滲透物理學史 突出探究過程

陶聰燕??

1引入

物理是一門令許多高中生望而卻步的學科，其主要原因在于教科書只寫出理論推導的定理和實驗探究的定律，隱去了物理學數千年的發生和發展過程.學生不容易了解它的過去和未來，只看成一堆概念和公式，雖然客觀正確，但枯燥僵硬.大多物理教學則是精講多練，把重點放在公式的講解和練習上，表面上清晰利落的手法，讓學生看到的只是技巧的堆砌和邏輯游戲.

物理學并不是一個天衣無縫的完整體系.那些看似令人生畏的概念、公式，并不是輕而易舉取得的，都是經過不斷變化而成長過來的，其間充滿了科學家有聲有色的鮮活經歷.在教學中有機穿插這些學史，將規律公式的產生、發展、演變過程暴露在學生面前，可以消除學生對物理的神秘感.不僅使學生得到知識，深刻了解科學探究的方法和過程，更能感受科學家嚴謹的科學態度和不屈不撓、堅持真理的意志品質.這樣的課堂拉近了物理與學生之間的距離，是學生感興趣的，其效果是事半功倍的.2結合“光的反射定律”，滲透學史教育

目前學史教育較為普遍的實踐教學都是寫入教材的一些經典案例，如牛頓第一定律、行星的運動等.而閉合電路歐姆定律、光的反射和折射等沒有寫入教材的則很少被開發.在“光的反射和折射”教材中，僅僅出現了“直到1621年，荷蘭數學家斯涅耳在分析了大量數據……”，一句帶過，留給學生一筆糊涂賬.科學史上對于光折射規律的研究是漫長的.所面臨的困難和科學家的探究精神是情感教育的關鍵.下面就以學史在“光的折射定律”教學實踐為例，著重定量研究光的折射規律.

2.1設計實驗，獲得數據

如圖1所示，以激光為光源，以空氣和半圓形玻璃磚兩種介質使光線發生折射，并用量角器量取角度.為了能夠得到精確的數據，做了10組實驗，其入射角分別為50、100、150、200、250、300、400、500、600、700.要求一半學生用量角器量出入射角為0～25°之間對應的折射角，另一半學生測量入射角為30°～70°之間的折射角，如圖2所示，測量結果保留1位小數，填入表1.

2.2提出問題，滲透學史

excel處理1：作出0～25°入射角與折射角的關系

如圖3所示，折射角與入射角的圖象大致是一條直線，可以得出初步結論：折射角與入射角成正比.學史引入：今天我們利用精確量角器量取數據，利用excel快速的得到正比圖象，然而早在2000多年前古希臘天文學家、地理學家和光學家托勒密用當時的儀器，就已經獲得這部分數據，得出這個結論.

質疑：這個結論就正確了嗎？少量的實驗數據無法說明普遍的規律！讓我們擴大范圍，把另一半同學測量的數據放進去再作檢驗.

excel處理2：作出所有入射角與折射角的關系

如圖4所示，不是直線卻又接近直線，用一根直線進行對比，可以發現當入射角較小時符合直線，角度較大時明顯不是直線，而且角度越大偏離越大.學史引入：我們必須用一根標準的直線進行對比才能發現這條規律線與直線偏離多少，所以在公元二世紀時托勒密所做的規律線很難體現與直線的區別，從而誤導了偉大的托勒密.而發現這一誤區的是德國天文學家開普勒，他指出：折射角由兩部分組成，一部分正比于入射角，另一部分其正割正比于入射角的正割.所謂“正割”是指在單位圓里圓心角θ的對邊d，如圖5所示.

開普勒解決了入射角較大時折射角與入射角的關系，更重要的是他給我們帶來了思維的轉換，當我們很難從角度得出規律時，轉而研究角度的對邊，角度的對邊與角度有著相同的定性規律，由此用對邊的定量規律來反映角度的規律.

質疑：看來折射角與入射角之間的關系是比較復雜的.能夠將小角度的折射和大角度的折射統一起來嗎？折射角與入射角之間是否存在簡單的關系？對于自然界，我們有一個堅定的信念，我們相信，自然界是簡單的，自然界的規律也是簡單的.對于折射現象，一定有一個更為隱蔽的簡單關系存在.這個關系是什么呢？是拿前面的角度正比關系統一整段還是以后面正割對比關系統一整段？顯然整段的角度正比關系是不成立的，那么整段的正割對比關系成立嗎？我們需要驗證、需要實驗數據.

根據數學知識，在圖5中，正割d2與d1是不是成正比，實質上就是sinθ2與sinθ1是不是成正比.將表1的角度轉為角度的正弦，如表2.

excel處理3：作sinθ1-sinθ2圖象，如圖6所示.

得出結論：折射角的正弦值與入射角的正弦值成正比.由此可見，當入射角比較小時折射角與它的關系并不是正比關系，是一條無限接近直線的曲線，我們可以由角度和角度正弦值數據表3中發現理由：

當角度較小時，角度遞增的倍數與其正弦值遞增倍數非常相近，因此出現一條非常接近直線的曲線；隨著角度的增加，正弦值遞增的趨勢越來越慢，導致后面出現一條越來越偏離直線的曲線.

學史引入：在科學研究過程中，若能抓住微小的偏差，有時能夠發現重大的規律，而歷史上發現這么微小偏差的是荷蘭物理學家斯涅兒.繼開普勒之后，我們所進行的規律探索都是源于斯涅兒的貢獻，他發現了微小的偏差，將分段規律進行統一，得到現在的折射定律.折射光線與入射光線、法線處于同一平面內；折射光線和入射光線分別位于法線兩側；入射角的正弦與折射角的正弦成正比.

為了引出托勒密的結論，數據首先是采用角度較小部分進行作圖，然而這里必須指出，偉大的托勒密肯定不是從少量數據得到結論，他是進行大量的實驗和數據采集，由于當時儀器的粗糙，一條非常接近于直線的曲線誤導了他.利用一條直線進行對比，非常明顯的展示出與直線的區別.開普勒研究過程中最珍貴之處在于思維的轉換，用角度的正割關系表示角度關系.然而科學研究繼續的原因是科學家本著規律統一的信念進行不斷的探索，最終由斯涅兒發現了其中非常微小的差異，統一了規律.

2.3概括歸納，建立概念

數學處理：給出角度正弦正比關系的函數表達式

sinθ2=ksinθ1，即sinθ1sinθ2=1k

當光在同種均勻介質中傳播時，兩只角度相等；當光線發生折射時，偏折越厲害，兩只角度相差越大，比值1k越大.因此該比值反映光線從真空到某種介質的偏折程度，比值越大，偏折越厲害，我們定義該比值為這種介質的折射率，符號n，即

n=sinθ1sinθ2

θ1表示光線在空氣中與法線的夾角，θ2表光線在某種介質中與法線的夾角，n表示該介質的折射率.

3結束語

這節課是我將物理學史與規律講解相結合的一次嘗試，在探究過程中有機穿插學史教育，意在突出科學規律探究的艱辛和曲折.按照科學史的發展，還原規律發展過程，展現每一次的成功和不足，一步一步由最初的角度正比得到現在角度正弦值正比的演變.當然對于這里的學史仍存有兩點疑惑：（1）托勒密為什么沒有去測量大角度關系？（2）開普勒既然用“正割”來解釋大角度關系，為什么沒有進一步解釋小角度？不管怎樣，合理的穿插學史教育可以讓學生見證一個規律的成長過程，通過案例認識“真實”的物理.從中可以學習科學家們對于探究的執著，他們在遇到問題時會做怎樣的思考，會提出怎樣的質疑，會通過什么樣的途徑去解決自己的疑問.當然，更多的案例還需要我們教師在實踐中不斷地開發.