高中物理教學滲透物理學史的模式探討

摘 要：高中物理課程強調了物理教學中應滲透物理學史，明確要求“初步了解物理學的發展歷程”。本文對在高中物理教學（包括新課教學，實驗教學，復習課教學）中滲入物理學史的模式作了一些探討。

關鍵詞：高中物理教學；物理學史；滲透

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）11-0077-4

由于《普通高中物理課程標準》（實驗）在課程目標中明確要求高中學生“初步了解物理學的發展歷程”，因此各種版本的普通高中物理教材中都有多處引用了相關的物理學史。那么，在高中物理教學中可以什么方式滲透物理學史呢？本文對在高中物理教學包括新課教學、實驗課教學、復習課教學中滲入物理學史的模式作一些探討。

1 在新課教學中滲入物理學史

新課教學是高中物理教學的主要形式之一，在新課教學中滲入物理學史的方式常見的有四種。

1.1 將物理學史引入新課教學

（1）利用物理學史引入新的教學主題或新的一章

比如：魯科版選修3-5除第一章外其他內容都是近代物理，為了讓學生對即將要學習的知識有個整體的了解，在開始教學部分內容之前用物理學史引入課題：

1 9世紀下半葉，科學家們開始研究陰極射線。倫琴在研究陰極射線時發現了X射線，J.J.湯姆孫通過陰極射線證實了電子的存在。貝可勒爾在研究X射線時發現了放射性，居里夫婦發現并研究了放射性元素釙和鐳。在對放射性的進一步研究中，盧瑟福發現了α射線和β射線，維拉德發現了γ射線。

隨著盧瑟福發現質子、查德威克發現了中子，原子核的結構被揭開。中子的發現還激發了一系列新課題的研究，引起一連串的新發現——人工放射性、慢中子和核裂變，并且打開了核能實際應用的大門。

普朗克為了克服經典理論解釋黑體輻射規律的困難而提出了能量子假說，標志著量子力學的誕生；愛因斯坦針對光電效應實驗與經典理論的矛盾提出了光量子假說和光電方程。玻爾將量子學說應用于盧瑟福的原子核式結構成功地解釋了氫原子光譜。

愛因斯坦第一個肯定了光既有波動性又有粒子性，即波粒二象性；德布羅意把波粒二象性推廣到微觀粒子，提出了物質波的假說，論證了微觀粒子也具有波動性，并得到了電子的衍射實驗和雙縫干涉實驗的證實。

利用物理學史引入新的教學主題或新的一章時要盡可能把本主題或本章涉及到的物理學史有機地串起來，才能達到使學生對本主題或本章將要學習的知識有整體上了解的目的。

（2）利用物理學史引入新的一堂課

比如：魯科版必修1的第6章第1節《牛頓第一定律》可以用再現物理學史的方式引入新課。先給出馬拉車的圖（如圖1所示），問學生看這個圖能得出什么結論，然后根據學生的回答引出亞里士多德的觀點——馬不拉車，車就不動，這證明了有力才有運動，運動需要外力來維持。亞里士多德被奉為圣賢，他的觀點人們相信了很長的時間，但慢慢地不斷有人批駁，伽利略就是其中一個。伽利略利用如圖2所示的光滑斜面實驗進行批駁：假設沿斜面AB落下的物體，以B點得到的速度沿另一斜面BC向上運動，則物體不受BC傾斜的影響仍將達到和A點同樣的高度，只是需要的時間不同而已。迪卡爾進一步完善了伽利略的結論——運動一旦加于物體，就會永遠保持下去，除非受到某種外來手段的破壞。牛頓將前人的觀點進行了大綜合，提出了牛頓第一定律。

將物理學史引入新課教學可以增強學生對物理學的興趣，可以很快就把學生的學習積極性調動起來，吸引學生的注意力。

1.2 以物理學史為線索串講一堂新課

比如：魯科版必修2第5章第1節《萬有引力定律及引力常量的測定》，可以用天文學的進展為線索串起整堂課：托勒密的地心說→哥白尼的日心說→開普勒和伽利略捍衛哥白尼的日心說→第谷的天文觀測→開普勒的貢獻→開普勒三大定律→牛頓對天體的研究→牛頓發現萬有引力定律→發現萬有引力定律的意義→卡文迪許對引力常量的測量→測出引力常量的意義。

再比如：魯科版選修3-5的第3章第1節《原子核結構》，也可以用原子核物理學的發展為線索串起整堂課：盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核發現質子（含布拉凱特的貢獻）→發現質子的意義→盧瑟福的中子假說→玻特、約里奧-居里夫婦雙雙錯過發現中子的機會→查德威克發現中子→發現中子的意義。

以物理學史為線索串講一堂課，可以使學生更加深刻地了解科學探索的過程，了解知識的形成過程，進一步理解所學的知識。

1.3 在新課教學結束時補充本節相關物理學史

比如：魯科版必修2第3章第3節《勻變速直線運動實例——自由落體運動》，在教學“什么是自由落體運動”及“自由落體運動的規律”后可以補充歷史上對于落體運動的研究：亞里士多德的錯誤觀點→伽利略對落體運動的猜想假說與邏輯推理→伽利略的實驗驗證（斜面實驗）→合理外推至傾角為90 °（即物體自由下落）。

補充的目的是讓學生了解物理學史上關于自由落體運動的研究發展過程，了解伽利略對物理學的貢獻，同時讓學生了解伽利略研究運動學的方法（如圖3所示）是：把實驗和數學結合在一起，既注重邏輯推理，又依靠實驗檢驗。

再比如：魯科版選修3-1第1章第2節《靜電力 庫侖定律》，在學習庫侖定律時學生可能會有這樣的想法：怎么庫侖定律和萬有引力定律這么像？兩個定律間有什么關聯嗎？利用學生的疑惑，可以在課堂的最后幾分鐘補充庫侖定律的發現過程：

1759年德國的愛皮努斯猜測電荷之間的斥力和吸力隨物體的距離的減少而增大→1760年瑞士的伯努利猜測電力會不會也跟萬有引力一樣，服從平方反比關系→1767年英國化學家普利斯特利從富蘭克林的空罐實驗中得出：電的吸引與萬有引力服從同一定律，即距離平方的反比→1773年卡文迪許的同心球實驗確定了電力服從平方反比定律，但沒有及時發表而未對科學發展起到應有的推動作用→1785年法國的庫侖從電扭秤實驗得出：帶同種電的兩球之間的斥力，與兩球中心之間距離的平方成反比；庫侖又從電擺實驗得出：正電與負電的相互吸引力，也與距離的平方成反比。

可以看出科學家在研究電力的規律時都是按萬有引力的模式來探討電力的規律性，即應用了類比法，可見類比法在庫侖定律的發現過程中起到重要的作用。

1.4 針對新課教學過程中的某一知識點滲入相關物理學史

比如：魯科版選修3-4第4章第2節《光的全反射》，可以在全反射及其產生條件教學結束后補充全反射現象的發現過程：1611年，開普勒系統研究光的折射現象，并在《折光學》一書中記載了他做的兩個實驗——一個是比較入射角和折射角的實驗，另一個是圓柱玻璃實驗，雖然開普勒沒有從這兩個實驗中找到折射定律的表達式，但他卻通過這些實驗和光的可逆性應用發現了光的全反射現象。

再比如：魯科版選修3-4第5章第2節《光的衍射》中關于泊松亮斑可以作如下補充：1818年，為鼓勵對衍射現象的研究，法國科學院懸賞征集這方面的論文。菲涅耳以嚴密的數學推理定量地計算了圓孔、圓板等形狀的障礙物所產生的衍射花紋，推出的結果與實驗相符得很好。評審委員泊松在審查菲涅耳的理論時，運用菲涅耳方程推導圓盤衍射，得到一個令人稀奇的結果：在盤后方一定距離屏幕的影子中心出現亮斑。泊松認為這是荒謬的，但阿拉果對泊松提出的問題進行了實驗，結果實驗中影子中心果然出現了一個亮斑。這一事實轟動了法國科學院，于是菲涅耳榮獲了這一屆的科學獎，而后人戲劇性地稱這個亮斑為泊松亮斑。

將新課教學過程中的某一知識點結合相關物理學史，目的是讓學生加深對這一知識點的理解，同時拓展學生的知識面，開拓學生的眼界。

2 在實驗課教學中滲入物理學史

物理學是一門實驗學科，大量的物理規律建立在實驗的基礎之上。物理實驗是高中物理教學的重要手段，實驗教學是高中物理教學的有機組成部分。在實驗課教學中也可適當地滲入相關的物理學史。

2.1 在分組實驗教學中滲入物理學史

比如：魯科版必修1第3章第2節《勻變速直線運動的實驗探究》，在介紹打點計時器是個簡便的計時儀器時，可以順帶給學生講講伽利略時代的計時方法：把一只盛水的大容器置于高處，在容器底部焊上一根口徑很細的管子，用小杯子收集每次物體運動時由細管流出的水，用接收到的水的多少來代表物體運動時間的長短。這種方法不但麻煩還只能間接測量時間，可見當時的科學家要做研究是多么的困難。

再比如：魯科版選修3-4第5章第1節《光的干涉》，在“科學探究——測定光的波長”中，學生發現將各光學元件在光具座上裝配好后，要把雙縫干涉儀調節到能觀察到明顯的實驗現象有點難度，這時為了增加學生的信心，可以給學生講講18世紀初的英國醫生托馬斯·楊在沒有這些先進的光學儀器的情況下是如何克服困難做出干涉實驗的：在百葉窗上開了一個小洞，然后用厚紙片蓋住，再在紙片上戳一個很小的洞。讓光線透過，并用一面鏡子反射透過的光線。然后，再用一個厚約三十分之一英寸的紙片把這束光從中間分成兩束，結果才看到了相交的光線和陰影。

2.2 在隨堂演示實驗教學中滲入物理學史

比如：魯科版必修2第3章第3節《勻變速直線運動實例——自由落體運動》，在演示完紙片和硬幣在接近真空的玻璃管內下落的快慢后，可以補充伽利略著名的比薩斜塔實驗：從斜塔上同時釋放一輕一重的兩個物體，結果兩個物體幾乎同時落地。

在實驗課教學中適當地滲入相關的物理學史，可以讓學生體會科學上沒有平坦的大道，科學家使用最簡單的儀器和設備進行科學研究是多么不容易，讓學生學會珍惜現在優越的學習條件，勤奮學習。

3 在復習課教學中滲入物理學史

復習課也是高中物理教學中常見的形式之一，特別是高三的總復習階段更是以復習課為主。由于近年的高考中頻現與物理學史相關的考題，因此，在高三總復習階段有必要把重點章節（比如力學、電磁學、原子物理）的物理學史再次滲入到相應的復習課中，但不能只是新課教學中已講過的物理學史的簡單再現，而是在廣度和深度上要有所提高。

比如：在復習電磁感應的探索歷程時，可以在原來新課教學內容的基礎上重點補充以下幾點：

“跑失良機”的科拉頓：科拉頓的實驗裝置設計得完全正確，如果磁鐵磁性足夠強，導線電阻不大，電流計十分靈敏，那么在科拉頓將磁鐵插入螺旋線圈時，電流計的指針確實會擺動。也就是說，產生了電磁感應現象。只不過科拉頓沒有看見，他跑得還是“太慢”，連電流計指針往回擺也沒看見。

阿拉果圓盤實驗：1822年，阿拉果和德國科學家洪堡測量格林威治附近小山的磁場強度時，注意到磁針附近的金屬物對磁針的振動有阻尼作用。1824年阿拉果把磁針當作單擺，讓它在銅盤上方擺動，發現磁針的擺動會很快衰減；如果在磁針下面迅速轉動銅盤，磁針也會跟著轉動。當時，阿拉果無法解釋這種現象，只是如實地向公眾宣布了這個實驗結果。阿拉果因此而獲得1825年的科普利獎，此盤也被命名為阿拉果盤。這個實驗震動了歐洲的物理學家，畢奧認為銅盤在轉動時產生了磁性，而安培提出銅盤在運動中產生了電流，但都沒有找到問題的實質。當時，這個現象誰也不能解釋，歷史上稱之為阿拉果之謎。

法拉第發現電磁感應現象的四個遞進式實驗：實驗一如圖4a所示，在一個軟鐵圓環上繞兩個互相絕緣的線圈A和B，線圈A和電池相連，線圈B用一導線連通，導線下面平行放置一只小磁針，充當檢驗電流通過的指示器。實驗二如圖4b所示，在一根鐵棒上繞以線圈，并和電流計相接，鐵棒兩端各放一根條形磁鐵，讓鐵棒拉進拉出。實驗三如圖4c所示，將條形磁鐵插入和拔出線圈。實驗四（法拉第圓盤發電機）如圖4d所示，把銅盤置于馬蹄形磁極之間，從銅盤的軸心和邊沿引兩根導線接于電流計，然后旋轉銅盤。

4 結 語

物理學史只有以適當方式滲入高中物理教學中才能起到幫助學生樹立正確人生觀和價值觀的作用，起到培養學生科學精神和良好道德品質的作用。

參考文獻：

[1]郭奕玲，沈慧君.物理學史（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2005.

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[4]童彥.利用物理學史培養學生的核心素養[J].物理教學探討，2016，34（8）：6.

（欄目編輯 鄧 磊）