“泊松亮斑”中的物理學史及其對教育的啟示

阿西伍惹

[西南財經大學 人文(通識)學院 四川 成都 611130]

當單色光照射在直徑恰當?shù)男A珠或小圓盤時，會在光屏上出現(xiàn)環(huán)狀同心圓衍射條紋，并且在同心圓圓心處會出現(xiàn)一個極小的亮斑，這個亮斑就被稱為泊松亮斑.

1 “泊松亮斑”的發(fā)現(xiàn)過程

1818年，法國科學院提出了一個征文競賽題目：一是利用精確的實驗確定光線的衍射效應；二是根據(jù)實驗，用數(shù)學歸納法推求出光通過物體附近時的運動情況[1].在法國物理學家阿拉果與安培的鼓勵和支持下，菲涅耳向科學院提交了應征論文.

菲涅耳使用半波帶法計算了圓孔、圓板等障礙物所產生的衍射圖案，并把自己的理論以及對實驗的說明書提交給了評判委員會.參加評判委員會的物理學家有波動理論的支持者阿拉果，微粒論的支持者拉普拉斯、泊松和比奧，以及持中立態(tài)度的蓋·呂薩克.正如菲涅耳所預料，菲涅耳的波動理論遭到了光的粒子論者的極力反對.

泊松在委員會會議上指出：根據(jù)菲涅耳的理論，應當能看到一種奇怪的現(xiàn)象，如果在光束傳播路徑上放置一塊不透明的圓板，那么由于光在圓板邊緣會發(fā)生衍射，所以導致離圓板一定距離的圓板陰影中央會出現(xiàn)一個亮斑，在當時來說，泊松認為這是不可能實現(xiàn)的，所以泊松宣稱他事實上已經從理論上駁倒了波動理論.然而，出乎意料的是菲涅耳和阿拉果坦然接受了泊松的挑戰(zhàn)，并用實驗精彩地驗證了泊松的理論預言.

之后，菲涅耳又用復雜的理論計算和實驗證明，當圓盤半徑很小的時候，這個亮點才會比較明顯.菲涅耳毫無爭議地榮獲了這一屆的科學獎，而后人為了紀念泊松為實驗所提供的重要方法便把這個亮點以泊松的名字命名為“泊松亮斑”.而有意思的是，泊松本來是光的波動說的反對者，但在菲涅耳用實驗驗證了自己所提出的“荒謬”理論之后，泊松轉變?yōu)榱斯獾牟▌诱f的支持者.

菲涅耳繼承了惠更斯和托馬斯·楊的光的波動理論，推翻了牛頓的光粒子學說，從而使光波動學說在后面近百年的時間內再次成為主流理論，一直到愛因斯坦的光量子理論的提出，光的波粒二象性理論才最終統(tǒng)一了光的波動學說和粒子學說.

2 “泊松亮斑”發(fā)現(xiàn)過程中的物理學史對教育的啟示

2.1 有助于學生對物理概念和規(guī)律的理解

歷史上對于光的波動說和粒子說具有長期之爭，在菲涅耳用“泊松亮斑”實驗驗證了光的波動說之前，光的波動說從被排斥到被接受，經歷了曲折的發(fā)展歷程，而該部分知識點的教學重難點恰好就蘊含在這些曲折的發(fā)展歷程中.因此物理教師在教學過程中若能將該部分知識點相關的物理學史引入物理課堂教學，能夠讓學生對物理概念和規(guī)律的來龍去脈有更加清晰的認識，有助于學生對物理概念和規(guī)律的理解.

2.2 有助于學生養(yǎng)成正確的科學態(tài)度和嚴謹?shù)目茖W精神

菲涅耳驗證波動說之前，牛頓的光的微粒說盛行，光的波動說則不被認可.菲涅耳不畏權威，向當時盛行的牛頓學說提出挑戰(zhàn)，他不屈不撓，長期同疾病抗爭.在10年左右的時間對衍射、偏振光的干涉等進行研究，對光學的發(fā)展產生了深遠的影響.因此，在衍射相關教學中給學生講述菲涅耳驗證波動理論過程中不畏艱辛和敢于向權威挑戰(zhàn)的精神，對學生具有重要的啟發(fā)和教育意義.

2.3 有助于學生掌握物理學研究方法

由于物理教材中一般對物理學方法采用隱性處理，導致學生對物理教材中蘊含的物理學方法不太了解.教師若能在物理概念和規(guī)律講解過程中穿插相關物理學史，并顯化物理學史中蘊含的物理學方法，能夠讓學生更加清晰地認識并掌握物理教材中的物理學方法.比如“泊松亮斑”相關物理學史中蘊含實驗驗證法、反證法等物理學方法，這些物理學方法對鍛煉學生的科學思維，提高學生的物理學科核心素養(yǎng)具有重要意義.