王凌云 丁慶紅

(1.北京市石景山區(qū)京源學校,北京 100040;2.北京教育學院石景山分院,北京 100043)

物理教材在介紹一些物理學史的時候,往往很簡單,例如“奧斯特在一次偶然的機會,發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應”,“法拉第經(jīng)過十年的研究,發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象”,學生看到這里總感覺“他們的運氣真好”,或者“課堂上幾分鐘就講完的內容怎么用了十年時間,用這么長的時間做什么”,甚至一提到某位科學家,例如亞里士多德,學生就覺得這人是笨蛋,怎么什么都是錯誤的,他們并不了解,亞里士多德在歷史上的地位,是一丑遮百俊,而一提到牛頓、愛因斯坦,就覺得完美得令人仰視,從一個極端走向另一個極端.

因此,在物理教學中,我們需要對物理發(fā)展的歷程做一些補充,充分利用物理學史的內容進行人文教育,一方面吸引學生,激發(fā)他們對物理的興趣;另一方面,使學生對物理的發(fā)展有一個正確的認識,對科學家有一個正確的了解,從而開闊學生的視野,使學生在學習物理知識的同時,還能悟“理”,悟思考之理、悟為人之理、悟世間之理.在教學難度大,抽象思維、邏輯思維能力要求較高時,學生的學習方式是積極的還是懶惰的,是堅忍不拔的還是畏怯退縮的,與人文精神有很大的關系.所以在物理教學中,需要進行一些人文教育.

以下是筆者在物理教學中對教材的一些補充,以及利用物理學史滲透人文教育的一些嘗試.

(1)思想上的進步.

理科班的學生在學習政治學的時候,總不感興趣,尤其在學習方法論的時候,體會不到這有什么用處.在學習牛頓運動定律時,可以抓住時機,使學生明白,哲學是使人聰明的學科,科學源于哲學,牛頓的巨著還叫做《自然哲學的數(shù)學原理》.在一些表面看起來無關的物理現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)可以相互轉化后,人們利用聯(lián)系的觀點去審視各種現(xiàn)象,這也引發(fā)了物理研究的一個又一個進步,促進了社會的發(fā)展.

材料1:奧斯特真的是偶然發(fā)現(xiàn)電流的磁效應嗎？

奧斯特早在讀大學時就深受康德哲學思想的影響,認為各種自然力都來自同一根源,可以相互轉化.富蘭克林曾發(fā)現(xiàn)萊頓瓶放電后鋼針可以被磁化.奧斯特據(jù)此認為電和磁之間存在必然的聯(lián)系,在一定條件下,電可以轉化為磁.奧斯特仔細地審查了庫侖的論斷,發(fā)現(xiàn)庫侖研究的對象全是靜電和靜磁,確實不可能轉化.他猜測,非靜電、非靜磁可能是轉化的條件,應該把注意力集中到電流和磁體有沒有相互作用的課題上去.奧斯特推測,直徑較小的導線通過電流時會發(fā)熱,通電導線的直徑再小一些,就有可能發(fā)光,當導線的直徑進一步縮小到一定程度時,電流或許會產生磁效應.他猜測,如果電流能夠產生磁效應的話,這種效應能像電流通過導線時產生熱跟光那樣向四周散射,是一種橫向作用.因此,將小磁針放在載流導線的側旁,有可能觀察到這種現(xiàn)象.

1819年上半年到1820年下半年,奧斯特一面擔任電、磁學講座的主講,一面繼續(xù)研究電、磁關系.1820年4月的一天,他利用鉑導線、小磁針設計了一個實驗,但因其他事情沒有立即做這個實驗.當天晚上的課堂上,奧斯特感到這個實驗有可能成功,抱著試試看的心情做了一次實驗.他把一條非常細的鉑導線放在一根用玻璃罩罩著的小磁針上方,接通電源的瞬間,發(fā)現(xiàn)磁針跳動了一下.這一跳,使有心的奧斯特喜出望外,但是因為偏轉角度很小,而且不很規(guī)則,這一跳并沒有引起聽眾注意.以后,奧斯特花了三個月,做了許多次實驗,發(fā)現(xiàn)磁針在電流周圍都會偏轉.在導線的上方和導線的下方,磁針偏轉方向相反.在導體和磁針之間放置非磁性物質,比如木頭、玻璃、水、松香等,不會影響磁針的偏轉.1820年7月21日,奧斯特寫成《論磁針的電流撞擊實驗》的論文,講述了他的實驗裝置和60多個實驗的結果,正式向學術界宣告發(fā)現(xiàn)了電流磁效應.

可見,奧斯特是在一直尋找著電流的磁場,他也經(jīng)歷了很多研究過程,查閱資料、反復試驗,因為他是一個有準備的人,一個微弱的現(xiàn)象,才能被他牢牢地抓住,轉化為一個偉大的研究結論.說是偶然發(fā)現(xiàn),也蘊含了必然的結果.這正是“在觀察的領域里,機遇只偏愛那些有準備的頭腦！”

材料2:克拉頓真的是缺少一個助手嗎？

在法拉第研究磁生電現(xiàn)象的同時期,也有很多科學家研究這一問題.教材中也有介紹,例如克拉頓,他把線圈放在一個屋子,把檢驗用的導線、小磁針放在另一個屋子.實驗時他把磁鐵插入線圈,再跑到另一個屋子去看小磁針是否偏轉,結果沒有觀察到電磁感應現(xiàn)象(如圖1所示).講到這個故事的時候,多數(shù)學生會笑話克拉頓.當問到克拉頓為什么沒有觀察到電磁感應現(xiàn)象時,很多學生說“他應該找一間大屋子做實驗”、“他應該找一個助手幫助他”、“他在墻上開一個窗戶就行了”,筆者認為并非如此,可以反問學生,克拉頓為什么要這樣安排設備,難道找不到一間大屋子嗎？難道克拉頓就找不到一個助手嗎？筆者認為當時很多科學家,包括克拉頓,都認為磁生電是一個穩(wěn)定的狀態(tài),因為電流產生的磁場就是一個穩(wěn)定的磁場.一個人有了什么樣的思想認識,就會做什么樣的事情.因為電生磁是一個穩(wěn)定的狀態(tài),人們就認為磁生電也是穩(wěn)定的狀態(tài).筆者認為克拉頓的失敗更多的是他沒有意識到磁生電是一個動態(tài)過程.那么我們在學習中是不是也有類似的現(xiàn)象呢？

圖1

材料3:推廣楞次定律的“阻礙變化”.

楞次定律的表述很讓學生感到別扭,“感應電流的磁場,總是阻礙引起感應電流的磁通量的變化”,但是楞次定律的表述“阻礙變化”具有普遍意義,在各個學科中都有體現(xiàn).如果向學生多介紹一些相關的內容,不僅僅是體現(xiàn)“聯(lián)系”的觀點,更多的是給學生不一樣的體會.

例如歷史上各個時期的變法運動,從商鞅變法到百日維新,總是會引起原有階層人物的反對,這就是“阻礙變化”的表現(xiàn).在生活中,天熱了,我們會穿輕薄的衣服,天氣變冷了,我們就會穿上棉衣毛衣羽絨服,就是“阻礙變化”,減小外界變化對我們的影響,甚至在生物進化中也有類似的現(xiàn)象.心理學也有逆反的現(xiàn)象,你讓我那么做我偏不那么做,偏要和你唱反調,這也是在“阻礙變化”.甚至化學中有一條規(guī)律,是勒夏特列原理,如果改變影響平衡的一個條件(如濃度、壓強或溫度等),平衡就向能夠減弱這種改變的方向移動.它的表述與楞次定律有異曲同工之妙.這些不同學科的表現(xiàn),正是對“聯(lián)系”觀點的印證.

(2)粒子加速器中問題的延伸.

在《物理》選修3－1第3章磁場部分,學習回旋加速器的時候,教材中提到,“回旋加速器加速的帶電粒子,能量達到25～30MeV后,就很難再加速了.由于相對論效應,粒子的質量隨著速度的增大而增大,而質量的變化會導致回轉周期變大,從而破壞了與電場變化周期的同步.”

之后教材就沒有后續(xù)情況的介紹了.這時就可以請學生思考,能否解決這個問題,提出解決的思路.一般情況下,學生能提出改變電場的變化周期,增大電場的變化周期,使之與粒子的回轉周期相同,或改變磁場的磁感應強度B,根據(jù)回轉周期公式使B與m有相同的變化情況,從而保證粒子的回轉周期與電場變化周期同步.順著學生的思路,就可以進一步介紹科學家們的改進.為了對原子核的結構作進一步的探索和產生新的基本粒子,必須研究建造更高能量的粒子加速器.

如等時性回旋加速器:將加速器磁場的強度設計成沿半徑方向隨粒子能量同步增長,則能將質子加速到上百MeV.同步回旋加速器:高頻加速電場的頻率隨加速粒子能量的增加而降低,保持了粒子回旋頻率與加速電場同步.同步加速器:使用磁場強度隨粒子能量提高而增加的環(huán)形磁鐵來維持粒子運動的環(huán)形軌跡,但維持加速場的高頻頻率不變.

自此,加速器的建造解決了原理上的限制,但提高能量受到了經(jīng)濟上的限制.隨著能量的提高,回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁鐵重量和造價急劇上升,提高能量實際上被限制在1GeV以下.

使用加速器做高能物理實驗,一般是用加速的粒子轟擊靜止靶中的核子,然后研究所產生的次級粒子的動量、方向、電荷、數(shù)量等,加速粒子能參加高能反應的實際有用能量受到限制.如果采取兩束加速粒子對撞的方式,可以使加速的粒子能量充分地用于高能反應或新粒子的產生.1960年意大利科學家陶歇克首次提出了這項原理,并建成了直徑約1m的對撞機,從此開辟了加速器發(fā)展的新紀元.

現(xiàn)代高能加速器基本都以對撞機的形式出現(xiàn),對撞機已經(jīng)能把產生高能反應的等效能量從1TeV提高到10～1 000TeV,這是加速器能量發(fā)展史上的又一次根本性的飛躍.隨著加速器能量的不斷提高,人類對微觀物質世界的認識逐步深入,粒子物理研究取得了巨大的成就,能夠研究更細微的粒子,使得微觀世界的研究與宇宙學的研究有了相同之處,就像一條蛇咬住了自己的尾巴.

在《物理》選修3－2第4章電磁感應中,在講到電子感應加速器的時候,在教材例題的基礎上,可以讓學生判斷,在感生電場和磁場共同作用下,電子可能的運動形式.當帶電粒子處在一個逐漸增強的磁場中做圓周運動時,就會產生向心運動,從而形成一個中心存在較強電場,周圍出現(xiàn)逐漸張開的旋臂的渦旋電場.以此為基礎,有人推斷宇宙中的星系的旋臂、臺風的漩渦云圖(如圖2所示)的形成過程可能與漩渦電場有關.把一個抽象的問題與一些實際生活中的現(xiàn)象聯(lián)系起來,既能加深學生印象,降低理解的難度,也能給學生以新的感受,激發(fā)學生的學習興趣.

圖2

(3)科學家的故事.

教材中涉及很多出色的物理學家,學生耳熟能詳?shù)姆ɡ凇才?、牛頓等,也有學生不太熟悉的特斯拉、奧斯特、韋伯、亨利、麥克斯韋等.熟悉的科學家,學生總覺得他們很偉大很完美,不熟悉的科學家則表示很驚奇,“他也是一位科學家”.介紹一些科學家的成就或軼事,緩和一下緊張的教學過程,讓學生了解一些科學家的另一面,通過小故事,體會研究的過程;分析科學家的得與失,獲得一些新的感悟;介紹科學家的成就與生平,樹立學生追求的理想.

材料1:法拉第的故事.

法拉第以發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象而著稱于世,十年辛苦,研究多種情況下的電磁感應,除了研究了五種情況下會產生電磁感應現(xiàn)象,法拉第還有一些實驗沒有成功,通過分析這些實驗的得失,適時引導,也能給學生以激勵.

例如在1839年,法拉第根據(jù)其電磁感應原理,設想出了一個思想奇特、氣勢恢宏的實驗,即在倫敦泰晤士河的滑鐵盧橋上,沿著橋上的欄桿拉了一條320米長的電線,電線兩端各系一塊銅板,沿垂直方向沉入水中.電線、銅板和泰晤士河的流水三者構成一個電流的閉合通路,在電線中間接上電流表.流動的河水可以看作運動的導體,它們在地球的磁場中運動,切割磁感線.根據(jù)法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應原理,回路中就會感應出電壓,應該能夠看見電流表指針的偏轉.從而實現(xiàn)直接利用大自然的力量發(fā)出電來的理想,為人類所用.法拉第的這個奇特實驗,一連在滑鐵盧橋上緊張地進行了3天,吸引了無數(shù)看客,然而卻一無所獲.后來他又進行探索,進行多次實驗,但由于時代條件的局限,直到法拉第告別人世時,這項奇特的實驗也一直未能成功.

為什么法拉第沒有成功？這時可以讓學生進行一些猜測與判斷,通過分析法拉第此實驗的得失,體會到科學家的成功,不僅僅依靠正確的理論或猜想,實際條件也要滿足要求,滿足要求的環(huán)境與設備也是必需品.我們以后不管在什么樣的大學繼續(xù)深造學習,理論內容可能差不多,但是環(huán)境與設備的不同,也會造成不同的發(fā)展.

材料2:約瑟夫·亨利的貢獻.

自感系數(shù)的單位是用美國科學家約瑟夫·亨利(如圖3)的名字命名的.約瑟夫·亨利也是一個大科學家,有很多發(fā)現(xiàn)與發(fā)明,例如電磁感應現(xiàn)象、自感現(xiàn)象、電子打火的原理、繼電器、改進的電磁鐵等等.

由于他生活在美洲大陸,遠離當時的科學中心歐洲,在個人名譽上有一些損失,但是亨利另一方面的貢獻非常突出.約瑟夫·亨利推動了美國的科學研究.當時美國的科學界普遍存在著重視技術發(fā)明而忽視基礎理論科學研究的傾向.大量優(yōu)秀人才涌向技術領域,使得本來就落后的基礎理論研究更難以振興.亨利開始擔任科學領導工作后,便一直致力于促進實用技術發(fā)明與基礎科學理論的協(xié)調發(fā)展.亨利支持開創(chuàng)性的研究,創(chuàng)立全國性的科學學會,請歐洲著名的學者來講學.亨利雖然未能影響整個科學的發(fā)展進程,然而他所從事的科學組織工作卻改變了整個美國的科學研究現(xiàn)狀,為20世紀世界科學中心從歐洲向美國的轉移準備了良好的條件.

圖3

約瑟夫·亨利說:“機械工藝能夠喚起所有依賴它們獲得生活必需品或奢侈品的人們的好奇心和興趣……人們覺得這些工藝對于國家和個人都是非常有意義的東西.但是,如果沒有適當?shù)目茖W知識對于這一目的的應用,它們一定永遠保持靜止或者進展極其緩慢.”

學生學習物理也有類似的現(xiàn)象,如果基本原理基本方法不明確不清晰,無論再怎么學習解題技巧、題型歸類,也不會有很大的提高,偶爾會有起色,但“一定永遠保持靜止或者進展極其緩慢”.

物理的小故事很能吸引學生,也能給學生留下深刻的印象,讓學生有新的體會.新課程關注學生的全面發(fā)展,課堂教學應弘揚物理學的科學精神和人文精神,應尋找真善美,應體現(xiàn)科學精神與人文精神的統(tǒng)一.物理教學更應促使學生更好地理解、評價、欣賞科學事業(yè),激發(fā)學生探究科學的熱情、勇氣與欲望,培養(yǎng)其堅忍不拔的意志和品質.

深入挖掘物理學史的內涵,可以使學生了解孕育時期的科學發(fā)展規(guī)律,了解科學思想的誕生歷程,了解科學家的創(chuàng)造性思維、邏輯思辨能力的形成過程.而物理教學就是要教會學生“一些事物是怎樣被了解的,什么事情是已知,現(xiàn)在了解到什么程度(因為沒有事物是絕對已知的).如何對待疑問和不確定性,證據(jù)服從什么法則,如何去思考事物、作出判斷,如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象(費曼語).”在物理教學中弄清物理概念、物理規(guī)律的建立過程有助于學生探索精神、創(chuàng)新能力的培養(yǎng).物理學的魅力不僅在于物理知識本身,更在于它的科學思維方法、研究方法、科學素質和創(chuàng)新精神.物理教學要培養(yǎng)學生自己獲得知識的能力,就要讓學生從物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程得到啟迪,學會思考,學會探索.因此物理教學的重點應該使學生領悟理論規(guī)律的發(fā)展歷程,它起始于哪里,過程如何,怎樣突破等等,讓學生感受物理學家的思路歷程,使學生學會思考、學會應用、學會創(chuàng)新.