物理學(xué)家的研究思想在高中物理教學(xué)中的顯化

賀桐杰 王笑君

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 引言

當(dāng)前物理學(xué)史的教學(xué)中，存在的問(wèn)題有：

(1)過(guò)分強(qiáng)調(diào)結(jié)果性的教育，忽略了概念、定律和理論形成的過(guò)程性講解[1]，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)后的背景知之甚少.比如在講解萬(wàn)有引力定律的時(shí)候，只是簡(jiǎn)單陳述牛頓通過(guò)蘋(píng)果落地的自然現(xiàn)象得到了萬(wàn)有引力定律，事實(shí)并非如此，牛頓是通過(guò)很強(qiáng)的推理得到的結(jié)論，這樣就導(dǎo)致學(xué)生對(duì)物理學(xué)史的認(rèn)識(shí)缺乏深刻性.

(2)只講故事性的物理學(xué)史吸引學(xué)生興趣，不深入講解研究思想和方法.所以筆者在結(jié)合了核心素養(yǎng)中要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維的要求，建議把最能體現(xiàn)物理學(xué)家研究思想和方法的原始實(shí)驗(yàn)帶到課堂與探究性實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)講解[2]，把物理學(xué)家的研究思想在高中的教學(xué)中顯化出來(lái).

本文以動(dòng)量守恒定律的探究和自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探究以及牛頓第三定律為案例分析，讓物理學(xué)家的研究思想在高中課堂中呈現(xiàn).

2 原始數(shù)據(jù)與課堂結(jié)合的案例分析

筆者提出了把原始實(shí)驗(yàn)與探究實(shí)驗(yàn)結(jié)合的教學(xué)流程圖,如圖1所示.

圖1 研究思想的滲透流程圖

首先是通過(guò)物理學(xué)史引出為什么要學(xué)習(xí)今天的內(nèi)容，讓學(xué)生能夠從歷史的探索中找到答案，再讓學(xué)生去自主探究實(shí)驗(yàn)，之所以把原始實(shí)驗(yàn)的講解放在探究實(shí)驗(yàn)后，是為了不影響探究實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，同時(shí)也為后面研究思想的提取做鋪墊，因?yàn)檠芯克枷牒头椒ň吞N(yùn)藏在原始實(shí)驗(yàn)中，有待我們?nèi)ネ诰?

2.1 守恒思想與動(dòng)量守恒探究的結(jié)合

(1)從歷史的演變，引出守恒思想

在高中“探究碰撞過(guò)程中的守恒量”的教學(xué)中，教師一般都是這樣引出課題的，“同學(xué)們，碰撞在我們生活中很常見(jiàn)，那在碰撞中哪些物理量是守恒的呢？今天就讓我們自己去探究一下碰撞過(guò)程中的守恒量.”但是學(xué)生就可能產(chǎn)生疑問(wèn)，為什么要去研究碰撞過(guò)程中的守恒量，而不去探究在碰撞過(guò)程中哪些物理量發(fā)生了什么變化？我們可以從歷史上關(guān)于守恒的研究演變出發(fā)，去消除學(xué)生的困惑.尋求守恒量一直是物理學(xué)家們的奮斗目標(biāo)，歷史上第一個(gè)有意義的守恒學(xué)說(shuō)，就是現(xiàn)在的質(zhì)量守恒的觀點(diǎn)，實(shí)際上，除了質(zhì)量守恒，物理學(xué)家們還想找到運(yùn)動(dòng)守恒，但是想要用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)中的守恒量不是那么容易的[3]，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)涉及物體的質(zhì)量和速度兩個(gè)物理量，最先研究這個(gè)運(yùn)動(dòng)中的守恒量的是笛卡爾，笛卡爾認(rèn)為運(yùn)動(dòng)總量必定是個(gè)常量，后來(lái)惠更斯對(duì)碰撞問(wèn)題做了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究，最后以?xún)汕蚺鲎材Ｐ停芯砍鰜?lái)了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的守恒量.在講解完守恒思想的來(lái)源和物理學(xué)家們對(duì)探究運(yùn)動(dòng)守恒量的貢獻(xiàn)后，就可以讓學(xué)生進(jìn)行自主探究實(shí)驗(yàn)，去探究碰撞中哪些物理量守恒.

(2)課本自主探究實(shí)驗(yàn)

在高中人教版教材的自主探究實(shí)驗(yàn)中，用的是氣墊導(dǎo)軌、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等器材去探究碰撞[4].現(xiàn)在我們可以用儀器去測(cè)量速度，那么以前的物理學(xué)家們是通過(guò)怎樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)去得到這個(gè)結(jié)論的呢？所以在讓學(xué)生做完探究性實(shí)驗(yàn)后，我們有必要講解一下惠更斯的原始實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生們?cè)谛蕾p物理學(xué)家們的智慧的同時(shí)，加深他們對(duì)動(dòng)量守恒的理解.

(3)惠更斯發(fā)現(xiàn)碰撞規(guī)律的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)講解

惠更斯用彈性球的擺做實(shí)驗(yàn)，在圖2中，他用兩個(gè)相同的球以大小相等、方向相反的速度v相碰后，各自以同樣的速率v反彈回去.在圖3中，他又用動(dòng)球去碰撞靜球，動(dòng)球靜止下來(lái)，靜球獲得了原來(lái)動(dòng)球的速度.圖4為惠更斯1 700年左右的一篇論文的原圖，畫(huà)面也許顯得有點(diǎn)古怪，但是惠更斯卻提供了非常敏銳和新穎的思想，假設(shè)船以速度v向右行駛，若船上的人在他的參考系內(nèi)做這個(gè)碰撞實(shí)驗(yàn)，而在岸上的人看來(lái)，碰撞前左球以速度2v向右運(yùn)動(dòng)，右球速度卻等于v-v=0.碰撞后則反之，左球不動(dòng)，右球以速度2v向右運(yùn)動(dòng)[5].

圖2 兩球均運(yùn)動(dòng)互碰

圖3 一球運(yùn)動(dòng)一球不動(dòng)互碰

圖4 惠更斯的想象：兩相等質(zhì)量之間的彈性碰撞

(4)研究思想的總結(jié)

其實(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)惠更斯不僅探究出了運(yùn)動(dòng)中的守恒量，還發(fā)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的守恒不止在靜止的參考系中守恒，還在運(yùn)動(dòng)的參考系中成立.我們可以對(duì)守恒思想進(jìn)一步拓展，加深學(xué)生們對(duì)動(dòng)量守恒的認(rèn)識(shí)，守恒就是在物理變化的過(guò)程中常存在某些不變的關(guān)系或不變的量.在討論一個(gè)物理變化過(guò)程時(shí)，尋找整個(gè)過(guò)程中或變化發(fā)生前后存在著的不變關(guān)系或不變的量，是研究這一變化過(guò)程的中心和關(guān)鍵,這就是我們今天去探究碰撞過(guò)程中的守恒量的原因.在物理學(xué)的認(rèn)識(shí)和發(fā)展中很多領(lǐng)域都滲透著這樣的思想，質(zhì)量守恒、能量守恒、電荷守恒等等，守恒既是一種思想，也是一種方法.

2.2 實(shí)證思想與自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律探究的結(jié)合

(1)史料引出實(shí)證的思想

為什么要去研究運(yùn)動(dòng)的規(guī)律？誰(shuí)先開(kāi)始研究這個(gè)規(guī)律？他們是怎么研究的？這些都是學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)自由落體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候容易產(chǎn)生的問(wèn)題.所以我們有必要把這些答案通過(guò)歷史的方式告訴給學(xué)生.在伽利略以前人們相信物質(zhì)世界的變化是按照物對(duì)人的用處來(lái)安排的，人的活動(dòng)連同物都要按照上帝的安排來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，也就是目的論的觀點(diǎn)，最典型的代表就是亞里士多德，但是伽利略認(rèn)為物體運(yùn)動(dòng)的改變總是有某種力作為原因，人與自然界不過(guò)是服從數(shù)學(xué)關(guān)系的原子集合.運(yùn)動(dòng)變化是伽利略科學(xué)研究唯一限定的對(duì)象，在伽利略看來(lái)，物體變動(dòng)都可以歸之于物體受力的結(jié)果.在伽利略以前，科學(xué)家們都是通過(guò)邏輯思辨分析問(wèn)題的，但是伽利略的研究方法卻是完全不同的，他所要研究的不是運(yùn)動(dòng)為什么發(fā)生而是怎樣發(fā)生，于是他就可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并用數(shù)學(xué)的關(guān)系表達(dá)出來(lái).

(2)探究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

在講解了為什么要去研究自由落體運(yùn)動(dòng)后，就可以讓學(xué)生自己去探究了.在粵教版教材中，在探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的時(shí)候，我們利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，紙帶一端系著重物，另一端穿過(guò)計(jì)時(shí)器，然后用手捏著紙帶，松手后重物做自由下落，測(cè)得加速度，最后得到自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.

(3)講解物理學(xué)家的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，提取思想

在探究完成以后，學(xué)生心里已經(jīng)對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律有一定的了解，這個(gè)時(shí)候我們可以回答學(xué)生剛剛提出的疑問(wèn)了，伽利略是怎么研究運(yùn)動(dòng)規(guī)律的.伽利略是通過(guò)斜面實(shí)驗(yàn)(圖5)得到了自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，教師可以通過(guò)問(wèn)題的方式，讓學(xué)生對(duì)剛剛做過(guò)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反思，同時(shí)又可以認(rèn)識(shí)伽利略的實(shí)驗(yàn)方法.第一，伽利略研究的是自由落體運(yùn)動(dòng)，為什么要選擇用小球從斜面滑下來(lái)，這樣做是為什么？我們知道在那個(gè)時(shí)候，時(shí)間測(cè)得不是很準(zhǔn)確，精度不會(huì)很高，我們知道自由落體運(yùn)動(dòng)很快，那時(shí)的下落時(shí)間還不好測(cè)量，于是伽利略利用斜面降低物體下落的速度.第二,伽利略如何減小實(shí)驗(yàn)誤差？伽利略為了減少摩擦，在木板上挖了一個(gè)斜槽，然后在槽內(nèi)鋪上光滑的羊皮紙.第三，伽利略如何測(cè)得下落時(shí)間？那個(gè)時(shí)候還沒(méi)有精確的秒表.伽利略非常聰明地用了一個(gè)方法，在盛水的大容器底部開(kāi)一個(gè)小孔，水通過(guò)孔流入杯內(nèi)，預(yù)先稱(chēng)量好水杯的重量，這樣可以根據(jù)水杯的變化質(zhì)量測(cè)得時(shí)間.

圖5 伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(4)研究思想的總結(jié)

如果伽利略也像亞里士多德一樣，只是憑經(jīng)驗(yàn)邏輯得到物理理論，不客觀地去做實(shí)驗(yàn)探究，那么他就不會(huì)得到自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.伽利略開(kāi)啟了實(shí)證理論的先河，同時(shí)也是把物理與數(shù)學(xué)結(jié)合起來(lái)的第一人.在實(shí)證的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)遇到一些問(wèn)題，比如像伽利略一樣不能直接測(cè)得時(shí)間，他用測(cè)水質(zhì)量的方法轉(zhuǎn)化了一下，我們?cè)谧鰧?shí)證的時(shí)候，也會(huì)遇到身上的儀器工具不能測(cè)得自己想要的物理量的時(shí)候，想一想能不能轉(zhuǎn)化一下測(cè)量的物理量，把不能測(cè)得的物理量，變成可以測(cè)得的物理量，這是在實(shí)證的時(shí)候很重要的一個(gè)方法.

2.3 相互性思想與牛頓第三定律的結(jié)合

(1)從歷史的角度引出為什么要去研究力的相互性

如果力不是相互的會(huì)發(fā)生怎樣的結(jié)果呢？在牛頓的《原理》中寫(xiě)道，如果某一物體能夠吸引鄰近的物體，而自己卻不被那個(gè)物體以同樣大小的力所吸引，那么一個(gè)吸引力不太大的物體將會(huì)驅(qū)動(dòng)其鄰近的另一個(gè)物體，從而兩者都做加速運(yùn)動(dòng)至無(wú)窮，這就違反了運(yùn)動(dòng)第一定律.如果這個(gè)物體是地球和太陽(yáng)系，會(huì)導(dǎo)致什么樣的結(jié)果呢？這就是牛頓開(kāi)始研究力的相互性的原因，也是我們今天去學(xué)習(xí)這個(gè)內(nèi)容的原因.

(2)探究性實(shí)驗(yàn)，作用力和反作用力的關(guān)系

教材的探究性實(shí)驗(yàn)是，把兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)連接在一起，一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)固定，然后用手去拉另一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)相等，然后得到力的關(guān)系，作用力和反作用力等大反向.

(3)重現(xiàn)牛頓的原始實(shí)驗(yàn)

牛頓的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示,在兩個(gè)相鄰的盛水容器內(nèi)分別漂浮著一個(gè)軟木塞，其中一個(gè)軟木塞上放置一根條形磁鐵，另一個(gè)上放置與磁鐵等質(zhì)量的鐵塊.牛頓說(shuō)，如果僅僅是磁鐵吸引鐵塊，那么放有磁鐵的軟木塞將會(huì)留在原處，而鐵塊卻飄向了磁鐵，但是事實(shí)卻是兩個(gè)負(fù)載的軟木塞發(fā)生了相向飄移,這說(shuō)明力的作用是相互的.

圖6 牛頓的原始實(shí)驗(yàn)裝置

(4)物理學(xué)的研究方法的總結(jié)

從牛頓的原始實(shí)驗(yàn)中，我們可以看到牛頓的設(shè)計(jì)很巧妙，因?yàn)椴荒苤苯訙y(cè)量力所以他選擇了用磁力去代替重力進(jìn)行研究，因?yàn)榇盆F可以吸引鐵塊.可以通過(guò)兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)判斷力是否是相互的，也通過(guò)判斷兩個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的快慢，判斷兩個(gè)力的大小是否等大.這是一種重要的轉(zhuǎn)化思想.

3 總結(jié)

在物理的原始實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)藏了物理學(xué)家們豐富的研究思想，有待我們?nèi)ネ诰?但是也不是所有的原始材料都可以呈現(xiàn)在高中的課堂中，所以就需要教師篩選出最有價(jià)值的呈現(xiàn)給學(xué)生.教學(xué)改革的重要任務(wù)之一，就是要盡早地培養(yǎng)學(xué)生科研人員應(yīng)該具備的本領(lǐng)和能力，這就要求我們必須盡可能地使教學(xué)中的概念、定律和理論知識(shí)，盡量接近科學(xué)家們?cè)谄溲芯窟^(guò)程中形成的概念、發(fā)現(xiàn)的定律和創(chuàng)建的理論，以使學(xué)生從中領(lǐng)會(huì)科學(xué)家的實(shí)際創(chuàng)造過(guò)程和他們運(yùn)用的方法[6].

1 蔡志凌. 物理學(xué)史教學(xué)的現(xiàn)狀、問(wèn)題與對(duì)策研究. 課程·教材·教法,2003(07):35～38

2 申先甲,李艷平,劉樹(shù)勇,等. 談?wù)勎锢韺W(xué)史在素質(zhì)教育中的作用(續(xù)). 大學(xué)物理,2000(12)：37～39

3 唐岳兵. “動(dòng)量守恒”的探究式教學(xué)設(shè)計(jì)與反思. 華夏教師,2015(11):28

4 張維善. 物理·選修3-5. 北京:人民教育出版社, 2016. 95～97

5 趙凱華. 力學(xué). 北京:高等教育出版社, 2011. 44～45

6 申先甲,李艷平,劉樹(shù)勇,等. 談?wù)勎锢韺W(xué)史在素質(zhì)教育中的作用. 大學(xué)物理,2000(11):36～40