高中物理教学渗透物理学史的模式探讨

aciakizupa

摘 要：高中物理课程强调了物理教学中应渗透物理学史，明确要求“初步了解物理学的发展历程”。本文对在高中物理教学（包括新课教学，实验教学，复习课教学）中渗入物理学史的模式作了一些探讨。
关键词：高中物理教学；物理学史；渗透
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）11-0077-4
由于《普通高中物理课程标准》（实验）在课程目标中明确要求高中学生“初步了解物理学的发展历程”，因此各种版本的普通高中物理教材中都有多处引用了相关的物理学史。那么，在高中物理教学中可以什么方式渗透物理学史呢？本文对在高中物理教学包括新课教学、实验课教学、复习课教学中渗入物理学史的模式作一些探讨。
1 在新课教学中渗入物理学史
新课教学是高中物理教学的主要形式之一，在新课教学中渗入物理学史的方式常见的有四种。
1.1 将物理学史引入新课教学
（1）利用物理学史引入新的教学主题或新的一章
比如：鲁科版选修3-5除第一章外其他内容都是近代物理，为了让学生对即将要学习的知识有个整体的了解，在开始教学部分内容之前用物理学史引入课题：
1 9世纪下半叶，科学家们开始研究阴极射线。伦琴在研究阴极射线时发现了X射线，J.J.汤姆孙通过阴极射线证实了电子的存在。贝可勒尔在研究X射线时发现了放射性，居里夫妇发现并研究了放射性元素钋和镭。在对放射性的进一步研究中，卢瑟福发现了α射线和β射线，维拉德发现了γ射线。
随着卢瑟福发现质子、查德威克发现了中子，原子核的结构被揭开。中子的发现还激发了一系列新课题的研究，引起一连串的新发现——人工放射性、慢中子和核裂变，并且打开了核能实际应用的大门。
普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难而提出了能量子假说，标志着量子力学的诞生；爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾提出了光量子假说和光电方程。玻尔将量子学说应用于卢瑟福的原子核式结构成功地解释了氢原子光谱。
爱因斯坦第一个肯定了光既有波动性又有粒子性，即波粒二象性；德布罗意把波粒二象性推广到微观粒子，提出了物质波的假说，论证了微观粒子也具有波动性，并得到了电子的衍射实验和双缝干涉实验的证实。
利用物理学史引入新的教学主题或新的一章时要尽可能把本主题或本章涉及到的物理学史有机地串起来，才能达到使学生对本主题或本章将要学习的知识有整体上了解的目的。
（2）利用物理学史引入新的一堂课
比如：鲁科版必修1的第6章第1节《牛顿第一定律》可以用再现物理学史的方式引入新课。先给出马拉车的图（如图1所示），问学生看这个图能得出什么结论，然后根据学生的回答引出亚里士多德的观点——马不拉车，车就不动，这证明了有力才有运动，运动需要外力来维持。亚里士多德被奉为圣贤，他的观点人们相信了很长的时间，但慢慢地不断有人批驳，伽利略就是其中一个。伽利略利用如图2所示的光滑斜面实验进行批驳：假设沿斜面AB落下的物体，以B点得到的速度沿另一斜面BC向上运动，则物体不受BC倾斜的影响仍将达到和A点同样的高度，只是需要的时间不同而已。迪卡尔进一步完善了伽利略的结论——运动一旦加于物体，就会永远保持下去，除非受到某种外来手段的破坏。牛顿将前人的观点进行了大综合，提出了牛顿第一定律。
将物理学史引入新课教学可以增强学生对物理学的兴趣，可以很快就把学生的学习积极性调动起来，吸引学生的注意力。
1.2 以物理学史为线索串讲一堂新课
比如：鲁科版必修2第5章第1节《万有引力定律及引力常量的测定》，可以用天文学的进展为线索串起整堂课：托勒密的地心说→哥白尼的日心说→开普勒和伽利略捍卫哥白尼的日心说→第谷的天文观测→开普勒的贡献→开普勒三大定律→牛顿对天体的研究→牛顿发现万有引力定律→发现万有引力定律的意义→卡文迪许对引力常量的测量→测出引力常量的意义。
再比如：鲁科版选修3-5的第3章第1节《原子核结构》，也可以用原子核物理学的发展为线索串起整堂课：卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现质子（含布拉凯特的贡献）→发现质子的意义→卢瑟福的中子假说→玻特、约里奥-居里夫妇双双错过发现中子的机会→查德威克发现中子→发现中子的意义。
以物理学史为线索串讲一堂课，可以使学生更加深刻地了解科学探索的过程，了解知识的形成过程，进一步理解所学的知识。
1.3 在新课教学结束时补充本节相关物理学史
比如：鲁科版必修2第3章第3节《匀变速直线运动实例——自由落体运动》，在教学“什么是自由落体运动”及“自由落体运动的规律”后可以补充历史上对于落体运动的研究：亚里士多德的错误观点→伽利略对落体运动的猜想假说与逻辑推理→伽利略的实验验证（斜面实验）→合理外推至倾角为90 °（即物体自由下落）。
补充的目的是让学生了解物理学史上关于自由落体运动的研究发展过程，了解伽利略对物理学的贡献，同时让学生了解伽利略研究运动学的方法（如图3所示）是：把实验和数学结合在一起，既注重逻辑推理，又依靠实验检验。
再比如：鲁科版选修3-1第1章第2节《静电力 库仑定律》，在学习库仑定律时学生可能会有这样的想法：怎么库仑定律和万有引力定律这么像？两个定律间有什么关联吗？利用学生的疑惑，可以在课堂的最后几分钟补充库仑定律的发现过程：
1759年德国的爱皮努斯猜测电荷之间的斥力和吸力随物体的距离的减少而增大→1760年瑞士的伯努利猜测电力会不会也跟万有引力一样，服从平方反比关系→1767年英国化学家普利斯特利从富兰克林的空罐实验中得出：电的吸引与万有引力服从同一定律，即距离平方的反比→1773年卡文迪许的同心球实验确定了电力服从平方反比定律，但没有及时发表而未对科学发展起到应有的推动作用→1785年法国的库仑从电扭秤实验得出：带同种电的两球之间的斥力，与两球中心之间距离的平方成反比；库仑又从电摆实验得出：正电与负电的相互吸引力，也与距离的平方成反比。
可以看出科学家在研究电力的规律时都是按万有引力的模式来探讨电力的规律性，即应用了类比法，可见类比法在库仑定律的发现过程中起到重要的作用。
1.4 针对新课教学过程中的某一知识点渗入相关物理学史
比如：鲁科版选修3-4第4章第2节《光的全反射》，可以在全反射及其产生条件教学结束后补充全反射现象的发现过程：1611年，开普勒系统研究光的折射现象，并在《折光学》一书中记载了他做的两个实验——一个是比较入射角和折射角的实验，另一个是圆柱玻璃实验，虽然开普勒没有从这两个实验中找到折射定律的表达式，但他却通过这些实验和光的可逆性应用发现了光的全反射现象。
再比如：鲁科版选修3-4第5章第2节《光的衍射》中关于泊松亮斑可以作如下补充：1818年，为鼓励对衍射现象的研究，法国科学院悬赏征集这方面的论文。菲涅耳以严密的数学推理定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹，推出的结果与实验相符得很好。评审委员泊松在审查菲涅耳的理论时，运用菲涅耳方程推导圆盘衍射，得到一个令人稀奇的结果：在盘后方一定距离屏幕的影子中心出现亮斑。泊松认为这是荒谬的，但阿拉果对泊松提出的问题进行了实验，结果实验中影子中心果然出现了一个亮斑。这一事实轰动了法国科学院，于是菲涅耳荣获了这一届的科学奖，而后人戏剧性地称这个亮斑为泊松亮斑。
将新课教学过程中的某一知识点结合相关物理学史，目的是让学生加深对这一知识点的理解，同时拓展学生的知识面，开拓学生的眼界。
2 在实验课教学中渗入物理学史
物理学是一门实验学科，大量的物理规律建立在实验的基础之上。物理实验是高中物理教学的重要手段，实验教学是高中物理教学的有机组成部分。在实验课教学中也可适当地渗入相关的物理学史。
2.1 在分组实验教学中渗入物理学史
比如：鲁科版必修1第3章第2节《匀变速直线运动的实验探究》，在介绍打点计时器是个简便的计时仪器时，可以顺带给学生讲讲伽利略时代的计时方法：把一只盛水的大容器置于高处，在容器底部焊上一根口径很细的管子，用小杯子收集每次物体运动时由细管流出的水，用接收到的水的多少来代表物体运动时间的长短。这种方法不但麻烦还只能间接测量时间，可见当时的科学家要做研究是多么的困难。
再比如：鲁科版选修3-4第5章第1节《光的干涉》，在“科学探究——测定光的波长”中，学生发现将各光学元件在光具座上装配好后，要把双缝干涉仪调节到能观察到明显的实验现象有点难度，这时为了增加学生的信心，可以给学生讲讲18世纪初的英国医生托马斯·杨在没有这些先进的光学仪器的情况下是如何克服困难做出干涉实验的：在百叶窗上开了一个小洞，然后用厚纸片盖住，再在纸片上戳一个很小的洞。让光线透过，并用一面镜子反射透过的光线。然后，再用一个厚约三十分之一英寸的纸片把这束光从中间分成两束，结果才看到了相交的光线和阴影。
2.2 在随堂演示实验教学中渗入物理学史
比如：鲁科版必修2第3章第3节《匀变速直线运动实例——自由落体运动》，在演示完纸片和硬币在接近真空的玻璃管内下落的快慢后，可以补充伽利略著名的比萨斜塔实验：从斜塔上同时释放一轻一重的两个物体，结果两个物体几乎同时落地。
在实验课教学中适当地渗入相关的物理学史，可以让学生体会科学上没有平坦的大道，科学家使用最简单的仪器和设备进行科学研究是多么不容易，让学生学会珍惜现在优越的学习条件，勤奋学习。
3 在复习课教学中渗入物理学史
复习课也是高中物理教学中常见的形式之一，特别是高三的总复习阶段更是以复习课为主。由于近年的高考中频现与物理学史相关的考题，因此，在高三总复习阶段有必要把重点章节（比如力学、电磁学、原子物理）的物理学史再次渗入到相应的复习课中，但不能只是新课教学中已讲过的物理学史的简单再现，而是在广度和深度上要有所提高。
比如：在复习电磁感应的探索历程时，可以在原来新课教学内容的基础上重点补充以下几点：
“跑失良机”的科拉顿：科拉顿的实验装置设计得完全正确，如果磁铁磁性足够强，导线电阻不大，电流计十分灵敏，那么在科拉顿将磁铁插入螺旋线圈时，电流计的指针确实会摆动。也就是说，产生了电磁感应现象。只不过科拉顿没有看见，他跑得还是“太慢”，连电流计指针往回摆也没看见。
阿拉果圆盘实验：1822年，阿拉果和德国科学家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。1824年阿拉果把磁针当作单摆，让它在铜盘上方摆动，发现磁针的摆动会很快衰减；如果在磁针下面迅速转动铜盘，磁针也会跟着转动。当时，阿拉果无法解释这种现象，只是如实地向公众宣布了这个实验结果。阿拉果因此而获得1825年的科普利奖，此盘也被命名为阿拉果盘。这个实验震动了欧洲的物理学家，毕奥认为铜盘在转动时产生了磁性，而安培提出铜盘在运动中产生了电流，但都没有找到问题的实质。当时，这个现象谁也不能解释，历史上称之为阿拉果之谜。
法拉第发现电磁感应现象的四个递进式实验：实验一如图4a所示，在一个软铁圆环上绕两个互相绝缘的线圈A和B，线圈A和电池相连，线圈B用一导线连通，导线下面平行放置一只小磁针，充当检验电流通过的指示器。实验二如图4b所示，在一根铁棒上绕以线圈，并和电流计相接，铁棒两端各放一根条形磁铁，让铁棒拉进拉出。实验三如图4c所示，将条形磁铁插入和拔出线圈。实验四（法拉第圆盘发电机）如图4d所示，把铜盘置于马蹄形磁极之间，从铜盘的轴心和边沿引两根导线接于电流计，然后旋转铜盘。
4 结 语
物理学史只有以适当方式渗入高中物理教学中才能起到帮助学生树立正确人生观和价值观的作用，起到培养学生科学精神和良好道德品质的作用。
参考文献：
[1]郭奕玲，沈慧君.物理学史（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2]苏丽琴.选修3-5近代物理的教学思考[J].中学物理，2015（4）：40.
[3]陈文鑫.物理学史在中学物理教学中的应用——以初中《牛顿第一定律》为例[J].物理教学探讨，2015，33（5）：27.
[4]童彦.利用物理学史培养学生的核心素养[J].物理教学探讨，2016，34（8）：6.
（栏目编辑 邓 磊）