发挥物理学史在高中物理教学中的教育作用

关正兵

【摘  要】在高中物理教学过程中，再现科学家的研究过程，引导学生总结得出结论，显示出研究方法在科学研究中的重要地位;通过引导学生推导规律，让学生经历规律的推导过程，培养学生的科学思维、科学探究精神;在原子物理知识的教学中，通过梳理原子物理的发展史，让学生沿着科学家的研究足迹，认识原子的结构，让学生感受到科学家锲而不舍的研究究精神和科学的研究方法，培养学生的学科素养。

【关键词】物理学史;物理教学;教育作用

物理学史的学习是物理学习的重要组成部分，在高中物理教学中，引导学生通过物理学史的学习，让学生体会知识形成过程中的科学探究过程，科学家研究所用的科学方法、坚韧不拔的科学探索精神，概念与概念、概念和规律间的关系等。让学生以物理学史为线索，梳理知识体系，学习科学方法，体会探究过程，培养学生的思维能力。以下是笔者利用物理学史进行教学的一点体会与做法。

一、再现科学家的研究过程，体现科学思维方法

科学家探索物理规律经历了漫长的过程，科学思维方法也是在探究规律的过程中总结和归纳出来的。在教学中再现科学家的研究过程，对学生科学思维方法的形成有积极的促进作用。例如，在自由落体运动的教学中，介绍伽利略对落体运动的研究过程：伽利略通过逻辑推理，指出了亚里士多德“重的物体下落得快”论断的问题，得出重物与轻物应该下落同样快慢的结论。为了进一步研究落体运动规律，伽利略首先建立了描述运动的物理量，如平均速度、瞬时速度、加速度等概念，接着猜想落体运动的速度可能随时间均匀变化，为了检验猜想是否正确，伽利略想办法用实验来检验v与t成正比是否正确。伽利略通过理论推导，得出如果速度随时间的变化是均匀的，位移就与时间的二次方成正比，只要测出位移和时间，就可以检验物体的速度与时间的关系。为了便于测量，克服落体时间短，时间不能测量的困难，伽利略设计了斜面实验，让铜球沿阻力很小的斜面滚下，加速度小，时间长，就容易测量了。伽利略通过大量实验，证明小球沿斜面下滑的运动是匀加速直线运动。换用不同质量的小球，从不同高度开始释放，只要斜面倾角相同，小球的加速度就相同。伽利略将上述实验进行了合理外推，当斜面倾角很大时，小球的运动跟落体运动差不多。当倾角增大到90°时，小球的运动就是自由落体运动。伽利略在研究运动的过程中，不仅建立了描述运动的基本概念，而且创造了把实验和逻辑推理相结合，将实验结果合理外推的科学研究方法，为近代科学研究提供了科学思维方式和科学研究方法。

二、让学生经历规律的形成过程，培养学生的

科学思维和科学探究素养

在物理规律的教学中，引导学生推导规律，经历规律的形成过程，使让学生对规律的理解更深刻，也提升了学生的逻辑推理能力。例如，在万有引力定律的教学中，先介绍伽利略、开普勒、笛卡儿、胡克、哈雷等科学家对引力研究的重要贡献，牛顿在总结前人研究成果的基础上，用数学知识推导出了太阳和行星之间引力与距离的关系及行星的轨迹，提出了万有引力定律。在教学过程中，引导学生沿着科学家的研究足迹，体会万有引力定律的推导过程，运用牛顿运动定律和开普勒行星运动定律，结合圆周运动知识，引导学生把行星的运动看作匀速圆周运动，让学生分析向心力的来源及方向，通过分析，得出太阳为行星的引力提供向心力，引力方向沿着二者连线指向太阳，向心力大小为F=m，行星公转周期为T，则有v=，联立得F=，根据开普勒第三律=k，变形为T2=，代入上式得F=4π2k，可知F与成正比，又根据牛顿第三定律，行星与太阳的引力F与成正比。接着介绍了牛顿的研究过程：在推导出太阳与行星的引力之后，为了验证地球与月球之间的作用力、地球对苹果的吸引力和太阳与行星间的作用力是同一种力，牛顿推出导月球的向心加速度与苹果的自由落体加速度之比为=用数据证明了上述设想的正确性，从而得出万引力定律具有普适性的结论。

在课堂教学中，通过创设情境，设置问题让学生思考，参与教学过程，应用所学知识推导万有引力定律，理解萬有引力定律中各物理量的意义和适用条件以及在日常生活应用等。通过教学过程，学生不但学习了物理知识，也体会了科学家的研究过程和研究方法，严谨的科学态度，同时培养了学生的科学精神、科学探究素养和科学思维。

三、以物理学史为线索，揭示原子结构

在原子物理知识的学习中，知识点比较多且琐碎，涉及不同章节，和光学及经典物理知识相关联。在教学中，笔者通过梳理科学家发现原子结构的过程，沿着“以实验为基础，提出原子结构模型，与实验或原有理论存在矛盾，进一步探索和研究”的思路，引导学生循着科学家的研究足迹，体会科学家的研究方法，认识原子的结构。

（一）电子的发现

首先发现电子的是物理学家汤姆孙，他根据带电粒子在电场和磁场中的偏转情况，确定阴极射线就是带负电的粒子流，他把这种“微粒”命名为“电子”。发现电子后，美国科学家密立根采用油滴实验测定了电子的电荷值，并根据荷质比，计算出电子的质量。随着电子的发现，科学家继续探索原子的结构，提出了不同的原子模型，其中汤姆孙提出了原子的枣糕模型，他认为“原子是由正电荷构成的一个密度均匀的球体，电子就像枣糕中的枣一样镶嵌在其中”。但随着科学家对原子结构的进一步研究，原子的枣糕模型无法解释较高速度的电子很容易穿透原子的现象，也无法解释α粒子散射实验现象，需要做进一步研究。

（二）原子的核式结构模型

在研究原子结构的过程中，英国物理学家卢瑟福做了α粒子散射实验，用α粒子轰击金箔，实验结果表明，绝大多数α粒子穿过金箔后几乎不发生偏转，只有极少数α粒子发生大角度偏转。在对实验结果进行科学分析后，卢瑟福提出了原子的核式结构模型，他设想：原子中带正电的部分体积很小，几乎集中了全部质量，成为原子核，电子在核外绕核旋转。原子的核式结构模型很好地解释了α粒子的散射实验，从而否定了汤姆孙的枣糕模型。但核式结构模型在解释原子的稳定性和原子光谱是明线光谱时，与经典电磁理论发生了矛盾。“按照经典电磁理论：带电粒子在做加速运动的过程中会放出能量，电子的轨道半径会越来越小，落在原子核上，原子就不稳定，而事实上原子是稳定的;核外电子绕核做周期性的圆周运动，应向外辐射电磁波，其频率应该等于电子绕核运行的频率，若电子的轨道半径发生变化，电子绕核运行的频率也会发生变化，原子辐射电磁波的频率也会不断变化，大量原子发光的光谱就应该是连续光谱。 然而，实际上原子光谱是由一些不连续的亮线组成的明线光谱”。

（三）玻尔的原子模型

丹麦物理学家玻尔认为卢瑟福的模型是正确的，但要找到一个根本性的修正方法，既能说明原子的稳定性，又能解释原子的明线光谱。 在普朗克的量子理论和爱因斯坦关于光子概念的启发下，玻尔将量子概念用到了卢瑟福的原子模型中，并且将原子结构与光谱联系起来，提出了玻尔的氢原子模型。这个模型是以下面两个基本假设为基础的： “轨道量子化与定态：核外电子绕核运动的轨道半径是一些不连续的固定值，电子在这些轨道上绕核运动时不产生电磁辐射，是稳定的， 原子系统只能具有一系列不连续的能量状态;频率条件：当电子从一个具有较大定态能量En轨道跃迁到另一个较低定态能量Em轨道时，原子会以光子的形式放出能量，光子的能量由前后两个能级的能量差决定。”

玻尔理论很好地解释了已知的氢原子谱线，也成功预言了当时尚未观察到的紫外区和远红外区的谱系。 玻尔理论推广到类氢原子（锂、钠、钾等）也获得了很大成功。这样，终于解开了令人费解三十多年的氢光谱之谜，为量子论和原子物理的发展奠定了基础。但玻尔理论也有局限性：它不能解释多原子光谱，也不能说明谱线的强度和偏振情况，也与经典电磁理论存在矛盾。

在玻尔理论中，既承认经典理论规律，把电子看作经典力学中的粒子，在库仑力作用下绕核做圆周运动，又加上同经典理论基本概念相矛盾的量子化条件，硬性规定电子绕核运动时没有电磁辐射产生，这显然是矛盾的。玻尔理论解决不了这个问题，人们期待着新思想的产生。德布罗意在光的波粒二象性的启发下，在对玻尔理论以及相对论进行深入研究的基础上，把波粒二象性推广到实物粒子，认为实物粒子具有波粒二象性。电子的波长与微尘等粒子波长不同，如果把电子看成满足宏观运动规律的粒子，显然与事实不符。随着量子力学的建立，德国物理学家海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造，使之可以适用于更普遍的情况，物理学家薛定谔提出了薛定谔方程，使玻尔理论的局限性得以消除。

原子物理知識的章节小结和高考复习中，以物理学史为线索，引导学生对所学知识进行归纳和总结，将科学家对原子结构的探索过程作为线索，梳理知识：汤姆孙发现电子，否定了原子不可分割理论，建立了枣糕模型;卢瑟福的α粒子散射实验与枣糕模型出现矛盾，说明枣糕模型是错误的，从而提出了核式结构模型，但用经典电磁理论无法解释核式结构模型，说明核式结构模型不完善;玻尔为了解释原子稳定性和氢原子线状谱产生矛盾，提出了玻尔的原子模型，玻尔模型也有其局限性，需要进一步研究和探索，随着对粒子的波动性和量子力学的深入研究，玻尔理论的局限性得以消除。通过梳理，使学生理清了的知识脉络与结构，取得了很好的教学效果。

物理学史是物理教学中的重要内容，发挥物理学史在教学中的作用，引导学生理清知识脉络，体验知识的生成过程，学习科学家的研究方法和科学态度，能达到理解知识，学习方法，培养学生学科核心素养的效果。

【参考文献】

[1]普通高中课程标准实验教科书物理选修3—5[M].北京：人民教育出版，2016.

[2]普通高中教科书物理选择性必修第三册[M].北京：人民教育出版，2019.