展现物理学发展史培养高素质中学生

福建省诏安第一中学(363500)

沈哲元●



展现物理学发展史培养高素质中学生

福建省诏安第一中学(363500)

沈哲元●

物理教学不仅是要应付高考，更重要的是让学生认识、探究世界.其中通过展现物理学史，认识先人探求真理的历程，既让学生掌握物理知识，又学会解决问题的方法，可谓一举多得.同时在联系物理学史的过程中，可以进一步阐述马克思主义哲学的世界观和方法论，把理科知识和文科知识紧密联系在一起，把学生培养成高素质的人才.本文想利用一定篇幅做一些物理和哲学交融的论述，请同行雅正.

物理学史；物理问题的思想方法；物理学史与世界观；中学生科学素养

一、经典力学：科学思维和实验研究

在16世纪以前人们对自然的认识来自生活经验，最典型的是亚里士多德的力是维持物体运动的原因，当时的人问他：为什么抛出去的石块离开手了，还能继续向前运动.他的回答是：自然界害怕真空，石块运动过后留下真空，必然有力对其作用.人们问他：苹果从树上掉了，为什么都落到地面.他的回答很拟人化：苹果和人一样都想回家，落下地面就是苹果回去它的家.推翻亚里士多德错误观点，最有驳斥力的是伽利略论述的理想斜面实验，他通过科学实验，再进行合理外推得出物体的运动不需力来维持.而对苹果落地的研究使牛顿发现了万有引力定律.我们的教学不是要引导学生批判亚里士多德，而是要引入研究物理问题的正确方法，那就是伽利略和牛顿的思想方法：把科学思维和实验研究正确地结合在一起，再通过数学提炼出定律.

牛顿结合前人对力学的研究成果，在自己创造性地劳动下总结了牛顿三大定律，和万有引力定律，以及其它成果，标志着经典力学体系初步建立.至此实现了物理理论的第一次大综合，经典力学理论的建立是天文学、数学、和力学历史发展的产物，也是牛顿创造性研究的结晶.但是谦虚的牛顿说过：如果我看的更远那是因为站在巨人的肩上.我们不仅要学习物理理论，更要通过物理学史教给学生研究物理问题的方法，还有物理学家的钻研精神和博大的胸襟.

二、电磁学：普遍联系和变化发展

电磁学的发展归功于伏打电堆(电池)的发明，电池的发明提供了产生恒定电流而非瞬间电流的电源，从而进入研究电流各种效应，包含电流磁效应的新时期.中学数学、物理老师欧姆发现欧姆定律，奥斯特发现了电流的磁效应.安培研究电和磁之间的相互作用，奠定电动力学基础.奋发自学成才的实验物理学家法拉第，辩证的认为既然电能够产生磁，磁也必将能够产生电.终于经过十年(1821-1831)的努力发现了电磁感应.而麦克斯韦则继承了法拉第的力线思想，坚持近距作用，同时又正确地吸取了安培代表学派电动力学的成果.用一套方程组概括电磁规律，建立了电磁场理论，预测了光的电磁性质，终于实现了物理学史上又一次大综合.

这次物理史上的大综合，还直接影响到人们的世界观和方法论.马克思主义哲学的事物是普遍联系的，事物是变化发展的.应该受到自然科学研究成果的影响，当然马克思主义哲学还能从自然科学的成果找到例证.而马克思主义哲学的对立统一规律，在光学研究中关于光的本性的争论中更得到淋沥尽致的体现.

三、光学：对立统一

牛顿在光学方面，通过一系列色散实验，完成了把白光分解成单色光，又把单色光组合成白光的过程.他下结论说：光本身是一种折射率不同光线的混合物.并进一步假设：如果假定光线是发光物质向四面八方发出的微小物体，那么当这些微小物体碰撞任何折射或反射面时，一定象石子抛入水中情形一样，也必然在以太中激发出振动.并且按照这些振动的大小和混合情况而产生不同的颜色感觉.因此，牛顿最初是企图把微粒说和波动说结合起来解释光的色散.当然牛顿较倾向于微粒说，认为光可能是微粒流.

主张波动说的早期科学家有笛卡儿、胡克、惠更斯等.但是他们的理论很不完善，不能解释很多的光现象.波动说的复兴首先归功于医生托马斯·杨，他发展的波动理论成功地解释了干涉现象，并由他设计的双缝干涉实验，提供例证.但却引来微粒说学者的围攻，一二十年间，竟没有人理解托马斯·杨的工作.托马斯·杨为回驳他们而撰学的论文竟无处发表.继续托马斯·杨的研究的是一位工程师菲涅耳，他在法国科学院的一次悬奖征文中(本次征文的本意是鼓励用微粒理论解释衍射现象)，他从横波观点出发圆满地解释光的偏振，并用半波带法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射条纹，推出的结果与实验符合的很好.评奖委员泊松在审查菲涅耳的理论时，应用菲涅耳的方程推导圆盘衍射，得到一个令人稀奇的结果：在盘后方一定距离的屏幕上影子的中心应出现亮点.泊松认为这是荒谬的，在影子的中心怎么可能出现亮点呢？于是就声称这个理论被驳倒.另一位评奖委员阿拉果用实验对泊松提出的问题进行了检验，实验非常精彩地证实了菲涅耳理论的结论，影子的中心果然出现了一个亮点.后人戏剧性称这个亮点为泊松亮点.

光的微粒说和波动说这对矛盾的两个方面，相互斗争的过程就是光学发展的过程.马克思主义哲学的对立统一规律指出矛盾还有另一特性：同一性.第一个肯定光既有波动性又有粒子性的是爱恩斯坦.他指出能量不是分散的，而是一份一份地以能量子的形式出现的.能量子也就是后来所谓的光子，其能量用hν表示，并且用EK=hν-W，很好的解释了光电效应.现在大量事实证明光的波粒二象性，把这对矛盾统一在一起.

四、相对论：真理的绝对性与相对性

马克思主义哲学认为真理具有相对性.牛顿的经典力学，麦克斯韦电磁波理论都具有局限性，在解决宏观，低速物体的行为方面获得巨大的成功.由此引出的绝对时空观被认为是天经地义的，这些理论导致自然界中必然存在上文经常说的“以太”.而迈克尔逊-莫雷寻找“以太”的精确实验，却以零结果收场.爱恩斯坦注意那些来自狭义相对论的线索，经过与别人讨论交流，新的思想渐渐的在他头脑中形成，在1905年的5月，他思考并计算了几个星期，就形成了新的物理学基础，抛弃了绝对时间和绝对空间的概念，他认为，抛弃了绝对空间和绝对时间的概念后，“以太”的观念就是完全多余的.由此得出尺度收缩和时间膨胀的推论，太出乎人们的想象，当时的人们觉的不可理喻.直到1922年瑞典科学院的秘书电告爱因斯坦获得诺贝尔奖金的时候，特别指出，相对论的研究成果不在评奖考虑的工作之内.虽然相对论的意义是划时代的，以此获得诺贝尔物理学奖一点也不为过.这也生动说明了真理还有另一属性：绝对性.真理不会因为人们的不理解而失去正确性，当然真理又是发展的，从狭义相对论到广义相对论是对真理不断完善的过程.广义相对论应该也在不断的发展中.

五、物理学：与哲学原理相互辉映

物理学里的很多规律与马克思主义哲学原理相互辉映.当光从其它介质斜射入空气时，发生反射和折射，随着入射角的增大，折射光线变弱，反射光线变强，当入射角增大到临界角的时候，发生了全反射.由此来说明马克思主义哲学中的量变到质变规律是多么的生动有趣.原子物理的发展过程也遵循量变到质变的发展规律.从贝克勒尔发现放射性现象，居里夫妇发现放射性元素钋和镭，汤姆生发现了电子，打破了原子不可分的传统观念.电子和放射性元素的发现，打开了原子的大门，使人们的认识得以深入到原子的内部，卢瑟福通过a粒子大角度散射实验发现原子核式结构，还发现质子，并预言中子的存在，但到查德威克发现中子，整整经过十年的时间.这些量的积累为原子结构模型的创立奠定了基础.

物理学史的发展过程，是许许多多有志者追求真理的过程，而且追求真理的征途还未完结，也永远不会完结.现代科学家已经认识到除了我们认知的物质以外还存在我们未知的暗物质，宇宙间除了有我们认知的能量外还存在着暗能量.另外量子纠缠还纠缠着人类的神经.那浩瀚的真理之海洋，却还在我们的面前未曾发现.

物理学史的发展过程，也是人们对世界认识逐渐深化的过程.物理学家很多同时也是伟大的思想家，在英国的一次影响近代世界发展的思想家的调查中，前三位是爱因斯坦、牛顿、马克思.牛顿为我们理顺了自然界运动和力的规律.而爱恩斯坦“追光”的历程为我们打开了高速世界的大门.他们的思想、他们的贡献，极大推动社会发展的进程.做为一位物理教师我们应为所从事的工作而感到骄傲，并且会由此影响我们的学生研究物理，献身于物理学的应用和发展.我们的课堂教学没有理由不贯穿着物理学史，物理思想的渗透.

[1]邹艳,《大学物理教学中创新能力的培养》《学科教学物理》,2005

[2]艾宝勤.《物理》,1996

[3]孙海滨,《物理与工程》,2005

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