福建省詔安第一中學(xué)(363500)

沈哲元●

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展現(xiàn)物理學(xué)發(fā)展史培養(yǎng)高素質(zhì)中學(xué)生

福建省詔安第一中學(xué)(363500)

沈哲元●

物理教學(xué)不僅是要應(yīng)付高考，更重要的是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)、探究世界.其中通過展現(xiàn)物理學(xué)史，認(rèn)識(shí)先人探求真理的歷程，既讓學(xué)生掌握物理知識(shí)，又學(xué)會(huì)解決問題的方法，可謂一舉多得.同時(shí)在聯(lián)系物理學(xué)史的過程中，可以進(jìn)一步闡述馬克思主義哲學(xué)的世界觀和方法論，把理科知識(shí)和文科知識(shí)緊密聯(lián)系在一起，把學(xué)生培養(yǎng)成高素質(zhì)的人才.本文想利用一定篇幅做一些物理和哲學(xué)交融的論述，請(qǐng)同行雅正.

物理學(xué)史；物理問題的思想方法；物理學(xué)史與世界觀；中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)

一、經(jīng)典力學(xué)：科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)研究

在16世紀(jì)以前人們對(duì)自然的認(rèn)識(shí)來自生活經(jīng)驗(yàn)，最典型的是亞里士多德的力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，當(dāng)時(shí)的人問他：為什么拋出去的石塊離開手了，還能繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng).他的回答是：自然界害怕真空，石塊運(yùn)動(dòng)過后留下真空，必然有力對(duì)其作用.人們問他：蘋果從樹上掉了，為什么都落到地面.他的回答很擬人化：蘋果和人一樣都想回家，落下地面就是蘋果回去它的家.推翻亞里士多德錯(cuò)誤觀點(diǎn)，最有駁斥力的是伽利略論述的理想斜面實(shí)驗(yàn)，他通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行合理外推得出物體的運(yùn)動(dòng)不需力來維持.而對(duì)蘋果落地的研究使牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律.我們的教學(xué)不是要引導(dǎo)學(xué)生批判亞里士多德，而是要引入研究物理問題的正確方法，那就是伽利略和牛頓的思想方法：把科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)研究正確地結(jié)合在一起，再通過數(shù)學(xué)提煉出定律.

牛頓結(jié)合前人對(duì)力學(xué)的研究成果，在自己創(chuàng)造性地勞動(dòng)下總結(jié)了牛頓三大定律，和萬有引力定律，以及其它成果，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)體系初步建立.至此實(shí)現(xiàn)了物理理論的第一次大綜合，經(jīng)典力學(xué)理論的建立是天文學(xué)、數(shù)學(xué)、和力學(xué)歷史發(fā)展的產(chǎn)物，也是牛頓創(chuàng)造性研究的結(jié)晶.但是謙虛的牛頓說過：如果我看的更遠(yuǎn)那是因?yàn)檎驹诰奕说募缟?我們不僅要學(xué)習(xí)物理理論，更要通過物理學(xué)史教給學(xué)生研究物理問題的方法，還有物理學(xué)家的鉆研精神和博大的胸襟.

二、電磁學(xué)：普遍聯(lián)系和變化發(fā)展

電磁學(xué)的發(fā)展歸功于伏打電堆(電池)的發(fā)明，電池的發(fā)明提供了產(chǎn)生恒定電流而非瞬間電流的電源，從而進(jìn)入研究電流各種效應(yīng)，包含電流磁效應(yīng)的新時(shí)期.中學(xué)數(shù)學(xué)、物理老師歐姆發(fā)現(xiàn)歐姆定律，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng).安培研究電和磁之間的相互作用，奠定電動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ).奮發(fā)自學(xué)成才的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家法拉第，辯證的認(rèn)為既然電能夠產(chǎn)生磁，磁也必將能夠產(chǎn)生電.終于經(jīng)過十年(1821-1831)的努力發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng).而麥克斯韋則繼承了法拉第的力線思想，堅(jiān)持近距作用，同時(shí)又正確地吸取了安培代表學(xué)派電動(dòng)力學(xué)的成果.用一套方程組概括電磁規(guī)律，建立了電磁場(chǎng)理論，預(yù)測(cè)了光的電磁性質(zhì)，終于實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上又一次大綜合.

這次物理史上的大綜合，還直接影響到人們的世界觀和方法論.馬克思主義哲學(xué)的事物是普遍聯(lián)系的，事物是變化發(fā)展的.應(yīng)該受到自然科學(xué)研究成果的影響，當(dāng)然馬克思主義哲學(xué)還能從自然科學(xué)的成果找到例證.而馬克思主義哲學(xué)的對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律，在光學(xué)研究中關(guān)于光的本性的爭(zhēng)論中更得到淋瀝盡致的體現(xiàn).

三、光學(xué)：對(duì)立統(tǒng)一

牛頓在光學(xué)方面，通過一系列色散實(shí)驗(yàn)，完成了把白光分解成單色光，又把單色光組合成白光的過程.他下結(jié)論說：光本身是一種折射率不同光線的混合物.并進(jìn)一步假設(shè)：如果假定光線是發(fā)光物質(zhì)向四面八方發(fā)出的微小物體，那么當(dāng)這些微小物體碰撞任何折射或反射面時(shí)，一定象石子拋入水中情形一樣，也必然在以太中激發(fā)出振動(dòng).并且按照這些振動(dòng)的大小和混合情況而產(chǎn)生不同的顏色感覺.因此，牛頓最初是企圖把微粒說和波動(dòng)說結(jié)合起來解釋光的色散.當(dāng)然牛頓較傾向于微粒說，認(rèn)為光可能是微粒流.

主張波動(dòng)說的早期科學(xué)家有笛卡兒、胡克、惠更斯等.但是他們的理論很不完善，不能解釋很多的光現(xiàn)象.波動(dòng)說的復(fù)興首先歸功于醫(yī)生托馬斯·楊，他發(fā)展的波動(dòng)理論成功地解釋了干涉現(xiàn)象，并由他設(shè)計(jì)的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，提供例證.但卻引來微粒說學(xué)者的圍攻，一二十年間，竟沒有人理解托馬斯·楊的工作.托馬斯·楊為回駁他們而撰學(xué)的論文竟無處發(fā)表.繼續(xù)托馬斯·楊的研究的是一位工程師菲涅耳，他在法國科學(xué)院的一次懸獎(jiǎng)?wù)魑闹?本次征文的本意是鼓勵(lì)用微粒理論解釋衍射現(xiàn)象)，他從橫波觀點(diǎn)出發(fā)圓滿地解釋光的偏振，并用半波帶法定量地計(jì)算了圓孔、圓板等形狀的障礙物所產(chǎn)生的衍射條紋，推出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合的很好.評(píng)獎(jiǎng)委員泊松在審查菲涅耳的理論時(shí)，應(yīng)用菲涅耳的方程推導(dǎo)圓盤衍射，得到一個(gè)令人稀奇的結(jié)果：在盤后方一定距離的屏幕上影子的中心應(yīng)出現(xiàn)亮點(diǎn).泊松認(rèn)為這是荒謬的，在影子的中心怎么可能出現(xiàn)亮點(diǎn)呢？于是就聲稱這個(gè)理論被駁倒.另一位評(píng)獎(jiǎng)委員阿拉果用實(shí)驗(yàn)對(duì)泊松提出的問題進(jìn)行了檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)非常精彩地證實(shí)了菲涅耳理論的結(jié)論，影子的中心果然出現(xiàn)了一個(gè)亮點(diǎn).后人戲劇性稱這個(gè)亮點(diǎn)為泊松亮點(diǎn).

光的微粒說和波動(dòng)說這對(duì)矛盾的兩個(gè)方面，相互斗爭(zhēng)的過程就是光學(xué)發(fā)展的過程.馬克思主義哲學(xué)的對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律指出矛盾還有另一特性：同一性.第一個(gè)肯定光既有波動(dòng)性又有粒子性的是愛恩斯坦.他指出能量不是分散的，而是一份一份地以能量子的形式出現(xiàn)的.能量子也就是后來所謂的光子，其能量用hν表示，并且用EK=hν-W，很好的解釋了光電效應(yīng).現(xiàn)在大量事實(shí)證明光的波粒二象性，把這對(duì)矛盾統(tǒng)一在一起.

四、相對(duì)論：真理的絕對(duì)性與相對(duì)性

馬克思主義哲學(xué)認(rèn)為真理具有相對(duì)性.牛頓的經(jīng)典力學(xué)，麥克斯韋電磁波理論都具有局限性，在解決宏觀，低速物體的行為方面獲得巨大的成功.由此引出的絕對(duì)時(shí)空觀被認(rèn)為是天經(jīng)地義的，這些理論導(dǎo)致自然界中必然存在上文經(jīng)常說的“以太”.而邁克爾遜-莫雷尋找“以太”的精確實(shí)驗(yàn)，卻以零結(jié)果收?qǐng)?愛恩斯坦注意那些來自狹義相對(duì)論的線索，經(jīng)過與別人討論交流，新的思想漸漸的在他頭腦中形成，在1905年的5月，他思考并計(jì)算了幾個(gè)星期，就形成了新的物理學(xué)基礎(chǔ)，拋棄了絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間的概念，他認(rèn)為，拋棄了絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間的概念后，“以太”的觀念就是完全多余的.由此得出尺度收縮和時(shí)間膨脹的推論，太出乎人們的想象，當(dāng)時(shí)的人們覺的不可理喻.直到1922年瑞典科學(xué)院的秘書電告愛因斯坦獲得諾貝爾獎(jiǎng)金的時(shí)候，特別指出，相對(duì)論的研究成果不在評(píng)獎(jiǎng)考慮的工作之內(nèi).雖然相對(duì)論的意義是劃時(shí)代的，以此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一點(diǎn)也不為過.這也生動(dòng)說明了真理還有另一屬性：絕對(duì)性.真理不會(huì)因?yàn)槿藗兊牟焕斫舛フ_性，當(dāng)然真理又是發(fā)展的，從狹義相對(duì)論到廣義相對(duì)論是對(duì)真理不斷完善的過程.廣義相對(duì)論應(yīng)該也在不斷的發(fā)展中.

五、物理學(xué)：與哲學(xué)原理相互輝映

物理學(xué)里的很多規(guī)律與馬克思主義哲學(xué)原理相互輝映.當(dāng)光從其它介質(zhì)斜射入空氣時(shí)，發(fā)生反射和折射，隨著入射角的增大，折射光線變?nèi)?，反射光線變強(qiáng)，當(dāng)入射角增大到臨界角的時(shí)候，發(fā)生了全反射.由此來說明馬克思主義哲學(xué)中的量變到質(zhì)變規(guī)律是多么的生動(dòng)有趣.原子物理的發(fā)展過程也遵循量變到質(zhì)變的發(fā)展規(guī)律.從貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性現(xiàn)象，居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素釙和鐳，湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子，打破了原子不可分的傳統(tǒng)觀念.電子和放射性元素的發(fā)現(xiàn)，打開了原子的大門，使人們的認(rèn)識(shí)得以深入到原子的內(nèi)部，盧瑟福通過a粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原子核式結(jié)構(gòu)，還發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，并預(yù)言中子的存在，但到查德威克發(fā)現(xiàn)中子，整整經(jīng)過十年的時(shí)間.這些量的積累為原子結(jié)構(gòu)模型的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ).

物理學(xué)史的發(fā)展過程，是許許多多有志者追求真理的過程，而且追求真理的征途還未完結(jié)，也永遠(yuǎn)不會(huì)完結(jié).現(xiàn)代科學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到除了我們認(rèn)知的物質(zhì)以外還存在我們未知的暗物質(zhì)，宇宙間除了有我們認(rèn)知的能量外還存在著暗能量.另外量子糾纏還糾纏著人類的神經(jīng).那浩瀚的真理之海洋，卻還在我們的面前未曾發(fā)現(xiàn).

物理學(xué)史的發(fā)展過程，也是人們對(duì)世界認(rèn)識(shí)逐漸深化的過程.物理學(xué)家很多同時(shí)也是偉大的思想家，在英國的一次影響近代世界發(fā)展的思想家的調(diào)查中，前三位是愛因斯坦、牛頓、馬克思.牛頓為我們理順了自然界運(yùn)動(dòng)和力的規(guī)律.而愛恩斯坦“追光”的歷程為我們打開了高速世界的大門.他們的思想、他們的貢獻(xiàn)，極大推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程.做為一位物理教師我們應(yīng)為所從事的工作而感到驕傲，并且會(huì)由此影響我們的學(xué)生研究物理，獻(xiàn)身于物理學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展.我們的課堂教學(xué)沒有理由不貫穿著物理學(xué)史，物理思想的滲透.

[1]鄒艷,《大學(xué)物理教學(xué)中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)》《學(xué)科教學(xué)物理》,2005

[2]艾寶勤.《物理》,1996

[3]孫海濱,《物理與工程》,2005

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