物理學家犯錯的典例對物理教學的啟示

陳斯鈿 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 引言

隨著物理教學的改革，物理學史在物理教學中的作用越來越受到重視，不斷涌現出高質量的物理學史教材，在物理教學中物理學史的教學也不斷得到發(fā)展.物理學史作為對自然界物理現象的認識發(fā)展史，不僅能夠讓學生增長見識，加深對物理知識的理解，還能讓學生體驗到物理學發(fā)展歷程中的探究過程，通過探究的過程讓學生更全面深刻地繼承前人所積累的科學知識，并不斷補充、發(fā)展新的物理知識.在物理學史的教學當中，大部分的教師都是展示正面的科學發(fā)現過程，對于歷史上物理學家所犯的一些錯誤避之不談，導致學生認為物理學發(fā)展歷程都是積極正面的，這其實不利于學生對物理學史的正確認識.在本文中將列舉幾個歷史上物理學家犯錯的典例，并分析其在物理教學中的啟示作用.

2 “錯誤”導致的意外發(fā)現

2.1 泊松亮斑的發(fā)現

1818年，法國科學院為了解決光的本質問題，特地舉辦了懸賞征文競賽.作為參賽者之一的菲涅爾，在其論文中創(chuàng)造性地提出光是一種橫波，并通過嚴謹的數學推理解釋了光的衍射現象.菲涅爾所提出的理論體系非常完善詳細，震驚了競賽委員會.但著名物理學家泊松并不贊成菲涅爾的理論.泊松仔細研讀菲涅爾的文章之后，推導出如果把菲涅爾的理論運用于圓盤衍射，會使圓盤的陰影中間出現一個亮斑，泊松自認十分荒謬.泊松錯誤的判斷差點導致菲涅爾的理論被埋沒，好在菲涅爾的同事非常執(zhí)著地通過實驗進行檢驗，最終發(fā)現，在圓盤衍射中，圓盤陰影的正中心出現了一個亮斑，并且與泊松的推導非常符合.由此看來，泊松在自己錯誤判斷的影響下間接推動了泊松亮斑的發(fā)現，而這本來應該叫“菲涅爾亮斑”的發(fā)現也被誤導性地命名為“泊松亮斑”.通過對這段歷史的回顧，可以發(fā)現，如果當初沒有泊松的錯誤堅持，或許“泊松亮斑”會推遲很長的時間才被發(fā)現，由此可見，物理學家的一些錯誤判斷也有可能導致意外的發(fā)現.

2.2 X射線的發(fā)現

如果說“泊松亮斑”的意外發(fā)現是因為錯誤判斷所導致的，那么X射線的發(fā)現則是由不該犯的錯誤導致的.1895年的一天，倫琴在做完實驗之后用黑紙將真空放電管包起來，然后離開了實驗室，但倫琴離開后突然記起自己忘記關閉真空放電管的電源了，于是返回實驗室關閉電源.當倫琴打開實驗室的門時，倫琴看到黑暗的實驗室中一張凳子正發(fā)著綠色熒光，當倫琴關閉電源后熒光也隨之消失，重復幾次之后倫琴確定是真空放電管發(fā)出的某種東西導致凳子發(fā)出熒光.隨后倫琴將手掌放到真空放電管前，發(fā)現遠處的熒光屏上清晰地顯示出了手掌上骨骼的黑影，由此倫琴發(fā)現了全新的X射線，倫琴也因此獲得了諾貝爾獎.做完實驗應該將用電器斷電，這是當今時代每個學生都清楚的操作規(guī)范，作為物理學家在做完實驗后忘記關閉電源實屬不該犯的錯誤，但恰恰是這個錯誤促成了X射線的發(fā)現，只能說歷史有時候太富有偶然性了[1].

以上的兩個例子說明了物理學家所犯的一些錯誤的確能夠促進物理的發(fā)展，但這并不代表物理學家犯下的錯誤都能有好的結果，這其實是蘊含了物理學史中的偶然性和必然性.當給學生介紹這種類型的物理學史時，學生容易為這種“陰差陽錯”的發(fā)現感到新奇，能夠開拓學生的視野并激起學生的學習興趣，但這也容易讓學生誤認為物理學家犯下的錯誤都能帶來好的結果，甚至認為犯錯并不是什么大事，這容易對學生的物理學習產生誤導.因此我們在物理學史的教學當中，應該引導學生正確認識到科學發(fā)展中的偶然事件背后所蘊含的必然性，盡可能地還原科學發(fā)展的本來面目，突出面對偶然事件時科學家的態(tài)度以及科學家對科學的敏感和堅持[2].

3 “錯誤”導致的失敗

3.1 經典物理學是終極理論

在19世紀末，隨著牛頓力學體系的完善，經典物理理論完美地勾畫出了自然現象的宏圖，大到天體運動，小到原子運動，牛頓的經典物理學幾乎都能解釋，這使得當時很多科學家認為經典物理學已經十分完善，科學大廈已經完成，科學家們只需要對過去的發(fā)現進行小修小補即可，已無需再進行過多的科學探索，這其中就包括了著名的物理學家湯姆生.在這樣的時代背景之下，新的科學發(fā)現不斷受到打壓，比如湯姆生極力反對盧瑟福提出的原子蛻變理論這一劃時代的發(fā)現.這使得物理學家們的思想出現僵化，也極大阻擋了科學的向前發(fā)展.

由此看出，物理學家們由于自己認識的局限性做出的一些錯誤預言可能會導致新的科學發(fā)現止步不前，除了關于經典物理學的預言外，還有盧瑟福預言人類無法利用原子能量、愛迪生預言交流電沒有應用前景等，雖然這些預言很快就被證實是錯誤的，但在一定程度上也影響了科學的發(fā)展，這足以引起我們的警覺[3].

3.2 科拉頓錯失電磁感應現象的發(fā)現

1825年，科拉頓為了驗證磁鐵穿過線圈時能否產生電流，特意設計了一個實驗，將一個磁鐵插入連接著靈敏電流計的線圈，如果指針偏轉則說明存在“磁生電現象”，但為了避免磁鐵對靈敏電流計的影響，科拉頓將靈敏電流計放在另外一個房間里.由于當時科學界都認為磁場產生的電流是穩(wěn)定的，所以科拉頓認為插入磁鐵后再跑過去隔壁房間可以看到檢流計偏轉.但無論科拉頓怎么實驗，都沒辦法看到檢流計產生偏轉，科拉頓自認為是因為自己跑得太慢，從而錯失了指針的偏轉.可以發(fā)現，科拉頓的實驗與法拉第發(fā)現電磁感應現象所做的實驗基本相同，但由于科學界的錯誤思想以及科拉頓的錯誤分析導致其與電磁感應現象的發(fā)現失之交臂，成為一個巨大的遺憾.當然這與當時科學界存在局限性有關，但如果科拉頓能夠轉變思想，或者請一位助手在另外一個房間里面協助觀察，那么歷史或將改寫.

以上兩個例子所反映出的事實卻恰恰相反，物理學家所犯的錯誤反而阻礙了物理學的發(fā)展，雖然這其中不乏有時代的局限性，但創(chuàng)新性和靈活性的缺失也是重要的影響因素.特別是科拉頓的例子更是告誡學生在物理學習中應該靈活變通，應該從多方面的角度去思考問題.這在物理學習當中是非常重要的，學生在物理學習中很容易形成一種思維定勢，在思考物理問題時只從某一個角度進行思考，在某一角度百般思索無果之后，對待物理問題便束手無策.因此，應該通過這類物理學史的介紹，著重培養(yǎng)學生的發(fā)散思維能力，引導學生多角度地思考問題，不拘束于某一種思考方式，也不拘束于傳統(tǒng)知識的局限，要從原有的知識經驗出發(fā)，不斷地開拓思維，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性.

4 總結

通過以上的幾個例子可以發(fā)現，物理學史上還有很多有趣的發(fā)現和一些值得深思的典例，這些物理學史對學生的教育作用是其他單純介紹探究過程的物理學史所不能及的，在物理教學中可以充分發(fā)揮這些物理學史的作用，啟發(fā)學生應該正確對待物理學習中的錯誤.除了以上所提的物理學史，物理史上還有很多有趣的悖論，比如“芝諾悖論”“EPR悖論”等，這些有趣的悖論具有極強的邏輯與思辨關系，容易使學生產生強烈的興趣，這些悖論的產生和解決也不斷推動著物理學的發(fā)展，對于學生來說都是有重大的教育意義[4].當然，在給學生介紹這些具有“錯誤性”的物理學史時，容易使學生產生疑惑，該如何去判斷錯誤所帶來的影響？這就需要教師在教學中適當地引導學生.其實這些物理學史都有一個共同的特點，即能夠培養(yǎng)學生敢于批判和向權威挑戰(zhàn)，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和創(chuàng)造性.相信在良好的引導下，這些物理學史能夠發(fā)揮其啟示作用，在物理教學中不斷引導學生的物理學習，提高學生物理學習的質量.