏡后面的某一區(qū)域交匯，實驗現(xiàn)象與預(yù)想的完全一致。

本實驗設(shè)計旨在引發(fā)學(xué)生的認知沖突，通過動手實踐，培養(yǎng)發(fā)散思維和質(zhì)疑精神。在實驗教學(xué)中，教師應(yīng)給學(xué)生足夠的空間思考和懷疑，不否定學(xué)生的想法，為學(xué)生提供幫助，鼓勵學(xué)生去動手驗證想法的準確性。在學(xué)生親自驗證“兩個相同三棱鏡不能還原白光”之后，引入牛頓還原白光的實驗，消除學(xué)生心中的困惑，激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探索的欲望。懷疑是探究的開始，培養(yǎng)學(xué)生的懷疑精神，有利于發(fā)展學(xué)生個性，提高學(xué)生科學(xué)思維能力。

2.4? 比較不同色光折射程度，培養(yǎng)探索精神

教師先介紹牛頓測定不同色光折射率的實驗過程，為學(xué)生的自主探究提供新思路。牛頓讓光束從窗外進入，經(jīng)過一個棱鏡，穿過房間，讓光投射到一塊木板上。牛頓在木板上鉆了一個小孔，通過調(diào)節(jié)棱鏡，讓彩色光依次通過小孔，再透過第二塊棱鏡后，再投射到墻上，實驗證明了從光譜末端的紅光開始，光的偏折程度依次少量增加[ 6 ]。

教師隨后拋出問題：“如何利用現(xiàn)有器材比較不同色光的折射程度？”學(xué)生能夠想到利用紅色激光筆和綠色激光筆做實驗，光路如圖4 和圖5，讓兩只激光筆分別以相同

的角度照射三棱鏡。實驗比較兩種光從三棱鏡出射的偏折程度，綠光偏折程度更大，即綠光折射能力比紅光強。教師也可以讓學(xué)生在課后找尋多種方法繼續(xù)探究不同色光的折射程度，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力和探索精神。

牛頓在測七種光的折射率的過程中不斷實踐和改進，最終達到實驗?zāi)康模@種探索精神值得學(xué)生學(xué)習(xí)。學(xué)生通過了解牛頓的實驗過程，能夠發(fā)散思維，根據(jù)已有器材進行探究實驗。在不斷嘗試的過程中，得到科學(xué)規(guī)律，培養(yǎng)探索精神。

3? 總結(jié)與反思

在“光的色散”實驗教學(xué)中，引入牛頓分解太陽光的實驗過程是有意義的，原因如下：（1）牛頓是學(xué)生最熟悉的物理學(xué)家之一，引入牛頓進行的實驗，可以激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的欲望;（2）在分解太陽光的過程中他利用了最簡單的器材和最直接的實驗手段，操作簡潔，現(xiàn)象直觀，適合學(xué)生進行實驗探究;（3）面對其他人對光的本質(zhì)的探討，牛頓堅持自我，不斷嘗試，體現(xiàn)的科學(xué)精神值得學(xué)生學(xué)習(xí)，并能對日后的物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極影響。

在傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)中，教師往往更傾向于學(xué)生對實驗所得規(guī)律和結(jié)果的掌握，而忽略對學(xué)生科學(xué)精神的培養(yǎng)。將物理學(xué)史帶進實驗課堂，學(xué)生可以從物理學(xué)家們的實驗過程中提升思維邏輯，加強團隊合作能力，懷有質(zhì)疑態(tài)度，通過探索得出結(jié)論，提升科學(xué)精神。

參考文獻：

[1] 劉世興，佟辛妤，花巍，等.在“課程思政”思想指導(dǎo)下的物理學(xué)史教學(xué)探討[J].遼寧大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，48（1）：92-96.

[2] 陳懋.基于科學(xué)精神培養(yǎng)的初中物理教學(xué)實踐與探索[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2020，49（16）：13-16.

[3] 季衛(wèi)新，陳棟.“光的色散”國內(nèi)外研究歷史綜述[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（12）：50-55.

[4] 牛頓.光學(xué)—— 關(guān)于光的反射、折射、拐折和顏色的論文[M]. 周岳明，舒幼生，邢峰，等，譯.北京：科學(xué)普及出版社，1988.

[5] 王智勇.教材對牛頓光的色散實驗的誤讀[J].中學(xué)物理，2013，31（24）：41-42.

[6] 蔣麗艷.滲透物理學(xué)史的“光的色散”教學(xué)設(shè)計[J]. 物理通報，2021（4）：156-158.