發(fā)揮物理學(xué)史在高中物理教學(xué)中的教育作用

關(guān)正兵

【摘 ?要】在高中物理教學(xué)過程中，再現(xiàn)科學(xué)家的研究過程，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)得出結(jié)論，顯示出研究方法在科學(xué)研究中的重要地位;通過引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)規(guī)律，讓學(xué)生經(jīng)歷規(guī)律的推導(dǎo)過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究精神;在原子物理知識的教學(xué)中，通過梳理原子物理的發(fā)展史，讓學(xué)生沿著科學(xué)家的研究足跡，認(rèn)識原子的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生感受到科學(xué)家鍥而不舍的研究究精神和科學(xué)的研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】物理學(xué)史;物理教學(xué);教育作用

物理學(xué)史的學(xué)習(xí)是物理學(xué)習(xí)的重要組成部分，在高中物理教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生通過物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體會知識形成過程中的科學(xué)探究過程，科學(xué)家研究所用的科學(xué)方法、堅(jiān)韌不拔的科學(xué)探索精神，概念與概念、概念和規(guī)律間的關(guān)系等。讓學(xué)生以物理學(xué)史為線索，梳理知識體系，學(xué)習(xí)科學(xué)方法，體會探究過程，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。以下是筆者利用物理學(xué)史進(jìn)行教學(xué)的一點(diǎn)體會與做法。

一、再現(xiàn)科學(xué)家的研究過程，體現(xiàn)科學(xué)思維方法

科學(xué)家探索物理規(guī)律經(jīng)歷了漫長的過程，科學(xué)思維方法也是在探究規(guī)律的過程中總結(jié)和歸納出來的。在教學(xué)中再現(xiàn)科學(xué)家的研究過程，對學(xué)生科學(xué)思維方法的形成有積極的促進(jìn)作用。例如，在自由落體運(yùn)動的教學(xué)中，介紹伽利略對落體運(yùn)動的研究過程：伽利略通過邏輯推理，指出了亞里士多德“重的物體下落得快”論斷的問題，得出重物與輕物應(yīng)該下落同樣快慢的結(jié)論。為了進(jìn)一步研究落體運(yùn)動規(guī)律，伽利略首先建立了描述運(yùn)動的物理量，如平均速度、瞬時(shí)速度、加速度等概念，接著猜想落體運(yùn)動的速度可能隨時(shí)間均勻變化，為了檢驗(yàn)猜想是否正確，伽利略想辦法用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)v與t成正比是否正確。伽利略通過理論推導(dǎo)，得出如果速度隨時(shí)間的變化是均勻的，位移就與時(shí)間的二次方成正比，只要測出位移和時(shí)間，就可以檢驗(yàn)物體的速度與時(shí)間的關(guān)系。為了便于測量，克服落體時(shí)間短，時(shí)間不能測量的困難，伽利略設(shè)計(jì)了斜面實(shí)驗(yàn)，讓銅球沿阻力很小的斜面滾下，加速度小，時(shí)間長，就容易測量了。伽利略通過大量實(shí)驗(yàn)，證明小球沿斜面下滑的運(yùn)動是勻加速直線運(yùn)動。換用不同質(zhì)量的小球，從不同高度開始釋放，只要斜面傾角相同，小球的加速度就相同。伽利略將上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了合理外推，當(dāng)斜面傾角很大時(shí)，小球的運(yùn)動跟落體運(yùn)動差不多。當(dāng)傾角增大到90°時(shí)，小球的運(yùn)動就是自由落體運(yùn)動。伽利略在研究運(yùn)動的過程中，不僅建立了描述運(yùn)動的基本概念，而且創(chuàng)造了把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理相結(jié)合，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果合理外推的科學(xué)研究方法，為近代科學(xué)研究提供了科學(xué)思維方式和科學(xué)研究方法。

二、讓學(xué)生經(jīng)歷規(guī)律的形成過程，培養(yǎng)學(xué)生的

科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)

在物理規(guī)律的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)規(guī)律，經(jīng)歷規(guī)律的形成過程，使讓學(xué)生對規(guī)律的理解更深刻，也提升了學(xué)生的邏輯推理能力。例如，在萬有引力定律的教學(xué)中，先介紹伽利略、開普勒、笛卡兒、胡克、哈雷等科學(xué)家對引力研究的重要貢獻(xiàn)，牛頓在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)知識推導(dǎo)出了太陽和行星之間引力與距離的關(guān)系及行星的軌跡，提出了萬有引力定律。在教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生沿著科學(xué)家的研究足跡，體會萬有引力定律的推導(dǎo)過程，運(yùn)用牛頓運(yùn)動定律和開普勒行星運(yùn)動定律，結(jié)合圓周運(yùn)動知識，引導(dǎo)學(xué)生把行星的運(yùn)動看作勻速圓周運(yùn)動，讓學(xué)生分析向心力的來源及方向，通過分析，得出太陽為行星的引力提供向心力，引力方向沿著二者連線指向太陽，向心力大小為F=m，行星公轉(zhuǎn)周期為T，則有v=，聯(lián)立得F=，根據(jù)開普勒第三律=k，變形為T2=，代入上式得F=4π2k，可知F與成正比，又根據(jù)牛頓第三定律，行星與太陽的引力F與成正比。接著介紹了牛頓的研究過程：在推導(dǎo)出太陽與行星的引力之后，為了驗(yàn)證地球與月球之間的作用力、地球?qū)μO果的吸引力和太陽與行星間的作用力是同一種力，牛頓推出導(dǎo)月球的向心加速度與蘋果的自由落體加速度之比為=用數(shù)據(jù)證明了上述設(shè)想的正確性，從而得出萬引力定律具有普適性的結(jié)論。

在課堂教學(xué)中，通過創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)置問題讓學(xué)生思考，參與教學(xué)過程，應(yīng)用所學(xué)知識推導(dǎo)萬有引力定律，理解萬有引力定律中各物理量的意義和適用條件以及在日常生活應(yīng)用等。通過教學(xué)過程，學(xué)生不但學(xué)習(xí)了物理知識，也體會了科學(xué)家的研究過程和研究方法，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)精神、科學(xué)探究素養(yǎng)和科學(xué)思維。

三、以物理學(xué)史為線索，揭示原子結(jié)構(gòu)

在原子物理知識的學(xué)習(xí)中，知識點(diǎn)比較多且瑣碎，涉及不同章節(jié)，和光學(xué)及經(jīng)典物理知識相關(guān)聯(lián)。在教學(xué)中，筆者通過梳理科學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)的過程，沿著“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，提出原子結(jié)構(gòu)模型，與實(shí)驗(yàn)或原有理論存在矛盾，進(jìn)一步探索和研究”的思路，引導(dǎo)學(xué)生循著科學(xué)家的研究足跡，體會科學(xué)家的研究方法，認(rèn)識原子的結(jié)構(gòu)。

（一）電子的發(fā)現(xiàn)

首先發(fā)現(xiàn)電子的是物理學(xué)家湯姆孫，他根據(jù)帶電粒子在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況，確定陰極射線就是帶負(fù)電的粒子流，他把這種“微?！泵麨椤半娮印?。發(fā)現(xiàn)電子后，美國科學(xué)家密立根采用油滴實(shí)驗(yàn)測定了電子的電荷值，并根據(jù)荷質(zhì)比，計(jì)算出電子的質(zhì)量。隨著電子的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家繼續(xù)探索原子的結(jié)構(gòu)，提出了不同的原子模型，其中湯姆孫提出了原子的棗糕模型，他認(rèn)為“原子是由正電荷構(gòu)成的一個(gè)密度均勻的球體，電子就像棗糕中的棗一樣鑲嵌在其中”。但隨著科學(xué)家對原子結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究，原子的棗糕模型無法解釋較高速度的電子很容易穿透原子的現(xiàn)象，也無法解釋α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需要做進(jìn)一步研究。

（二）原子的核式結(jié)構(gòu)模型

在研究原子結(jié)構(gòu)的過程中，英國物理學(xué)家盧瑟福做了α粒子散射實(shí)驗(yàn)，用α粒子轟擊金箔，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，只有極少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。在對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)分析后，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，他設(shè)想：原子中帶正電的部分體積很小，幾乎集中了全部質(zhì)量，成為原子核，電子在核外繞核旋轉(zhuǎn)。原子的核式結(jié)構(gòu)模型很好地解釋了α粒子的散射實(shí)驗(yàn)，從而否定了湯姆孫的棗糕模型。但核式結(jié)構(gòu)模型在解釋原子的穩(wěn)定性和原子光譜是明線光譜時(shí)，與經(jīng)典電磁理論發(fā)生了矛盾?！鞍凑战?jīng)典電磁理論：帶電粒子在做加速運(yùn)動的過程中會放出能量，電子的軌道半徑會越來越小，落在原子核上，原子就不穩(wěn)定，而事實(shí)上原子是穩(wěn)定的;核外電子繞核做周期性的圓周運(yùn)動，應(yīng)向外輻射電磁波，其頻率應(yīng)該等于電子繞核運(yùn)行的頻率，若電子的軌道半徑發(fā)生變化，電子繞核運(yùn)行的頻率也會發(fā)生變化，原子輻射電磁波的頻率也會不斷變化，大量原子發(fā)光的光譜就應(yīng)該是連續(xù)光譜。 然而，實(shí)際上原子光譜是由一些不連續(xù)的亮線組成的明線光譜”。

（三）玻爾的原子模型

丹麥物理學(xué)家玻爾認(rèn)為盧瑟福的模型是正確的，但要找到一個(gè)根本性的修正方法，既能說明原子的穩(wěn)定性，又能解釋原子的明線光譜。 在普朗克的量子理論和愛因斯坦關(guān)于光子概念的啟發(fā)下，玻爾將量子概念用到了盧瑟福的原子模型中，并且將原子結(jié)構(gòu)與光譜聯(lián)系起來，提出了玻爾的氫原子模型。這個(gè)模型是以下面兩個(gè)基本假設(shè)為基礎(chǔ)的： “軌道量子化與定態(tài)：核外電子繞核運(yùn)動的軌道半徑是一些不連續(xù)的固定值，電子在這些軌道上繞核運(yùn)動時(shí)不產(chǎn)生電磁輻射，是穩(wěn)定的， 原子系統(tǒng)只能具有一系列不連續(xù)的能量狀態(tài);頻率條件：當(dāng)電子從一個(gè)具有較大定態(tài)能量En軌道躍遷到另一個(gè)較低定態(tài)能量Em軌道時(shí)，原子會以光子的形式放出能量，光子的能量由前后兩個(gè)能級的能量差決定。”

玻爾理論很好地解釋了已知的氫原子譜線，也成功預(yù)言了當(dāng)時(shí)尚未觀察到的紫外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)的譜系。 玻爾理論推廣到類氫原子（鋰、鈉、鉀等）也獲得了很大成功。這樣，終于解開了令人費(fèi)解三十多年的氫光譜之謎，為量子論和原子物理的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但玻爾理論也有局限性：它不能解釋多原子光譜，也不能說明譜線的強(qiáng)度和偏振情況，也與經(jīng)典電磁理論存在矛盾。

在玻爾理論中，既承認(rèn)經(jīng)典理論規(guī)律，把電子看作經(jīng)典力學(xué)中的粒子，在庫侖力作用下繞核做圓周運(yùn)動，又加上同經(jīng)典理論基本概念相矛盾的量子化條件，硬性規(guī)定電子繞核運(yùn)動時(shí)沒有電磁輻射產(chǎn)生，這顯然是矛盾的。玻爾理論解決不了這個(gè)問題，人們期待著新思想的產(chǎn)生。德布羅意在光的波粒二象性的啟發(fā)下，在對玻爾理論以及相對論進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，把波粒二象性推廣到實(shí)物粒子，認(rèn)為實(shí)物粒子具有波粒二象性。電子的波長與微塵等粒子波長不同，如果把電子看成滿足宏觀運(yùn)動規(guī)律的粒子，顯然與事實(shí)不符。隨著量子力學(xué)的建立，德國物理學(xué)家海森堡和玻恩等人對玻爾的氫原子理論進(jìn)行了推廣和改造，使之可以適用于更普遍的情況，物理學(xué)家薛定諤提出了薛定諤方程，使玻爾理論的局限性得以消除。

原子物理知識的章節(jié)小結(jié)和高考復(fù)習(xí)中，以物理學(xué)史為線索，引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)知識進(jìn)行歸納和總結(jié)，將科學(xué)家對原子結(jié)構(gòu)的探索過程作為線索，梳理知識：湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，否定了原子不可分割理論，建立了棗糕模型;盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)與棗糕模型出現(xiàn)矛盾，說明棗糕模型是錯(cuò)誤的，從而提出了核式結(jié)構(gòu)模型，但用經(jīng)典電磁理論無法解釋核式結(jié)構(gòu)模型，說明核式結(jié)構(gòu)模型不完善;玻爾為了解釋原子穩(wěn)定性和氫原子線狀譜產(chǎn)生矛盾，提出了玻爾的原子模型，玻爾模型也有其局限性，需要進(jìn)一步研究和探索，隨著對粒子的波動性和量子力學(xué)的深入研究，玻爾理論的局限性得以消除。通過梳理，使學(xué)生理清了的知識脈絡(luò)與結(jié)構(gòu)，取得了很好的教學(xué)效果。

物理學(xué)史是物理教學(xué)中的重要內(nèi)容，發(fā)揮物理學(xué)史在教學(xué)中的作用，引導(dǎo)學(xué)生理清知識脈絡(luò)，體驗(yàn)知識的生成過程，學(xué)習(xí)科學(xué)家的研究方法和科學(xué)態(tài)度，能達(dá)到理解知識，學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的效果。

【參考文獻(xiàn)】

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