現(xiàn)行大學(xué)物理教材編寫(xiě)中的幾個(gè)問(wèn)題

現(xiàn)行大學(xué)物理教材編寫(xiě)中的幾個(gè)問(wèn)題

何志巍李春燕李 純金仲輝

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院北京100083)

摘 要:從教材中常見(jiàn)的幾個(gè)問(wèn)題，包括物理概念分析、對(duì)應(yīng)插圖、公式推導(dǎo)及物理學(xué)史等方面，列舉了大學(xué)物理教材分析中的一些亮點(diǎn)，對(duì)不同教材中相同問(wèn)題的不同描述及數(shù)據(jù)分析等差異做了詳細(xì)的論述，為廣大教材編寫(xiě)者提供了一些思路．

關(guān)鍵詞:教學(xué)內(nèi)容教材插圖公式物理學(xué)史

作者簡(jiǎn)介：何志巍(1979-)，女，博士，副教授，主要從事大學(xué)物理教學(xué)與納米材料科研工作.

收稿日期：(2014-09-15)

在編寫(xiě)大學(xué)基礎(chǔ)物理教材的過(guò)程中，一定會(huì)廣泛閱讀他人編寫(xiě)的眾多教材．在這些教材中，對(duì)一個(gè)物理概念會(huì)有不同的敘述，對(duì)同一個(gè)物理問(wèn)題會(huì)有不同的解釋?zhuān)敲矗鯓拥臄⑹龊徒忉尣攀亲詈侠淼哪兀窟@就需要我們?nèi)シ治龊脱芯浚硗猓滩闹械囊恍┎鍒D是否符合物理概念和原理、物理學(xué)史的敘述是否恰當(dāng)，這也需要認(rèn)真對(duì)待、去偽存真．雖說(shuō)大學(xué)基礎(chǔ)物理的教學(xué)內(nèi)容都是比較成熟的，但由于它涉及到的知識(shí)面很廣泛，且近些年物理學(xué)中包括光學(xué)、熱學(xué)、量子等方面，尤其是電磁學(xué)在電子工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展極其迅速．所以，編者需要付出艱辛的努力，才能將編寫(xiě)的教材精益求精，做到盡量減少不盡人意的內(nèi)容．此外，我們應(yīng)力求編寫(xiě)的教材中有其他教材中沒(méi)有的教學(xué)內(nèi)容，使所寫(xiě)的教材有不少新的亮點(diǎn)．以下我們舉一些實(shí)例來(lái)說(shuō)明．

1具體的物理問(wèn)題

在薄膜等傾干涉和夫瑯禾費(fèi)衍射教學(xué)內(nèi)容中都要涉及透鏡的等光程性．如何證明它的等光程性呢？在不同的教材中對(duì)它有不同的敘述．例如，東南大學(xué)馬文蔚等[1]編寫(xiě)的《物理學(xué)》是這樣敘述的：平行光束通過(guò)透鏡后，將會(huì)聚集于焦平面一亮點(diǎn)F(圖1)．這是由于某時(shí)刻平行光束波前5個(gè)點(diǎn)(圖1中A,B,C,D,E各點(diǎn))的相位相同，而到達(dá)焦平面后相位仍然相同，因而干涉加強(qiáng)．可見(jiàn)這些點(diǎn)到F的光程相等．

圖1

清華大學(xué)張三慧[2]編寫(xiě)的《大學(xué)物理學(xué)》(第四冊(cè))是這樣敘述的：平行光通過(guò)透鏡后，各光線(xiàn)要會(huì)聚在焦點(diǎn)，形成亮點(diǎn)，這一事實(shí)說(shuō)明，在焦點(diǎn)處各光線(xiàn)是同相的．

從表面上看，上述兩本教材對(duì)透鏡等光程的敘述基本上是相同的，但從敘述的邏輯上來(lái)說(shuō)，后者恰當(dāng)些．因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)結(jié)果(即F是亮點(diǎn))來(lái)看，可以推斷出，所有成像的光線(xiàn)的光程是相同的，相干疊加得到加強(qiáng)才得到亮點(diǎn)．而前者的敘述不僅不夠嚴(yán)謹(jǐn)(如光線(xiàn)進(jìn)入透鏡內(nèi)能否保持同相位)，且邏輯上多少有些混亂，將因果關(guān)系顛倒了．

還有些教材的論證是有缺陷的，例如有一本教材是這樣敘述的：當(dāng)入射的平行光會(huì)聚于焦平面上F點(diǎn)(圖1)，雖然邊緣光線(xiàn)(如AaF)比中部光線(xiàn)(如CcF)經(jīng)過(guò)的幾何路程長(zhǎng)，但前者在透鏡中的路程比后者的短，考慮到透鏡的折射率大于1，可認(rèn)為兩光線(xiàn)經(jīng)過(guò)透鏡后光程的變化相等．從以上敘述內(nèi)容來(lái)看，顯然并沒(méi)有論證這兩條光線(xiàn)的光程是相等的，而僅僅是一種推想而已．在另一教材中敘述為：經(jīng)過(guò)透鏡邊緣與透鏡中心附近的光線(xiàn)的幾何路程是不同的，例如CcF的路程比AaF短(圖1)，但前者在透鏡的路程比后者長(zhǎng)，而透鏡材料的折射率大于1，如果折算成光程，通過(guò)計(jì)算可以證明兩者的光程相等，使用透鏡不會(huì)改變光程．從以上敘述內(nèi)容來(lái)看，作者沒(méi)有給出簡(jiǎn)明的方法來(lái)論證透鏡的等光程性，如果學(xué)生問(wèn)及如何計(jì)算，恐怕不是簡(jiǎn)單幾句話(huà)可以說(shuō)明白了！

2關(guān)于插圖

2.1科紐棱鏡插圖

在紫外光譜儀中常使用科紐棱鏡，這種棱鏡由兩塊左(L)、右(R)旋石英晶體構(gòu)成，如圖2(a)所示，圖中的虛線(xiàn)是晶體的光軸方向．

圖2

現(xiàn)在需要指出的是，在一些光學(xué)教材中，有關(guān)科紐棱鏡插圖中的入射光線(xiàn)和出射光線(xiàn)的走向不相同．例如南開(kāi)大學(xué)母國(guó)光[3]編寫(xiě)的《光學(xué)》中繪成圖2(b)的形式；北京大學(xué)趙凱華[4]編寫(xiě)的《光學(xué)》中繪成圖2(c)的形式；而華東師范大學(xué)姚啟鈞編寫(xiě)的《光學(xué)》中繪成圖2(d)的形式，圖中的兩根出射光線(xiàn)好像是相互平行的(教材中沒(méi)有明確說(shuō)明是相互平行的)．為什么對(duì)同一個(gè)物理現(xiàn)象有3種不同的插圖？究竟哪一個(gè)插圖合理呢？

棱鏡是一種分光元件，我們當(dāng)然希望一條入射的單色光入射至科紐棱鏡，它的出射光也是一條單色光．由此看來(lái)，圖2(b)和圖2(c)似乎是合理的，但是圖2(b)中棱鏡內(nèi)的兩條光線(xiàn)的繪法顯然是不合理的．因?yàn)閷?duì)圖2(b)中的界面AB來(lái)說(shuō)，入射線(xiàn)和折射線(xiàn)均在入射面法線(xiàn)的同一側(cè)．對(duì)于圖2(c)來(lái)說(shuō)，棱鏡內(nèi)的光線(xiàn)應(yīng)有兩條，而不是一條光線(xiàn)．通過(guò)計(jì)算可以證明，在一定條件下，圖2(d)是合理的，因?yàn)槌錾涞膬蓷l光線(xiàn)是近乎平行的．正因?yàn)檫@兩條光線(xiàn)是平行的(它們間夾角極小)，所以它們?cè)诮?jīng)過(guò)透鏡(或凹面鏡)會(huì)聚于同處．這樣對(duì)棱鏡光譜儀來(lái)說(shuō)，一束平行入射的單色光對(duì)應(yīng)一條出射的單色譜線(xiàn)，這正是光譜儀所要求的．

2.2薄膜等厚干涉插圖

薄膜等厚干涉的條紋定域在薄膜表面上．它的正確的插圖應(yīng)如圖3(a)所示．但是在有一些教材(如馬文蔚主編的《物理學(xué)》下冊(cè)[6]和美國(guó)的哈里德等編寫(xiě)的《物理學(xué)基礎(chǔ)》中的插圖繪成了圖3(b)和圖3(c)的形式．這兩個(gè)插圖顯然是錯(cuò)誤的，因?yàn)椴鍒D中將在薄膜的兩個(gè)表面上的反射光線(xiàn)繪成是平行的，它們將在無(wú)窮遠(yuǎn)處干涉，即干涉條紋定域在無(wú)窮遠(yuǎn)．

圖3

2.3閉合磁疇的插圖

為了說(shuō)明鐵磁質(zhì)在未施加外磁場(chǎng)的情況下，不產(chǎn)生磁性而引入閉合磁疇的概念．有的教材將閉合磁疇繪成圖4(a)的形式，有的教材繪成圖4(b)的形式．哪一個(gè)圖更顯得合理呢？應(yīng)該說(shuō)圖4(b)是合理的．因?yàn)樗淮嬖谕舜拍埽鴪D4(a)存在退磁能，所以相對(duì)于圖4(a)中的單磁疇會(huì)出現(xiàn)不能相抵消的磁荷而存在能量更高的狀態(tài)，故而不存在圖4(a)形式的閉合疇．從實(shí)驗(yàn)觀察到的閉合磁疇，證明了存在類(lèi)似圖4(b)形式的閉合磁疇．

圖4

3關(guān)于公式推導(dǎo)的差異

3.1楊氏干涉條紋光程差公式

圖5繪出了楊氏干涉裝置的示意圖．在推導(dǎo)楊氏干涉條紋寬度公式的過(guò)程中，在大多數(shù)的光學(xué)教材中采用光程差

(1)

圖5

即認(rèn)為r1=AP，或r1-AP?λ．現(xiàn)在的問(wèn)題是，由于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)是一個(gè)很小的量，在通常觀察楊氏干涉條紋的實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)(圖5中D和d的數(shù)據(jù))的條件下，r1-AP?λ的條件是否滿(mǎn)足呢？通過(guò)計(jì)算可證明，這個(gè)條件是不滿(mǎn)足的．造成這種錯(cuò)誤的原因何在呢？可能的原因是教材的編寫(xiě)者采用了某些國(guó)外教材中的計(jì)算方法．例如，美國(guó)的哈里德等編著的《物理學(xué)基礎(chǔ)》中就是這樣計(jì)算的．正確的計(jì)算方法如下

(2)

3.2薄膜干涉中光程差公式

薄膜干涉通常劃分為薄膜兩表面平行的等傾干涉6(a)，它的干涉條紋定域在無(wú)窮遠(yuǎn)，以及劈尖狀薄膜的等厚干涉6(b)，它的干涉條紋定域在薄膜表面上．在國(guó)內(nèi)的大多數(shù)教材中，都較詳細(xì)地計(jì)算了等傾干涉6(a)情況下，在不計(jì)及半波損時(shí)反射光域1和2間的光程差為

ΔL=2nhcosr

(3)

而且不加任何說(shuō)明，將上述公式直接作為劈尖薄膜的等厚干涉圖6(b)中兩反射光域1與2間的光程差．這種做法顯然是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模诠P者編寫(xiě)的教材中對(duì)此作了較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐茖?dǎo)，說(shuō)明了對(duì)于薄膜的等傾干涉和等厚干涉來(lái)說(shuō)，在不計(jì)半波損的條件下，反射光域1與2之間有相同的光程差公式，即ΔL=2nhcosr．

圖6

4關(guān)于物理學(xué)史

在敘述一個(gè)物理規(guī)律或定律時(shí)，往往會(huì)涉及到它的歷史問(wèn)題．那么，一些教材中的敘述是否正確和全面呢？以下舉幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)明．

4.1庫(kù)侖定律

該定律為：真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力與它們之間距離的平方成反比，與它們的電荷量的乘積成正比，作用力的方向沿兩點(diǎn)電荷的連線(xiàn)上，同性電荷相斥、異性電荷相吸．在清華大學(xué)張三慧等編寫(xiě)的《大學(xué)物理學(xué)》(第三冊(cè))、東南大學(xué)馬文蔚等編寫(xiě)的《物理學(xué)》(中冊(cè))和美國(guó)的哈里德等編寫(xiě)的《物理學(xué)基礎(chǔ)》(最新的第六版)等教材都認(rèn)為1785年法國(guó)的庫(kù)侖用實(shí)驗(yàn)得出了庫(kù)侖定律，這種說(shuō)法是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模聦?shí)是庫(kù)侖在自制的扭秤實(shí)驗(yàn)中僅得出兩點(diǎn)電荷間相互作用力與它們的間距的平方成反比的結(jié)論，而與它們的電荷量的乘積成正比是庫(kù)侖所做的一個(gè)假設(shè)！庫(kù)侖的這種假設(shè)來(lái)源于萬(wàn)有引力定律給予他的啟發(fā)．

4.2法拉第電磁感應(yīng)定律

上述這種情況在物理學(xué)中是不足為怪的，有不少物理學(xué)公式由理論分析得出，而無(wú)法用實(shí)驗(yàn)直接證明這些公式的正確性．這些公式的正確性，在于他們推導(dǎo)出一些公式，可由實(shí)驗(yàn)證明它們是正確的．

由以上討論可看出，在編寫(xiě)教材時(shí)要特別謹(jǐn)慎，不要隨意寫(xiě)出由實(shí)驗(yàn)表明如何得到的．因?yàn)檫@種表明未必符合史實(shí)．

4.3關(guān)于蘋(píng)果落地啟發(fā)牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的故事

在某些教材和一些科普性文章中說(shuō)，牛頓大學(xué)畢業(yè)(1665年)后，在家鄉(xiāng)躲避瘟疫時(shí)，偶然看到樹(shù)上的蘋(píng)果落地，啟發(fā)他思考重力問(wèn)題，并由此發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律．但是，這種說(shuō)法不符合史實(shí)，因?yàn)榻?jīng)一些科學(xué)史專(zhuān)家研究發(fā)現(xiàn)，牛頓在生前從未在自己寫(xiě)的文章和與別人交談過(guò)程中提及蘋(píng)果落地的故事．有證據(jù)說(shuō)明，這個(gè)故事是在牛頓去世不久，由他的親屬編造出來(lái)的，目的是提早牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的時(shí)間，以此保護(hù)牛頓對(duì)萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)權(quán)．現(xiàn)在我們知道，胡克、哈雷、惠更斯等物理學(xué)家雖然對(duì)萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)也有一定的貢獻(xiàn)，但牛頓是萬(wàn)有引力定律的主要發(fā)現(xiàn)者是毫無(wú)疑問(wèn)的．總之，如果在教材中寫(xiě)下牛頓受蘋(píng)果落地的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力是極為不妥的，因?yàn)檫@不是史實(shí)．

限于文章的篇幅，有些內(nèi)容沒(méi)有討論，例如，在不同的教材中，對(duì)同一個(gè)物理問(wèn)題，給出的數(shù)據(jù)是很不相同的；對(duì)同一個(gè)物理概念給出了不同的敘述等等，這些問(wèn)題都是需要推敲和仔細(xì)分析研究的．我們認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容研究也是一種學(xué)術(shù)研究，只有認(rèn)真做好這種學(xué)術(shù)研究才能編寫(xiě)出較好的教材．

參 考 文 獻(xiàn)

1馬文蔚，解希順，周雨青．物理學(xué)(下冊(cè))．北京：高等教育出版社，2006．100～ 101

2母國(guó)光，戰(zhàn)元齡． 光學(xué)．北京：人民教育出版社，1981.210～ 211

3張三慧.大學(xué)物理學(xué)(第二冊(cè))．北京：清華大學(xué)出版社，2009．187～ 188

4趙凱華．光學(xué)．北京：高等教育出版社，2006．108～ 109

5程守洙，江之永．普通物理學(xué)(第六版)．北京：高等教育出版社，2006．136～ 137

6馬文蔚,周雨青,解希順.物理學(xué)教程(下冊(cè)).北京:高等教育出版社,2006.180～182

7吳百詩(shī).大學(xué)物理學(xué)(下冊(cè)).北京:高等教育出版社,2004.189～190

8金仲輝,柴麗娜.大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué).北京:科學(xué)出版社,2010