邱紅梅 徐 美 劉麗華

(北京科技大學(xué) 物理系，北京 100083)

促進(jìn)大學(xué)物理教學(xué)的有效手段
——天文學(xué)知識(shí)的滲透

邱紅梅1徐 美2劉麗華3

(北京科技大學(xué) 物理系，北京 100083)

本文從進(jìn)動(dòng)和光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)等幾個(gè)典型案例入手，討論了如何將天文學(xué)知識(shí)有機(jī)地滲透到大學(xué)物理課堂教學(xué)之中，同時(shí)討論了如何優(yōu)化課后習(xí)題內(nèi)容，有意識(shí)地穿插一些天文學(xué)相關(guān)的習(xí)題，加強(qiáng)物理學(xué)與天文學(xué)科間的聯(lián)系與相互滲透，開闊學(xué)生的知識(shí)視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)大學(xué)物理的教學(xué)。

大學(xué)物理；天文學(xué)

天文學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，它是研究宇宙間天體及宇宙的科學(xué)[1]。在科學(xué)發(fā)展史上，天文學(xué)一直被認(rèn)為是物理學(xué)的分支，兩者相互促進(jìn)。這一事實(shí)可通過(guò)歷屆與天文相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得到詮釋。2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(激光干涉引力波天文臺(tái)項(xiàng)目)正是物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)與天文學(xué)相結(jié)合的光輝典范。目前很多高校尚不具備單獨(dú)開設(shè)天文課的條件，學(xué)生接觸天文學(xué)知識(shí)的渠道非常有限。如果能在面向全體工科學(xué)生開設(shè)的“大學(xué)物理”的課堂教學(xué)中，有意識(shí)地穿插一些天文學(xué)問(wèn)題，打破物理學(xué)與天文學(xué)科間的界限，加強(qiáng)兩個(gè)學(xué)科間的聯(lián)系與相互滲透，那么既可以使學(xué)生了解物理學(xué)與天文學(xué)不可分割的淵源關(guān)系，鞏固學(xué)生對(duì)物理學(xué)基本規(guī)律的理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，又可以滿足學(xué)生對(duì)天文學(xué)知識(shí)的渴望，開拓學(xué)生的視野，幫助學(xué)生建立正確的宇宙觀，提高科學(xué)素質(zhì)。

下面通過(guò)幾個(gè)典型的案例談?wù)劰P者在實(shí)際教學(xué)中如何將天文學(xué)知識(shí)有機(jī)地滲透在大學(xué)物理的教學(xué)過(guò)程中。

案例一： 進(jìn)動(dòng)。

進(jìn)動(dòng)是高速自轉(zhuǎn)的物體的自轉(zhuǎn)軸繞另一軸旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，通常安排在剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)之后進(jìn)行講解，是剛體部分的難點(diǎn)。進(jìn)動(dòng)的一個(gè)實(shí)際例子是陀螺，大部分工科物理教材都從角動(dòng)量定理出發(fā)，分析陀螺在重力矩作用下的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)[2-4]。如圖1(a)所示，以O(shè)為參考點(diǎn)，陀螺受到垂直于紙面向外的重力矩作用，迫使陀螺的角動(dòng)量方向改變，于是陀螺的自轉(zhuǎn)軸繞豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，這一運(yùn)動(dòng)就稱為進(jìn)動(dòng)。這一現(xiàn)象貼近生活，但學(xué)生通常在理解上有一定的困難。為了讓學(xué)生加深印象，更好地理解這一模型，可以將此概念遷移到天文學(xué)中來(lái)分析地球的運(yùn)動(dòng)并設(shè)問(wèn)：“北極星是固定的某一顆星嗎？”

圖1 陀螺進(jìn)動(dòng)(a)與地軸進(jìn)動(dòng)(b)示意圖[5]

所謂“北極星”，指的是最靠近北天極的一顆星，或者說(shuō)是地球自轉(zhuǎn)軸所指的星。古代天文學(xué)家對(duì)北極星非常尊崇，認(rèn)為它固定不動(dòng)，眾星都繞著它轉(zhuǎn)，是帝王的象征。由于北極星最靠近正北的方位，千百年來(lái)地球上的人們靠它的星光來(lái)導(dǎo)航。有些航海的人們迷路了，就會(huì)找到北極星來(lái)定位，北極星在的地方永遠(yuǎn)是北方，即使沒(méi)有羅盤，也可以辨別方向的。我們小時(shí)候經(jīng)常在夜晚，尋找北斗七星，是童年美好的回憶。

目前的北極星是小熊座α，數(shù)百年來(lái)地球的自轉(zhuǎn)軸一直都指向那里，因此很多人認(rèn)為小熊座α是天然的并且永恒不變的北極星。但是，這種觀念對(duì)嗎？

地球是一個(gè)自轉(zhuǎn)的非理想球體，其他天體對(duì)其引力的合力作用點(diǎn)并不在球心，這樣產(chǎn)生一個(gè)使地軸進(jìn)動(dòng)的力矩，在該力矩的作用下，地球自轉(zhuǎn)軸按圖1(b)所示的方向進(jìn)動(dòng)起來(lái)[5]。這樣一來(lái)，地軸在宇宙空間中的指向并不確定，而是在隨時(shí)間發(fā)生變化。因此，“北極星”其實(shí)并不是固定的一顆星。在這里還可以鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行進(jìn)一步的定量計(jì)算：假設(shè)地球的質(zhì)量分布不均勻，同時(shí)考慮太陽(yáng)和其他天體對(duì)地球的引力，可近似算出地軸的進(jìn)動(dòng)角速度[6]。實(shí)際上，地軸的進(jìn)動(dòng)周期大約為26000年/圈，目前地軸北極指向圖1(b)中的A點(diǎn)，即小熊座α附近，而大約5000年前，即古埃及建造金字塔時(shí)，地軸指向圖1(b)中的B點(diǎn)，即天樞(天龍座α)所在位置，因此當(dāng)時(shí)的北極星是天樞；大約12000年后，地軸將指向圖1(b)中的C點(diǎn)，那時(shí)的北極星將為織女星(天琴座α)。

在這個(gè)過(guò)程中，我們將歷史故事和天文知識(shí)融合到物理模型的講解中。每次講到這里，學(xué)生都興趣盎然，把眼光從手機(jī)移到課堂，困意全無(wú)。講完之后，還意猶未盡，有“自然真奇妙，物理真有趣”的感嘆。講完北極星的變遷，相信學(xué)生會(huì)有恍然大悟的感覺(jué)，不僅加深了對(duì)進(jìn)動(dòng)知識(shí)點(diǎn)的理解，而且也提高了對(duì)天文知識(shí)的研究興趣。通過(guò)課后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這種講法使學(xué)生對(duì)物理模型的理解更加透徹。

案例二： 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)。

借助光學(xué)儀器觀察不同物體時(shí)，不僅要有一定的放大倍數(shù)，還要有足夠的分辨本領(lǐng)，才能獲得理想的觀測(cè)效果。大學(xué)物理中定義的光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)為最小分辨角的倒數(shù)，它與工作波長(zhǎng)成反比，與儀器的通光孔徑成正比。電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)遠(yuǎn)高于光學(xué)顯微鏡，正是利用減小波長(zhǎng)來(lái)提高分辨本領(lǐng)的典型實(shí)例。通過(guò)增大儀器通光孔徑改善分辨本領(lǐng)的最好例子便是望遠(yuǎn)鏡，許多教材中也簡(jiǎn)單提到這一點(diǎn)[3,7]；然而，不同孔徑的望遠(yuǎn)鏡分辨本領(lǐng)究竟差多少？目前最大的望遠(yuǎn)鏡究竟有多大？大部分同學(xué)并沒(méi)有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。借此機(jī)會(huì)，不妨給學(xué)生引入一些天文望遠(yuǎn)鏡的簡(jiǎn)單介紹，以加深學(xué)生對(duì)光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)的理解，同時(shí)擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面。

圖2 用不同口徑的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的仙女座星系圖片[5]

對(duì)于確定波長(zhǎng)的星光，望遠(yuǎn)鏡的最小分辨角與其通光孔徑(簡(jiǎn)稱為望遠(yuǎn)鏡的口徑)成反比。因此，望遠(yuǎn)鏡口徑越大，最小分辨角越小，分辨本領(lǐng)越高。圖2為利用不同口徑的望遠(yuǎn)鏡拍攝到的仙女座星系的照片[5]。拍攝圖2(a)所用的望遠(yuǎn)鏡的最小分辨角為10′，這時(shí)的仙女座星系看上去是一個(gè)模糊的光斑，與星云無(wú)異，因此最早將其稱為星云；當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的最小分辨角減小為1″時(shí)(如圖2(b)所示)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，它實(shí)際上是由成千上萬(wàn)個(gè)的恒星組成的星系。因此天文學(xué)家希望望遠(yuǎn)鏡口徑越大越好，以便于看清遙遠(yuǎn)天體的細(xì)致結(jié)構(gòu)，把人類對(duì)宇宙的探測(cè)推向深空。

實(shí)際望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展受到人力、財(cái)力和物力等諸多因素的影響。就地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡而言，國(guó)內(nèi)口徑最大的是2008年落成的“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡(郭守敬望遠(yuǎn)鏡，LAMOST)”，其有效通光孔徑達(dá)4m；目前世界上最大的單架反射望遠(yuǎn)鏡是美國(guó)在夏威夷的兩臺(tái)10m口徑的Keck望遠(yuǎn)鏡；即使這樣，天文學(xué)家仍然不遺余力地建造更大的望遠(yuǎn)鏡：歐洲正在主導(dǎo)籌劃100m口徑的絕大望遠(yuǎn)鏡(OWL)，按照設(shè)計(jì)，OWL的最小分辨角將達(dá)到毫角秒，這意味著它可以分辨開10×104km以外兩個(gè)相隔50cm的點(diǎn)，大家可以設(shè)想一下，如果這個(gè)望遠(yuǎn)鏡建成，它會(huì)給我們帶來(lái)什么樣的未曾發(fā)現(xiàn)的信息？這非常值得我們期待。

某種意義上說(shuō)，天文望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)，依靠的是對(duì)光學(xué)知識(shí)的不斷運(yùn)用、拓展和挑戰(zhàn)。深入了解望遠(yuǎn)鏡的相關(guān)知識(shí)，可以加深對(duì)于電磁波、光譜以及干涉等大學(xué)物理課程中的基本概念的理解[8]。

由于大部分高校大學(xué)物理的課時(shí)比較緊張，與天文學(xué)相關(guān)的內(nèi)容不宜在課堂教學(xué)中過(guò)多討論，但是我們可以有效利用課后習(xí)題這一重要環(huán)節(jié)。課后習(xí)題作為課堂學(xué)習(xí)的重要延續(xù)，是鞏固課堂教學(xué)效果的關(guān)鍵因素。如果我們優(yōu)化習(xí)題內(nèi)容，有針對(duì)性地選擇一些與天文相關(guān)的習(xí)題布置給學(xué)生，不僅可以避免做物理習(xí)題時(shí)的枯燥乏味，還可以拓展學(xué)生的知識(shí)面，增加習(xí)題的趣味性。

比如講完光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)，可以設(shè)計(jì)這樣的習(xí)題：“我國(guó)在貴州平塘建設(shè)了一個(gè)500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(簡(jiǎn)稱FAST)。若用該望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)中性氫21cm譜線，其角分辨率是多少？”通過(guò)這樣的習(xí)題，不僅可以幫助學(xué)生鞏固光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)這一基本概念，掌握分辨率的計(jì)算公式，還可以讓學(xué)生了解前沿課題，知道當(dāng)前射電望遠(yuǎn)鏡的進(jìn)展，同時(shí)了解射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)波段和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的區(qū)別。對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生，還可以激發(fā)他們?nèi)ゲ殚嗁Y料以進(jìn)一步了解相關(guān)科學(xué)前沿。在學(xué)習(xí)黑體輻射時(shí)，從概念上來(lái)講，學(xué)生往往對(duì)于黑體這一理想模型比較模糊，究竟什么樣的物體可以看成黑體？黑體的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)定律意義何在？不妨給學(xué)生布置這樣的習(xí)題：“天文學(xué)上常用黑體輻射來(lái)描述大部分正常恒星的輻射。若某恒星的光譜輻射出射度的極大值出現(xiàn)在3.0×1014Hz處，那么該恒星的表面溫度是多少？”天體物理中借助于黑體輻射的相關(guān)規(guī)律來(lái)計(jì)算恒星表面溫度是通用的方法，正是恒星有不同的表面溫度才顯示出不同的顏色[5]。通過(guò)這樣的習(xí)題讓學(xué)生明白物理在天文中的應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生問(wèn)題解決和探究能力的提升，也讓學(xué)生了解并非所有的天文知識(shí)都玄妙不可觸及。當(dāng)然，我們也可以如此設(shè)題：“宇宙大爆炸遺留在宇宙空間的均勻各向同性的背景熱輻射相當(dāng)于2.7K黑體輻射，求此輻射的光譜輻射出射度為最大值時(shí)的波長(zhǎng)？[3]”這里涉及“大爆炸宇宙模型”和“宇宙微波背景輻射”等天文學(xué)中的重要概念，1978年和2006年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)均與此概念有關(guān)。設(shè)置類似題目有助于引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所學(xué)概念進(jìn)行深入思考和深層次理解，彌補(bǔ)了課堂教學(xué)存在的不能建構(gòu)整體概念體系的不足，同時(shí)，滿足了有更高需求的學(xué)生。

大學(xué)物理教學(xué)中可以聯(lián)系的天文學(xué)問(wèn)題還有很多，這里就不一一贅述了。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在張三慧先生編著的《大學(xué)物理學(xué)》中[3]，有關(guān)天文學(xué)的思考題和習(xí)題就有近70道，除了涉及太陽(yáng)系內(nèi)天體外，還涉及白矮星、中子星和黑洞等致密天體，超新星及超新星遺跡，類星體及星系紅移等天文學(xué)中的重要概念。借助這些習(xí)題，可以拓寬學(xué)生的視野，激發(fā)他們認(rèn)知世界、了解天文的興趣。但是，與該教材中超過(guò)1000道的思考題和習(xí)題總數(shù)相比，這些與天文相關(guān)的題只是其中非常小的一部分，再加上大部分同學(xué)甚至是部分教師對(duì)于天文學(xué)比較陌生，導(dǎo)致這些題通常被忽略，沒(méi)有發(fā)揮它們應(yīng)有的作用。因此，在平時(shí)的大學(xué)物理教學(xué)中，我們應(yīng)該有意識(shí)地多留這些習(xí)題，使基本模型和客觀存在的自然現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)。筆者在留作業(yè)的時(shí)候，嘗試著加了一些這樣的習(xí)題，并在課上展開討論與學(xué)生一起探討這些實(shí)際問(wèn)題為什么可以應(yīng)用這樣或者那樣的物理模型。通過(guò)這樣的教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生對(duì)如何從復(fù)雜問(wèn)題中抽象出物理模型有了切身的體會(huì)，他們對(duì)物理概念的理解更加具體了：留在記憶中的不僅僅是抽象的模型和冰冷的公式，而是物理思想、科學(xué)思路以及對(duì)于宇宙的認(rèn)知。

當(dāng)然，在當(dāng)前大部分高校大學(xué)物理課時(shí)數(shù)少、內(nèi)容多的背景下，過(guò)多地涉及天文學(xué)內(nèi)容也是不可能的，本文旨在拋磚引玉。若優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的組織，適度地結(jié)合物理在天文中的應(yīng)用進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)討論，是切實(shí)可行的。這不僅能讓物理概念和物理規(guī)律學(xué)以致用，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，增加課程趣味性，提高大學(xué)物理課程的教學(xué)質(zhì)量；同時(shí)也開闊了學(xué)生的知識(shí)視野，彌補(bǔ)了他們?cè)谔煳闹R(shí)上的不足，使學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和工作中更好地適應(yīng)新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義的建設(shè)。

[1] 劉學(xué)富. 基礎(chǔ)天文學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 1.

[2] 趙凱華，羅蔚茵. 新概念物理學(xué) 力學(xué)[M]. 2版. 北京：高等教育出版社，2005: 202.

[3] 張三慧. 大學(xué)物理學(xué). B版[M]. 3版. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2009: 力學(xué)、電磁學(xué)(173)，熱學(xué)、光學(xué)、量子物理(216,327).

[4] 程守洙，江之永. 普通物理學(xué) 上冊(cè)[M]. 6版. 北京：高等教育出版社，2006: 132.

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[6] 楊明智. 關(guān)于地軸進(jìn)動(dòng)的一種算法[J]. 大學(xué)物理，2005, 24(10): 11-12.

Yang Mingzhi. An algorithm on the precession of the earth’s axis[J]. College Physics, 2005, 24(10): 11-12. (in Chinese)

[7] 程守洙，江之永. 普通物理學(xué) 下冊(cè)[M]. 6版. 北京：高等教育出版社，2006: 165.

[8] 寧長(zhǎng)春，索朗桑姆. 天文望遠(yuǎn)鏡400年發(fā)展中對(duì)于光學(xué)知識(shí)的應(yīng)用和拓展[J]. 大學(xué)物理，2013, 32(10): 45-50.

Ning Changchun, Suolangsangmu. Applications and expansion of knowledge of optics in telescope development[J]. College Physics, 2013, 32(10): 45-50. (in Chinese)

ANEFFECTIVEMEANSTOPROMOTEUNIVERSITYPHYSICSTEACHING—THE PENETRATION OF ASTRONOMICAL KNOWLEDGE

QIUHongmeiXUMeiLIULihua

(Department of Physics, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)

From several typical cases, such as the precession and the resolving power of optical instruments, this paper presents how to penetrate astronomical knowledge into university physics teaching. Meanwhile, we also discuss how to optimize the content of homework problems and how to introduce some homework problems related to astronomy consciously, which not only strengthens the relationship and penetration between physics and astronomy, but also raises students’ interest in learning and promotes the teaching of university physics.

university physics; astronomy

2015-08-01；

2015-10-29

北京科技大學(xué)中青年教學(xué)骨干人才培養(yǎng)計(jì)劃、北京科技大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目(JG2015M30，JG2017M35)資助。

邱紅梅，女，副教授，主要從事大學(xué)物理和天體物理的教學(xué)研究工作，hmqiu@ustb.edu.cn。

邱紅梅，徐美，劉麗華. 促進(jìn)大學(xué)物理教學(xué)的有效手段——天文學(xué)知識(shí)的滲透[J]. 物理與工程，2017，27(6)：100-103.

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