追根求源寻自然 咬文嚼字学物理

张协成 王若智

高中物理教学，一直是中学学科教学中的难点。这其中的重要原因，是高中物理在知识结构的全面性和完整性、思维特点的抽象性和逻辑性、解题要求的的推理性和发散性、实验分析的量化性和推论性等方面，与初中物理相比，在质和量的方面，都有了更高的要求和标准。但是，在高中物理教学，特别是高中物理定义、概念和规律的初始教学中，我们很多老师，只教学生物理知识是什么，不指导物理知识是怎么产生的；强调物理概念（和规律）的内涵和外延，忽视物理概念产生（和规律发现）的社会、经济、科学和技术发展的背景，忽视物理概念产生的人文背景；重视物理习题的解题过程和技巧，而忽视物理认识的前因后果，造成学生对高中物理的认识和理解，“只知其然，却不知其所以然”，甚至在很多学生意识中培植下“物理难，是物理学科的特点”的必然思想。

十余年来，我们在高中物理教学中，试探着从物理知识产生、物理规律发现的源头上追根求源，在物理定义的方法、物理概念的描述中咬文嚼字，有效地降低了学生学习物理的畏难情绪。

现举几例论证说明，以求广大同仁指正。

1从汉字的源头学物理

学习物理，较早遇到的一个概念当属“力”。初中物理对“力”的定义是：力是物体对物体的作用；高中物理对“力”的定义：力是物体间的相互作用。如果再深入一点，我们对力的描述通常用三句话：力是物体之间的相互作用；力能使物体产生加速度；力能使物体发生形变。

我们知道，定义是对于一种事物的本质特征或一个概念的内涵和外延所作的简要说明。比如速度可以如下定义：运动物体的位移和产生此位移所用时间的比叫物体运动的速度。可以看出速度是用位移和时间两个简单的概念来描述的。

若不假思索，“力”的定义好像很简单。但略一深究，问题就暴漏出来了——什么才叫“物体之间的相互作用”？什么叫“作用”呢？比如，老师批评学生说：“我已经说过你多少次了，怎么对你毫无作用？”这也是力吗？当然不是。

这就是说，学生对“力”是什么，认识其实是很含糊的。

在长期的物理教学探索中，我们发现，对于有些物理初始概念的教学，若从汉字产生的源头上寻找根由，可以实现物理初始概念教学的重大突破。

大概在进入夏纪年之际，先民们在广泛吸收、运用早期符号的经验基础上，创造性地发明了用来记录语言的文字符号系统，在那个时代，汉字体系已经成熟起来。

殷墟遗址发现的商代文字，在造字方式的结体特征之一，就是以劳动创造物和劳动对象为构字的基础。如“力”字，就是个象形字。

从上述字形我们不难看出，“力”字无论如何演变，都颇像农具中的犁形或权形，上部为犁把或权把，下部为耕地的犁头或铲柴草的杈排，犁或权，有柄有尖，用以耕地或铲柴草。

也就是说，我们的先人很早就意识到，在用犁头耕田、拿权把铲柴草的过程中，就存在着“力”。这样，“力”的概念——物体对物体施加作用的过程中，就建立起来了！

诸如此类，“光”、“热”、“电”、“功”、“原子”等，人们通常“只可意会不可言传”的概念，仿照这种教学思路，我们都可以实现对这些原始的、抽象概念在初始认识与理解的突破。

2“镭射”原来是“激光”

上世纪80年代初，曾几何时，在我国的大街小巷，各种电器商城、影院、迪厅，无不炫示着“镭射音响”、“镭射唱盘”的广告招牌。“镭射”，一时成为现代化、酷时尚的代名词。

“镭射”是什么？从字义上理解，很多人误认为它与放射性相关，因而对“镭射音响”、“镭射唱盘”畏惧不已

“镭射”——Laser，中文港台地区译名“莱塞”，大陆地区译名“镭射”。它是英文light amplification by stimulated emission of radiation的首字母缩写，意指受激辐射的光放大。名字虽然很具体，但太长不好记。

1964年，钱学森致电长春光机所《受激光发射情报》编辑部，建议将“受激辐射的光放大”改成了“激光”；同年，我国物理学界在上海开会，这一具有中国特点的科学名词便被国内学人正式采纳。《受激光发射情报》也顺势更名为《激光情报》（后随科技形势的发展，多次更名，成现在的《激光与光电子学进展》）。

现在，广大中华学人对“激光”这一简约明快、直观形象名词，耳熟能详。

目前，除了大陆地区，其他使用中文的地方仍然叫镭射、莱塞。

噢，原来“镭射”是“激光”！

在高中物理教学中，如果我们适时插入像“激光”名词创生和变迁的花絮，就会让学生感到物理概念也并不那么深奥难测，物理规律并不那么什么无理无据。物理研究是富有情趣的，物理认识也是富有诗意的。

在此基础上，我们再与学生一起认识激光的产生，探究激光的原理，构建激光器的结构，拓展激光的应用，就会像诗人身入深山幽谷，心生探幽揽胜之情，渐入教学佳境。这样，我们的物理课堂教学，也会自然而然，顺心随意，有效高效。

3“简谐运动”就是“简单而和谐的运动”

简谐运动，顾名思义，就是“简单而和谐的运动”。简单，和谐，恰恰是物理美学的基本特征。

牛顿曾说：自然界喜欢简单，不爱用多余的原因夸耀自己。爱因斯坦也把简约当作鉴别科学理论的重要美学标准。他曾说：要通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到科学的目的。

物理学的简单性并不是指物理内容本身简单，而是具有深刻的物理内涵；物理量的关系及运算给人简洁明快之感；一个理论的假设条件很少，而概括的经验事实或演译出的推论却很多。同时，一个具有简单美学属性物理学理论，必然与数学结合得完美统一。也就是在说，具有美学属性的物理学规律，一定能用一个简单的数学公式去表述，一定能用完美的图像去描绘。

当质点作简谐运动时，质点的动力学、运动学规律，及其数学描述方式，必然具有以下几方面的特点：

①质点所受的力跟位移成正比，并且总是指向平衡位置，即F=-kx。

反过来，如果我们发现质点受力与位移满足F=-kx的关系，那么，我们就可以肯定地说，这一运动，就一定是简谐运动。

②它是一种由自身系统性质决定的周期性运动，如单摆运动和弹簧振子运动。

周期运动一个突出特点就是对称性。而对称性是物理美的另一主要特征。

美和对称紧紧相连。对称，既有空间对称又有时间对称。因此，处理简谐运动的问题，周期性和对称性，是我们考虑的首选的方法和观点。

③简谐运动的图象，一定是正（余）弦图象。

反过来，如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即它的振动图象（x-t图象）是一条正（余）弦曲线，这样的振动一定是简谐运动。

这样，根据数学性质，我们也可以把任何一个实际的简谐运动设想为一个匀速圆周运动的投影（因为作匀速圆周运动的质点，其投影的运动是简谐运动），这个设想的圆周叫参考圆。如图1所示，它以简谐振动的平衡位置O为圆心，以简谐振动的振幅A为半径，以简谐振动周期T为周期，它的角速度ω=2π/T。

同理，我们可以通过对参考圆的讨论来推导出简谐运动的位移、速度、加速度与时间的关系。

这样，从物理美学的角度，确定简谐运动的研究方法，探寻简谐运动各物理量间的关系，就使这一教学难点，变得自然而然、简单直接了。

4动量、动能的“同”与“不同”

动量和动能，都是度量物体运动大小的物理量。而且，它们对运动进行度量时，都用到物体的质量（m）和运动的速度（v）这两个物理量。

那么，为什么既要引入动量，又要引入动能呢？这是高中物理教学中，经常被人们忽视，并且是困扰很多师生的一个教学难点。在动量和动能这两个概念的教学中，若只讲动量和动能在公式表述形式上的区别，而不讲它们在研究对象和物理本质上的异同，其结果是学生只知其然，却不知其所以然，虽然会解题了，但他们却不知道为什么要这样解题。

原来，在17～18世纪，由于“力”的概念还不能完全确定，对力的各种效应以及与之相应的各个物理量的意义和使用范围也是不清楚的，因而引发了物理学史上著名的笛卡儿学派和莱布尼茨学派关于力的正确表示方法的一场旷日持久的争论。

当时，人们常把力同现在所说的力矩、动量、功、动能等物理量相混淆，习惯于把外加的力称为“运动的力”；把“物体的惯性”称为“物质固有的力”、“阻抗的力”。

笛卡儿学派认为，所谓“运动的力”，就是指一个正在运动的物体所具有的使另一物体运动的能力，如推开物体或迫使它向前运动，或者运动物体克服障碍和阻力的能力。那么，这个力决定于哪些量呢？最初，伽利略就认识到“推动者或阻挡者的力（动量）并不是一个简单的概念，它是由两个共同决定运动量度的观念所决定。其一是质量，其二是速度”；笛卡儿在研究碰撞的过程中，沿袭了伽利略的观点，提出应该把物体的质量和速度的乘积作为“力”或物体“运动多少”的量度；1687年，牛顿在他的《自然哲学的数学原理》中明确提出了动量的定义，提出在物体的相互作用中，动量这个物理量反映着物体运动变化的客观效果。这样，把动量作为运动的量度，一度得到了科学界的普遍承认。

莱布尼茨在他的论文中，对笛卡儿学派的这个量度方法提出了批评。他认为：“力必须由它所产生的效果来衡量，例如用它能将一个重物举起的高度来衡量……”，他由此得出，应该用量值mv²来量度物体“运动的力”。

后来根据科里奥利的建议以1/2mv²代替mv²，这就是后来所说的运动物体的动能。

莱布尼茨也看到了笛卡儿提出的运动的量度在某些情况下是适用的，因此在1696年莱布尼茨指出，“力”有两种，一种是“死力”，另一种是“活力”。“死力”存在于相对静止的物体间，如吊绳的拉力、桌面的支撑力等。“死力”可用物体的质量和该物体由静止状态转入运动状态时所获得的速度的乘积来量度，所以，动量（mv）是“死力”的量度；1/2mv²就是物体的“活力”的量度，正是由于自身具有这种“活力”，物体才能运动而永不静止。

莱布尼茨也看到，在有些情况下，如非完全弹性碰撞中“活力”会减少，但实际上“活力”并没有损失，而只是被物体内部的微小粒子吸收了，微粒的活力增加了。

19世纪中叶以后，自然科学家们仍然没有从运动量度的这场争论的混乱中完全摆脱出来。恩格斯根据自然科学的最新成就，尤其是能量守恒与转化定律的发现，提示了两种量度的本质区别。

恩格斯指出，在不发生机械运动“消失”而产生其他形式的运动的情况下（如简单机械在平衡条件下的运动传递，完全弹性碰撞的运动传递等），运动的传递和变化都可以用动量mv去量度。就是说，“mv表现为简单移动的，从而是持续的机械运动的量度”；但当发生了机械运动“消失”而其他形式的运动产生，即机械能和其他形式的能（包括势能、内能、电磁能、化学能）相互转化的过程中、运动的传递和变化都应以1/2mv²去量度。在这里，1/2mv²表现为已经消失了的机械运动的量度。

这样，恩格斯便得出结论：机械运动确实有两种量度，每一种量度适用于某个界限十分明确的范围之内的一系列现象。一句话，动量（mv）是以机械运动来量度的机械运动；动能（1/2mv²）是以机械运动转化为定量的其他形式的运动的能力来量度的机械运动。

5法拉第电磁感应定律发现的偶然和必然

关于法拉第电磁感应定律的发现，我们不少的教科书，几乎都会绘声绘色地这样介绍：1820年，奥斯特发现电流磁效应后，根据电和磁的对称性，有许多物理学家便试图寻找它的逆效应，提出了磁能否产生电的问题。

英国科学家法拉第是“磁电对称”思想的积极支持者，法拉第坚信，很强的磁场，一定可能会在邻近的闭合电路感应出电流。在这种信念的支持下，他进行了长达10年的艰苦探索。他做了多次尝试，经历了一次次失败，1831年他终于发现了电磁感应现象。

很多励志书，也多把法拉第的这种“在坚定信念支持的坚守”，总结为“机会和成功总属于有准备的人”。

但是，法拉第究竟怎样终于成功的，并没有真正揭示出来。学生对于法拉第为什么会成功，像梦幻一般，认识朦胧，不知究竟是偶然还是必然。给物理发现增添了一种神秘感，使学生学习物理添加了一种困难。

其实，在1820年到1931年的十年间，法国著名物理学家安培、菲涅耳、阿拉果，瑞士年轻科学家沃拉斯顿等，都投身于磁生电的研究中去。他们用各种方法产生强磁场，希望发现磁生电的途径，但都无功而返。究其原因，都是由于思想方法上的局限性，受思维定势的影响。他们认为，奥斯特的磁效应是一种稳定效应，因此在研究磁生电时，也都是从稳定条件出发，而没有考虑到这是一种动态效果。

1820年，阿拉果得悉奥斯特发现电流的磁效应后，亲自访问了日内瓦的实验室，验证奥斯特实验结果；又在巴黎重复此实验，发现软铁的瞬时磁化；1822年，他和洪堡测量格林威治附近小山的磁场强度时，注意到磁针附近的金属物对磁针的振动有阻尼作用，他考虑是否存在逆效应，即旋转的铜盘能带动附近的磁针转动，但磁针的旋转与铜盘不同步，稍滞后。

电磁阻尼和电磁驱动是最早发现的电磁感应现象，但当年阿拉果并没有认识到。

同年，安培为了验证他的分子电流假说，安培又设计了这样一个实验。其实验装置如图2所示，a是一个固定在支架上的线圈，由很多匝导线绕成并与电池连接；b是一个由很细的铜条弯成的铜环，并用一根穿过线圈的细线L把铜环悬挂在O点，铜环正好在线圈b中且使两者同心。将一个强磁体放在铜环附近。在未接通电流时，铜环与线圈之间没有相互作用，当线圈中通以电流时，发现铜环发生了偏转。安培认为，在电流通过线圈时，在铜环中感应出了分子电流，铜环被磁化了，铜环的偏转是由于强磁场对磁化了的铜环作用的结果，他竟没有发现环中出现了电流，更未意识到这一电流就是感应电流。

1823年，瑞士物理学家科拉顿曾企图用磁铁在线圈中运动获得电流。他把一个线圈与电流计连成一个闭合回路。为了使磁铁不至于影响电流计中的小磁针，特意将电流计用长导线连后放在隔壁的房间里，他用磁棒在线圈中插入或拔出，然后一次又一次地跑到另一房间里去观察电流计是否偏转。由于感应电流的产生与存在是瞬时的暂态效应，他当然观察不到指针的偏转，发现电磁感应的机会也失之交臂。

那么，究竟是什么因素引导法拉第迈进电磁感应发现的大门？

原来，就在1822年，阿拉戈和吕萨克发现当有电流通过其中有铁块的绕线时，它就能使绕线中的铁块磁化。这就是电磁铁的雏形；1823年，英国人斯特金将一根并非是磁铁棒的U型铁棒绕了18圈铜导线，将线接通伏打电池后，U型铁棒就变成了一块更强“电磁铁”。它能吸起比自身要重20倍的铁块，而当电源切断后，U型铁棒就完全没有了磁性，回归为普通的铁棒；1829年，美国电学家亨利对电磁铁装置进行了一些改革，他用绝缘导线代替裸铜导线。导线有了绝缘层，它们就能一圈圈地紧紧地绕在一起，因为线圈越密集，产生的磁场就越强，这种方法就大大提高了电磁铁的效能。

随着科学技术的发展，电磁铁在工业生产中的应用价值，愈来愈得到人们的重视。

苦苦寻找电磁感应途径的法拉第，于1825年左右，也转向投身于电磁铁的研究和应用。

法拉第想，既然U形电磁铁的磁性比条形电磁铁的磁性强得多，那么，环形电磁铁的磁场是否应该比u形磁铁的磁场更强呢？

正是“有心插花化不开，无心栽柳柳成荫”，1831年8月，法拉第的实验终于得到了突破性进展。环电磁铁失去了外线的磁性，但是，却发现了感应电流！

法拉第的实验大致是这样设计的：

在一个铁环上绕有A、B两组线圈，如图3所示，B线圈抽头接成闭合回路，A线圈两端接于电池组。在一次实验时他突然想到，每次将电池接通后才去看指针是否偏转，会不会是把电流表放得太远了。法拉第抱着试一试的心情把电流表放在眼前，结果当电源接通时，电流表指针立即发生明显的摆动，而切断电流时指针向方向相反摆动，这表明线圈B中出现了感应电流，这就是著名的法拉第圆环实验。

这一实验使法拉第豁然开朗：由于磁感应电的现象是一种暂态效应。发现了这一秘密后，他设计了另外一些实验，并证实了自己的想法。就这样经过近10年的思考与探索，终于发现了电磁感应现象，找到了电磁感应现象产生的条件。1831年11月24日，法拉第向英国皇家学会报告了整个实验的情况，并把这种现象正式定名为“电磁感应”。

这样，潜心发掘物理学史素材，精心链接物理发现的史实，使学生认识到物理发现既具有偶然性，又具有必然性，从而破解了物理发现的神秘莫测感。显然，这对降低物理教学难度，是一贴良方。

实践证明，在高中物理教学，特别是初始概念和规律教学中，追根求源，咬文嚼字，对增强学生物理学习兴趣，降低物理教学难度，是有一定的裨益的。