挖掘物理学史的内涵在物理教学中渗透人文教育

王凌云 丁庆红

(1.北京市石景山区京源学校,北京 100040;2.北京教育学院石景山分院,北京 100043)

物理教材在介绍一些物理学史的时候,往往很简单,例如“奥斯特在一次偶然的机会,发现了电流的磁效应”,“法拉第经过十年的研究,发现了电磁感应现象”,学生看到这里总感觉“他们的运气真好”,或者“课堂上几分钟就讲完的内容怎么用了十年时间,用这么长的时间做什么”,甚至一提到某位科学家,例如亚里士多德,学生就觉得这人是笨蛋,怎么什么都是错误的,他们并不了解,亚里士多德在历史上的地位,是一丑遮百俊,而一提到牛顿、爱因斯坦,就觉得完美得令人仰视,从一个极端走向另一个极端.

因此,在物理教学中,我们需要对物理发展的历程做一些补充,充分利用物理学史的内容进行人文教育,一方面吸引学生,激发他们对物理的兴趣;另一方面,使学生对物理的发展有一个正确的认识,对科学家有一个正确的了解,从而开阔学生的视野,使学生在学习物理知识的同时,还能悟“理”,悟思考之理、悟为人之理、悟世间之理.在教学难度大,抽象思维、逻辑思维能力要求较高时,学生的学习方式是积极的还是懒惰的,是坚忍不拔的还是畏怯退缩的,与人文精神有很大的关系.所以在物理教学中,需要进行一些人文教育.

以下是笔者在物理教学中对教材的一些补充,以及利用物理学史渗透人文教育的一些尝试.

(1)思想上的进步.

理科班的学生在学习政治学的时候,总不感兴趣,尤其在学习方法论的时候,体会不到这有什么用处.在学习牛顿运动定律时,可以抓住时机,使学生明白,哲学是使人聪明的学科,科学源于哲学,牛顿的巨著还叫做《自然哲学的数学原理》.在一些表面看起来无关的物理现象被发现可以相互转化后,人们利用联系的观点去审视各种现象,这也引发了物理研究的一个又一个进步,促进了社会的发展.

材料1:奥斯特真的是偶然发现电流的磁效应吗？

奥斯特早在读大学时就深受康德哲学思想的影响,认为各种自然力都来自同一根源,可以相互转化.富兰克林曾发现莱顿瓶放电后钢针可以被磁化.奥斯特据此认为电和磁之间存在必然的联系,在一定条件下,电可以转化为磁.奥斯特仔细地审查了库仑的论断,发现库仑研究的对象全是静电和静磁,确实不可能转化.他猜测,非静电、非静磁可能是转化的条件,应该把注意力集中到电流和磁体有没有相互作用的课题上去.奥斯特推测,直径较小的导线通过电流时会发热,通电导线的直径再小一些,就有可能发光,当导线的直径进一步缩小到一定程度时,电流或许会产生磁效应.他猜测,如果电流能够产生磁效应的话,这种效应能像电流通过导线时产生热跟光那样向四周散射,是一种横向作用.因此,将小磁针放在载流导线的侧旁,有可能观察到这种现象.

1819年上半年到1820年下半年,奥斯特一面担任电、磁学讲座的主讲,一面继续研究电、磁关系.1820年4月的一天,他利用铂导线、小磁针设计了一个实验,但因其他事情没有立即做这个实验.当天晚上的课堂上,奥斯特感到这个实验有可能成功,抱着试试看的心情做了一次实验.他把一条非常细的铂导线放在一根用玻璃罩罩着的小磁针上方,接通电源的瞬间,发现磁针跳动了一下.这一跳,使有心的奥斯特喜出望外,但是因为偏转角度很小,而且不很规则,这一跳并没有引起听众注意.以后,奥斯特花了三个月,做了许多次实验,发现磁针在电流周围都会偏转.在导线的上方和导线的下方,磁针偏转方向相反.在导体和磁针之间放置非磁性物质,比如木头、玻璃、水、松香等,不会影响磁针的偏转.1820年7月21日,奥斯特写成《论磁针的电流撞击实验》的论文,讲述了他的实验装置和60多个实验的结果,正式向学术界宣告发现了电流磁效应.

可见,奥斯特是在一直寻找着电流的磁场,他也经历了很多研究过程,查阅资料、反复试验,因为他是一个有准备的人,一个微弱的现象,才能被他牢牢地抓住,转化为一个伟大的研究结论.说是偶然发现,也蕴含了必然的结果.这正是“在观察的领域里,机遇只偏爱那些有准备的头脑！”

材料2:克拉顿真的是缺少一个助手吗？

在法拉第研究磁生电现象的同时期,也有很多科学家研究这一问题.教材中也有介绍,例如克拉顿,他把线圈放在一个屋子,把检验用的导线、小磁针放在另一个屋子.实验时他把磁铁插入线圈,再跑到另一个屋子去看小磁针是否偏转,结果没有观察到电磁感应现象(如图1所示).讲到这个故事的时候,多数学生会笑话克拉顿.当问到克拉顿为什么没有观察到电磁感应现象时,很多学生说“他应该找一间大屋子做实验”、“他应该找一个助手帮助他”、“他在墙上开一个窗户就行了”,笔者认为并非如此,可以反问学生,克拉顿为什么要这样安排设备,难道找不到一间大屋子吗？难道克拉顿就找不到一个助手吗？笔者认为当时很多科学家,包括克拉顿,都认为磁生电是一个稳定的状态,因为电流产生的磁场就是一个稳定的磁场.一个人有了什么样的思想认识,就会做什么样的事情.因为电生磁是一个稳定的状态,人们就认为磁生电也是稳定的状态.笔者认为克拉顿的失败更多的是他没有意识到磁生电是一个动态过程.那么我们在学习中是不是也有类似的现象呢？

图1

材料3:推广楞次定律的“阻碍变化”.

楞次定律的表述很让学生感到别扭,“感应电流的磁场,总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化”,但是楞次定律的表述“阻碍变化”具有普遍意义,在各个学科中都有体现.如果向学生多介绍一些相关的内容,不仅仅是体现“联系”的观点,更多的是给学生不一样的体会.

例如历史上各个时期的变法运动,从商鞅变法到百日维新,总是会引起原有阶层人物的反对,这就是“阻碍变化”的表现.在生活中,天热了,我们会穿轻薄的衣服,天气变冷了,我们就会穿上棉衣毛衣羽绒服,就是“阻碍变化”,减小外界变化对我们的影响,甚至在生物进化中也有类似的现象.心理学也有逆反的现象,你让我那么做我偏不那么做,偏要和你唱反调,这也是在“阻碍变化”.甚至化学中有一条规律,是勒夏特列原理,如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、压强或温度等),平衡就向能够减弱这种改变的方向移动.它的表述与楞次定律有异曲同工之妙.这些不同学科的表现,正是对“联系”观点的印证.

(2)粒子加速器中问题的延伸.

在《物理》选修3－1第3章磁场部分,学习回旋加速器的时候,教材中提到,“回旋加速器加速的带电粒子,能量达到25～30MeV后,就很难再加速了.由于相对论效应,粒子的质量随着速度的增大而增大,而质量的变化会导致回转周期变大,从而破坏了与电场变化周期的同步.”

之后教材就没有后续情况的介绍了.这时就可以请学生思考,能否解决这个问题,提出解决的思路.一般情况下,学生能提出改变电场的变化周期,增大电场的变化周期,使之与粒子的回转周期相同,或改变磁场的磁感应强度B,根据回转周期公式使B与m有相同的变化情况,从而保证粒子的回转周期与电场变化周期同步.顺着学生的思路,就可以进一步介绍科学家们的改进.为了对原子核的结构作进一步的探索和产生新的基本粒子,必须研究建造更高能量的粒子加速器.

如等时性回旋加速器:将加速器磁场的强度设计成沿半径方向随粒子能量同步增长,则能将质子加速到上百MeV.同步回旋加速器:高频加速电场的频率随加速粒子能量的增加而降低,保持了粒子回旋频率与加速电场同步.同步加速器:使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹,但维持加速场的高频频率不变.

自此,加速器的建造解决了原理上的限制,但提高能量受到了经济上的限制.随着能量的提高,回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁铁重量和造价急剧上升,提高能量实际上被限制在1GeV以下.

使用加速器做高能物理实验,一般是用加速的粒子轰击静止靶中的核子,然后研究所产生的次级粒子的动量、方向、电荷、数量等,加速粒子能参加高能反应的实际有用能量受到限制.如果采取两束加速粒子对撞的方式,可以使加速的粒子能量充分地用于高能反应或新粒子的产生.1960年意大利科学家陶歇克首次提出了这项原理,并建成了直径约1m的对撞机,从此开辟了加速器发展的新纪元.

现代高能加速器基本都以对撞机的形式出现,对撞机已经能把产生高能反应的等效能量从1TeV提高到10～1 000TeV,这是加速器能量发展史上的又一次根本性的飞跃.随着加速器能量的不断提高,人类对微观物质世界的认识逐步深入,粒子物理研究取得了巨大的成就,能够研究更细微的粒子,使得微观世界的研究与宇宙学的研究有了相同之处,就像一条蛇咬住了自己的尾巴.

在《物理》选修3－2第4章电磁感应中,在讲到电子感应加速器的时候,在教材例题的基础上,可以让学生判断,在感生电场和磁场共同作用下,电子可能的运动形式.当带电粒子处在一个逐渐增强的磁场中做圆周运动时,就会产生向心运动,从而形成一个中心存在较强电场,周围出现逐渐张开的旋臂的涡旋电场.以此为基础,有人推断宇宙中的星系的旋臂、台风的漩涡云图(如图2所示)的形成过程可能与漩涡电场有关.把一个抽象的问题与一些实际生活中的现象联系起来,既能加深学生印象,降低理解的难度,也能给学生以新的感受,激发学生的学习兴趣.

图2

(3)科学家的故事.

教材中涉及很多出色的物理学家,学生耳熟能详的法拉第、安培、牛顿等,也有学生不太熟悉的特斯拉、奥斯特、韦伯、亨利、麦克斯韦等.熟悉的科学家,学生总觉得他们很伟大很完美,不熟悉的科学家则表示很惊奇,“他也是一位科学家”.介绍一些科学家的成就或轶事,缓和一下紧张的教学过程,让学生了解一些科学家的另一面,通过小故事,体会研究的过程;分析科学家的得与失,获得一些新的感悟;介绍科学家的成就与生平,树立学生追求的理想.

材料1:法拉第的故事.

法拉第以发现电磁感应现象而著称于世,十年辛苦,研究多种情况下的电磁感应,除了研究了五种情况下会产生电磁感应现象,法拉第还有一些实验没有成功,通过分析这些实验的得失,适时引导,也能给学生以激励.

例如在1839年,法拉第根据其电磁感应原理,设想出了一个思想奇特、气势恢宏的实验,即在伦敦泰晤士河的滑铁卢桥上,沿着桥上的栏杆拉了一条320米长的电线,电线两端各系一块铜板,沿垂直方向沉入水中.电线、铜板和泰晤士河的流水三者构成一个电流的闭合通路,在电线中间接上电流表.流动的河水可以看作运动的导体,它们在地球的磁场中运动,切割磁感线.根据法拉第发现的电磁感应原理,回路中就会感应出电压,应该能够看见电流表指针的偏转.从而实现直接利用大自然的力量发出电来的理想,为人类所用.法拉第的这个奇特实验,一连在滑铁卢桥上紧张地进行了3天,吸引了无数看客,然而却一无所获.后来他又进行探索,进行多次实验,但由于时代条件的局限,直到法拉第告别人世时,这项奇特的实验也一直未能成功.

为什么法拉第没有成功？这时可以让学生进行一些猜测与判断,通过分析法拉第此实验的得失,体会到科学家的成功,不仅仅依靠正确的理论或猜想,实际条件也要满足要求,满足要求的环境与设备也是必需品.我们以后不管在什么样的大学继续深造学习,理论内容可能差不多,但是环境与设备的不同,也会造成不同的发展.

材料2:约瑟夫·亨利的贡献.

自感系数的单位是用美国科学家约瑟夫·亨利(如图3)的名字命名的.约瑟夫·亨利也是一个大科学家,有很多发现与发明,例如电磁感应现象、自感现象、电子打火的原理、继电器、改进的电磁铁等等.

由于他生活在美洲大陆,远离当时的科学中心欧洲,在个人名誉上有一些损失,但是亨利另一方面的贡献非常突出.约瑟夫·亨利推动了美国的科学研究.当时美国的科学界普遍存在着重视技术发明而忽视基础理论科学研究的倾向.大量优秀人才涌向技术领域,使得本来就落后的基础理论研究更难以振兴.亨利开始担任科学领导工作后,便一直致力于促进实用技术发明与基础科学理论的协调发展.亨利支持开创性的研究,创立全国性的科学学会,请欧洲著名的学者来讲学.亨利虽然未能影响整个科学的发展进程,然而他所从事的科学组织工作却改变了整个美国的科学研究现状,为20世纪世界科学中心从欧洲向美国的转移准备了良好的条件.

图3

约瑟夫·亨利说:“机械工艺能够唤起所有依赖它们获得生活必需品或奢侈品的人们的好奇心和兴趣……人们觉得这些工艺对于国家和个人都是非常有意义的东西.但是,如果没有适当的科学知识对于这一目的的应用,它们一定永远保持静止或者进展极其缓慢.”

学生学习物理也有类似的现象,如果基本原理基本方法不明确不清晰,无论再怎么学习解题技巧、题型归类,也不会有很大的提高,偶尔会有起色,但“一定永远保持静止或者进展极其缓慢”.

物理的小故事很能吸引学生,也能给学生留下深刻的印象,让学生有新的体会.新课程关注学生的全面发展,课堂教学应弘扬物理学的科学精神和人文精神,应寻找真善美,应体现科学精神与人文精神的统一.物理教学更应促使学生更好地理解、评价、欣赏科学事业,激发学生探究科学的热情、勇气与欲望,培养其坚忍不拔的意志和品质.

深入挖掘物理学史的内涵,可以使学生了解孕育时期的科学发展规律,了解科学思想的诞生历程,了解科学家的创造性思维、逻辑思辨能力的形成过程.而物理教学就是要教会学生“一些事物是怎样被了解的,什么事情是已知,现在了解到什么程度(因为没有事物是绝对已知的).如何对待疑问和不确定性,证据服从什么法则,如何去思考事物、作出判断,如何区别真伪和表面现象(费曼语).”在物理教学中弄清物理概念、物理规律的建立过程有助于学生探索精神、创新能力的培养.物理学的魅力不仅在于物理知识本身,更在于它的科学思维方法、研究方法、科学素质和创新精神.物理教学要培养学生自己获得知识的能力,就要让学生从物理规律的发现过程得到启迪,学会思考,学会探索.因此物理教学的重点应该使学生领悟理论规律的发展历程,它起始于哪里,过程如何,怎样突破等等,让学生感受物理学家的思路历程,使学生学会思考、学会应用、学会创新.