不可忽視基本物理常數(shù)的教學(xué)

王朝輝

摘 要：基本物理常數(shù)具有不可忽視的教育價值，重視基本物理常數(shù)的教學(xué)有助于學(xué)生對物理知識的理解，更能讓學(xué)生受到科學(xué)方法的熏陶，擴(kuò)大視野，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、綜合能力起到積極的推動作用。

關(guān)鍵詞：基本物理常數(shù)；教學(xué)；教育價值

高中物理中會出現(xiàn)一些被稱為“常數(shù)”的特殊數(shù)值，這些特殊數(shù)值所表示的物理量是科學(xué)家在科學(xué)探究過程中發(fā)現(xiàn)的自然恒量。基本物理常數(shù)在物理學(xué)的發(fā)展史上起著極其重要的作用，不論是理論的建立，還是實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，甚至到單位制的確立都與基本物理常數(shù)有關(guān)。因此，重視對基本物理常數(shù)的教學(xué)，讓學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中感受到物理常數(shù)的魅力，將有助于對物理學(xué)的過去、現(xiàn)在和將來的認(rèn)識，更能讓學(xué)生受到科學(xué)方法的熏陶，擴(kuò)大視野，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

一、基本物理常數(shù)的教育價值

基本物理常數(shù)是物理領(lǐng)域中與具體物質(zhì)特性無關(guān)的一些普適常數(shù)。最基本的有真空中光速с、引力常量G、普朗克常數(shù)h、基本電荷e、電子靜止質(zhì)量me和阿伏伽德羅常數(shù)NA等。基本物理常數(shù)大約有25個，加上其組合量則有40～50個，它們之間有著深刻的聯(lián)系，并不是彼此獨(dú)立的。

1.基本物理常數(shù)的內(nèi)在價值

一些重大物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和物理理論的創(chuàng)立，常常同基本物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)或準(zhǔn)確測定有著密切的聯(lián)系。例如，電子的發(fā)現(xiàn)是通過對電子的荷質(zhì)比e/m的測定獲得的；普朗克建立量子論的同時，發(fā)現(xiàn)了普朗克常數(shù)。基本物理常數(shù)定量描繪和反映了客觀世界的基本性質(zhì)和特征，決定了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次，為不同領(lǐng)域的區(qū)分提供了定量的標(biāo)準(zhǔn)。基本物理常數(shù)的測定和精度提高經(jīng)歷了漫長而艱辛的歷史時期，生動地反映了測量技術(shù)和測量方法的發(fā)展和人類

創(chuàng)造力的提升。

2.基本物理常數(shù)的人文價值

每一個基本物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)都標(biāo)志著人類在物理學(xué)領(lǐng)域又前進(jìn)了一步，正所謂：“一花一世界，一葉一菩提。”例如，萬有引力常數(shù)G、光速c、普朗克常數(shù)h這三個基本物理常數(shù)可以分別標(biāo)志近代物理學(xué)史三個時代的特征。第一個時代以牛頓的動力學(xué)為主線，可以用萬有引力常數(shù)G來標(biāo)志這一時代的特征；第二個時代以麥克斯韋的電動力學(xué)為主線，可以用光速c來標(biāo)志這一時代的特征；第三個時代以狄拉克的量子電動力學(xué)為主線，可以用普朗克常數(shù)

h來標(biāo)志這一時代的特征。基本物理常數(shù)不僅能幫助學(xué)生從物理學(xué)史的角度更深刻地理解物理知識的傳承和發(fā)展，還能在科學(xué)家

對其求真、求準(zhǔn)的過程中了解科學(xué)家的科學(xué)態(tài)度和人文精神，激發(fā)

學(xué)習(xí)熱情，對學(xué)生情感、態(tài)度與價值觀的培養(yǎng)有著積極的推動作用。

3.基本物理常數(shù)的哲學(xué)意義

基本物理常數(shù)中蘊(yùn)含著普遍聯(lián)系的思想。例如，萬有引力常數(shù)G，使得天地間引力歸于一式，阿伏伽德羅常數(shù)則架起了宏觀物理量和微觀物理量的橋梁。再如，光的電磁波學(xué)說，通過光速c這個橋梁，把原先彼此孤立的光、電、磁理論統(tǒng)一起來，并反映三者之間深刻的聯(lián)系。普朗克常數(shù)h將微粒的粒子性（能量、動量）和波動性（頻率、波長）聯(lián)系起來，即E=hv，p=h/λ。基本物理常數(shù)往往是物理框架中的重要關(guān)節(jié)點(diǎn)，這些關(guān)節(jié)點(diǎn)就是事物保持自身質(zhì)的限度和幅度的臨界點(diǎn)，即事物的度。因此，基本物理常數(shù)還折射了量變和質(zhì)變的思想。基本物理常數(shù)包含的唯物辯證法思想內(nèi)容還有：穩(wěn)定與變化、連續(xù)與不連續(xù)、部分與整體、微觀與宏觀、有限與無限等。

二、如何進(jìn)行基本物理常數(shù)的教學(xué)

基本物理常數(shù)不僅是物理規(guī)律、物理本質(zhì)的深刻揭示，更是創(chuàng)造性思維的集中反映。然而在應(yīng)試背景下的教學(xué)中卻易受忽視，往往只講數(shù)值和單位，匆匆而過。基本物理常數(shù)的提出、測量、意義及背后隱含的物理思想和物理學(xué)史基本都忽略了，這不僅影響了學(xué)

生對基本物理常數(shù)的基礎(chǔ)地位和作用的認(rèn)識，也降低了課堂教學(xué)

的趣味性，制約了學(xué)生的綜合能力發(fā)展。

1.基本物理常數(shù)的“5W”教學(xué)法

對于一個基本物理常數(shù)的教學(xué)，一般要解決五個問題：（1）What？就是要明確這個常數(shù)的大小、單位、特征、意義及作用。（2）Why？為什么要引入這個常數(shù)，即引入的歷史背景和動因。引入這個常數(shù)給物理學(xué)的發(fā)展帶來怎樣的變化。（3）When？即要說明為什么在這個時候出現(xiàn)？有沒有歷史的必然性？（4）Who？分析物理學(xué)家的特點(diǎn)，他的生平及成功要素。為什么會作出這個成果？（5）How？即要說明物理學(xué)家怎樣確立基本物理常數(shù)，包括所經(jīng)的曲折和奮斗歷程

以及從中可以得到的啟示。

2.基本物理常數(shù)的教學(xué)要點(diǎn)

（1）展現(xiàn)創(chuàng)造性特征，讓學(xué)生敢于“異想天開”

人們通常認(rèn)為違背“常規(guī)”就是荒謬的，其實(shí)不然。歷史上幾乎所有有關(guān)基本物理常數(shù)的科學(xué)突破，都是在正常和反常的相互轉(zhuǎn)

化中實(shí)現(xiàn)的。例如，h最早是普朗克在推導(dǎo)黑體輻射公式時引進(jìn)的，普朗克最初對此也深感不安，認(rèn)為自己是錯誤的。后來愛因斯坦運(yùn)用量子的觀點(diǎn)和常數(shù)h，很好地解釋了光電效應(yīng)。接著玻爾又把量子論假說應(yīng)用于盧瑟福的原子模型，很好地解釋了氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。量子論的成就一個接著一個，凡是用到量子論的地方就出現(xiàn)h，這時人們開始認(rèn)識到，普朗克引進(jìn)的這個常數(shù)非同尋常，它反映了自然界的一種不連續(xù)性，即能量輻射的量子性。

（2）結(jié)合物理學(xué)史提煉科學(xué)軌跡，讓學(xué)生感受常數(shù)探索的“高難性”和“曲折性”

確定基本物理常數(shù)的恒常性或建立基本物理常數(shù)的解釋理論并不容易。主要原因有：①獲得難。具體表現(xiàn)在測量難和精確測量難。②解釋難。阿佛伽德羅最初提出阿佛伽德羅分子假說時，也不知道NA究竟有多大，所以并沒有得到科學(xué)界的承認(rèn)。要準(zhǔn)確地量度出阿伏伽德羅常量的值，需要在宏觀和微觀尺度下，用同一個單位，去量度同一個物理量，這樣做在早年并不可行。直到1910年，密立根成功測量到一個電子的電荷，才借助單個電子的電荷來做到微觀量度。把一摩爾電子的電荷，除以單個電子的電荷，可得阿伏伽德羅常數(shù)。隨著X射線晶體學(xué)運(yùn)用，NA測量更加精確，1971年摩爾成為國際單位制基本單位。

（3）了解基本物理常數(shù)的著名測定實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體會物理實(shí)驗(yàn)的“美”與“妙”

在基本物理常數(shù)教學(xué)中，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容介紹一些著名物理實(shí)

驗(yàn)具有重大意義。要說明實(shí)驗(yàn)的背景、條件、手段、方法和過程，要闡明這些著名實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想和研究處理問題的方法、實(shí)驗(yàn)與理

論的關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)所做出的重大歷史貢獻(xiàn)。如，對卡文迪許扭秤和庫侖扭秤的比較分析使學(xué)生認(rèn)識到物理實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)踐活動的最重要手段，深切感受實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性，體會物理學(xué)習(xí)的最高境界。

（4）介紹基本物理常數(shù)的最新研究成果，拓寬視野，讓學(xué)生看到物理學(xué)的發(fā)展

現(xiàn)代利用精確測定的NA可將宏觀意義上的質(zhì)量單位定義在微觀粒子的質(zhì)量上，這種定義方式具有穩(wěn)定性和恒定性，符合基本單位的重新定義方向。例如，新的千克定義可描述為：“千克是質(zhì)量單位，處于基態(tài)的碳12原子靜止質(zhì)量的{NA}倍/0.012為1千克，其中碳12原子的摩爾質(zhì)量準(zhǔn)確等于12g/mol。”常數(shù)“不常”的觀點(diǎn)如果被證明是正確的，會給當(dāng)前物理學(xué)前沿帶來怎樣的沖擊？這一類問題能較好打開學(xué)生的思路，鍛煉學(xué)生的思辨能力。

通過人類探索基本物理常數(shù)的歷史，可以看出：基本物理常數(shù)的測定是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是物理學(xué)的發(fā)展而發(fā)展的，反過來，由于這些常數(shù)在測定上的日益精確，也促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)特別是物理學(xué)的迅速發(fā)展。如果在教學(xué)中，將基本物理學(xué)常數(shù)的發(fā)現(xiàn)、測定和物理學(xué)家的思想、個人品質(zhì)、貢獻(xiàn)這些豐富的史料有機(jī)地融合在一起，對學(xué)生進(jìn)行教育，必將激起學(xué)生濃厚的興趣，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)品質(zhì)、綜合素質(zhì)起到積極的推動作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊建平，李興鰲.基本物理常數(shù)與物理學(xué)史[J].現(xiàn)代物理知識，2004（01）：19.

[2]杜仲.關(guān)于物理常數(shù)[J].大科技，2009（12）：44.

[3]彭雙艷.基本物理常數(shù)教學(xué)探討[J].高等函授學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（04）：20-21.

[4]郭玲.基本物理常數(shù)教學(xué)潛科學(xué)分析探索[D].四川師范大學(xué)，2002：15-36.

（作者單位 江蘇省南京外國語學(xué)校仙林分校）