中國天文大項目與大學物理教學的有效結合

朱春花①

（新疆大學 物理科學與技術學院，新疆 烏魯木齊 830046）

物理學是研究宇宙間物質基本結構、運動基本規(guī)律和相互作用的自然科學，它是一門古老的基礎性學科.高等學校開設的大學物理課程主要以物理學為基礎內(nèi)容.目前，大學物理中所教授的知識主要是經(jīng)典物理體系下的內(nèi)容，基本上都是百年以前的成果.然而，21世紀的人才培養(yǎng)模式發(fā)生重要變化，高等教育走向大眾化、普及化［1］.面對青年學生日益多元化的興趣和志向，作為從事大學物理教學的教師需要深入思考一個課題：如何適應新形勢，激發(fā)學生學習物理知識的興趣，培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識.

近年來，這一課題的研究引起很多關注.有學者提出，在大學物理教學中融入天文學知識能有效提高學生學習物理的興趣，激發(fā)學生的學習潛能［2-3］.像很多其他學科一樣，天文學這門古老的基礎學科與某些鄰近學科也會互相借鑒、互相滲透.譬如1970年、1974年、1978年、1983年、1993年、2006年和2011年7個年度的8項諾貝爾物理學獎授予14位天文學家，這就是天文學與物理學學科交叉的很好例證.天文學可以說是一門以物理學為基礎的自然科學［4］.天體物理學是天文學和物理學高度交叉融合的分支學科.因此，在大學物理教學中很自然可以穿插許多相關的天文學知識，也容易吸引學生注意力.

當前，中國經(jīng)濟實力不斷增強，科技發(fā)展迎來嶄新的局面.中國天文學的發(fā)展也進入一個新的時代，中國已經(jīng)建成或正在籌建一些天文大項目，例如，大天區(qū)面積多目標光纖光譜望遠鏡（LAMOST）、近地目標巡視望遠鏡（NEOST）、500 m口徑球面射電望遠鏡（FAST）、110 m全可動射電望遠鏡（QTT）等.在高校大學物理教學過程中，由于課時和地域限制，學生對這些天文大項目進行實地考察的機會很少.因此，課堂教學依然是大學物理教學最重要的一個環(huán)節(jié)，課堂的教學效果直接影響學生的學習效果.筆者發(fā)現(xiàn)，在課堂上利用相關資料，借助多媒體教學方式介紹這些天文大項目能極大地激發(fā)學生的民族自豪感和成就感，提高學習物理知識的興趣，培養(yǎng)學生學習的主動性和創(chuàng)造性，活躍課堂氣氛，達到很好的教學效果.下面，舉例來說明中國天文大項目對大學物理教學的促進作用.

1 LAMOST

我國自主設計研制的大天區(qū)面積多目標光纖光譜望遠鏡（LAMOST，郭守敬望遠鏡）突破望遠鏡大口徑與大視場難以兼得的瓶頸，是目前世界上最大的大視場望遠鏡，是世界上光譜獲取率最高的望遠鏡［5］.

在大學物理教學過程中可以穿插介紹LAMOST及其一些研究成果.這些介紹不僅能豐富教學內(nèi)容，增強師生互動，而且也能拓寬學生視野，滿足學生求知欲望，對學生學習能力、創(chuàng)新意識和探索精神的培養(yǎng)具有積極意義.

在大學物理波動光學部分，會介紹光學儀器的分辨本領.由于光的衍射現(xiàn)象，光學儀器的分辨能力將受到限制.根據(jù)Rayleigh判據(jù)，光學儀器的最小分辨角與入射光波長成正比，與儀器的透光孔徑成反比［6］.光學儀器的分辨本領即最小分辨角的倒數(shù).因此，光學儀器的分辨本領與透光孔徑成正比.在講到這部分內(nèi)容的時候，可以利用多媒體教學方式給學生介紹LAMOST，讓學生在熟悉所學知識點的同時拓展知識面，了解天文望遠鏡大口徑與大視場的矛盾.這些介紹很容易吸引學生關注，讓學生充分認識到，利用合理的設備原理和創(chuàng)新的技術方法，中華民族能夠在相對較低成本下獨辟蹊徑，做出杰出的科技創(chuàng)新.學生會深受鼓舞，激發(fā)學習潛力和創(chuàng)新意識.

通過高中物理的學習，學生對第一、第二、第三宇宙速度的概念已有所了解.在大學物理力學部分講授能量守恒定律時，可以重提宇宙速度，并加以擴展，讓學生思考是不是可以獲得飛出銀河系的宇宙速度.Hills于2008年預言超高速星，這就是一類速度高到能脫離銀河系引力束縛的恒星［7］.通常認為，超高速星起源于雙星系統(tǒng)中的一顆被銀河系中心超大黑洞俘獲，根據(jù)機械能守恒定律，另一顆將以很高的速度被向外拋出，后者即為超高速星.利用LAMOST巡天的光譜數(shù)據(jù)，天文學家發(fā)現(xiàn)迄今為止距地球最近的一顆超高速星［8］.這顆超高速星相對于銀河系中心的移動速度是477 km/s.結合多普勒效應的學習，可以給學生簡單介紹如何利用光譜數(shù)據(jù)來確定恒星的視向速度.多普勒效應指出，當波源和觀察者相對運動時，觀察者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率不同.恒星光譜線的位移顯示恒星的視向速度，遠離銀河系的恒星發(fā)射的光線頻率變低，即移向光譜的紅端，稱為紅移，恒星離開銀河系的速度越快紅移越大.

2 射電天文望遠鏡

學習大學物理經(jīng)典電磁理論之后，學生了解到電磁波的波長范圍很廣，按照波長由長到短依次為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線，可見光只是電磁波譜中很窄的一段.射電天文學通過觀測天體的無線電波來研究天文現(xiàn)象.由于無線電波可以穿過光波通不過的塵霧，射電天文觀測成為光學天文觀測之外的一種探測宇宙的重要窗口.

我國正在建造的500 m口徑球面射電望遠鏡（FAST），是采用中國科學家獨創(chuàng)設計，利用貴州喀斯特地形條件和極端安靜的電波環(huán)境建造的射電天文望遠鏡.FAST建成以后將成為世界上最大的單口徑射電天文望遠鏡，預計在未來20-30年內(nèi)保持世界領先地位.正在籌建的新疆110 m射電望遠鏡（QTT），是口徑為110 m全方位可轉動射電望遠鏡.該項目建成后，將與美國的100×110 mGBT（Green Bank Tele?scope）、德國的埃費爾斯貝格（Effelsberg）100 m射電望遠鏡并列成為世界最大的地面可動射電望遠鏡.

在大學物理課堂上，利用多媒體教學方式介紹中國這些代表世界先進水平的天文大項目，學生的民族自豪感油然而生，極大地增強學習科學文化知識的積極性和主動性.射電天文觀測得到的很多研究成果（比如關于中子星的相關物理知識）也可以在大學物理課堂上結合相應知識點加以介紹，能拓展學生知識面，活躍課堂氣氛，提高教學效果.

國際單位制中以非常穩(wěn)定的原子時定義的s作為時間的標準單位.在大學物理教學中可以給學生介紹，宇宙中也有相當精準的時鐘——脈沖星.脈沖星是高速自轉的強磁場中子星，不停地發(fā)出無線電脈沖［9］.研究發(fā)現(xiàn)，脈沖星的兩個脈沖之間的間隔十分穩(wěn)定，特別是毫秒脈沖星（自轉周期在1-30毫秒范圍內(nèi)的脈沖星），其準確度與原子鐘相媲美［10］.那么，脈沖星的自轉周期為什么如此短，甚至達到毫秒量級呢？角動量守恒定律的學習可以幫助學生解決這一問題.根據(jù)恒星演化理論，中子星是大質量恒星演化晚期超新星爆發(fā)后中心核塌縮的產(chǎn)物.如果假設恒星為質量均勻分布的球體，則其轉動慣量J與恒星半徑的平方成正比.在塌縮過程中，恒星系統(tǒng)角動量守恒，即Jω=恒量，其中ω為恒星自轉角速度.因此塌縮后形成的中子星很容易可以獲得極高的自轉速度，自轉周期甚至能夠達到毫秒量級.另外，關于自然界中的磁場，中子星也是首屈一指的，其磁場一般高達108到109特斯拉，而太陽表面的磁場約為10-2特斯拉，地球磁場約為10-5特斯拉.

3 中國的深空探測計劃

深空探測是21世紀人類航天活動的一大熱點，是指對月球及月球以外的天體或空間開展的探測活動.深空探測能力是衡量一個國家綜合國力和科技水平的重要標志.2004年1月，中國的探月計劃——“嫦娥工程”正式立項.月球探測的開展，標志著我國邁出深空探測的第一步.火星將是我國深空探測的第二顆星球.中國與俄羅斯合作共同探索火星.2011年11月中國火星探測計劃中的第一顆火星探測器與俄羅斯的采樣返回探測器一起發(fā)射升空.遺憾的是，探測器變軌失敗.盡管在深空探測方面中國邁出可喜的第一步，但是未來的深空探測任重而道遠.

在大學物理教學中，可以在講解宇宙速度時給學生介紹運載火箭的發(fā)射，或者在學習萬有引力定律及能量守恒和轉化等知識點時引入以上深空探測項目的介紹.此外，如果條件允許，還可以做相關的專題報告.例如2014年5月，中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠院士來到新疆大學，為廣大師生做了題為《中國的探月夢》的報告.歐陽院士的報告引起強烈反響，滿足了學生求知欲望，增強了民族凝聚力，激發(fā)了學生學習科學的熱情.

綜上所述，在大學物理教學中，借助多媒體教學方式穿插介紹中國天文大項目相關資料及研究成果，能起到很好的教學效果，拓展學生知識面，激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)其進行科學研究的探索精神和創(chuàng)新意識.

［1］中央教育科學研究所比較教育研究中心.世界教育發(fā)展的新趨勢［J］.比較教育研究，2002，7：7-12.

［2］陳文聰，劉偉民.大學物理教學與現(xiàn)代天體物理的有機結合［J］.大學物理，2008，27（12）：57-59.

［3］雷衛(wèi)華.在大學物理教學中結合天文學的教學嘗試［J］.教育教學論壇，2013，41：72-73.

［4］王綬琯. 天文學的基本性質與發(fā)展規(guī)律［J］. 邯鄲學院學報，2007，17（3）：6-13.

［5］王綬琯.LAMOST之旅［J］. 邯鄲學院學報，2007，17（3）：14-18.

［6］馬文蔚，周雨青，解希順.物理學教程［M］.2版.北京：高等教育出版社，2006：210-213.

［7］HILLS J G.Hyper-velocity and tidal stars from binaries disrupted by a massive Galactic black hole［J］.Nature，1988，331：687-689.

［8］ZHENG Zheng，CARLIN J L，BEERS T C，et al.The first hypervelocity star from the LAMOST survey［J］.The Astrophysi?cal Journal Letters，2014，785（2）：23-27.

［9］RUDERMAN M A，SUTHERLAND P G.Theory of pulsars-Polar caps，sparks，and coherent microwave radiation［J］.As?trophysical Journal，1975，196：51-72.

［10］MATSAKIS D N，TAYLOR J H，EUBANKS T M.A statistic for describing pulsar and clock stabilities［J］.Astronomy and Astrophysics，1997，326：924-928.