例談古詩詞輔助的物理實驗方法教育

2019-12-02 02:14:12李正福熊萬杰

物理教師 2019年11期

李正福熊萬杰

(1. 中國教育科學研究院,北京 100088; 2. 華南農業大學電子工程學院,廣州 510640)

實驗是物理學的重要特性,物理教學過程必須以實驗為基礎,實驗方法理應是學生學習物理的重要內容．[1]文學與科學分屬不同領域,但文學創作和科學探索都屬于創造性活動,都需要創新精神,在思維活動上有許多相通之處．比如,他們都注意對生活的觀察和體驗,都有一個對材料的收集和提煉的過程,都離不開假設和想象,等等．這就奠定了利用古詩詞促進物理實驗方法教學的思維基礎．以古詩詞為輔助,結合物理實驗方法的具體內容,探索文理兼修、手腦雙培、真善美融合的物理實驗方法顯性教育模式,既能弘揚中華傳統文化陶冶情操,又能融合情感、理性與實驗探索,有助于提高物理實驗教學質量,更好地促進學生物理學科核心素養發展．

1 “東臨碣石,以觀滄?！迸c觀察法

“東臨碣石,以觀滄?！背鲎匀龂鴷r期曹操(155—220年)的《觀滄海》,意思是說,東行登上碣石山,來觀賞那蒼茫的大海．該詩的后面幾句“水何澹澹,山島竦峙．樹木叢生,百草豐茂．秋風蕭瑟,洪波涌起”描述的則是詩人觀賞到的景色:海水寬闊浩蕩,山島高高聳立;樹木繁茂,花草豐美;洪波巨瀾,洶涌起伏;不停運行的日月、星光燦爛的銀河都似乎與這蒼茫的大海存在某種關聯．詩人游覽、觀看、欣賞如此浩瀚、雄壯的景色,為的是感悟和抒情:幸甚至哉,歌以詠志,以此展現自己博大的胸懷、開闊的胸襟、宏遠的抱負．

事實上,人類探索自然、利用自然的一切實踐活動都離不開觀察方法．觀察是最基本、最古老、最直接的科學方法,也是當今嚴密的科學研究中最常用的方法之一．[2]物理學中觀察方法的應用當然不像詩人的觀察那樣,是為了借景抒情．但是,兩者之間還是有些共同之處的,如曹操觀滄海,是一種感官的觀察,觀察的就是滄海的現象和動向,是對自然現象在自然發生的條件下(不進行任何人工干預和控制)進行的考察．物理學中的觀察除此之外,還必須有計劃性和目的性,必要時借助觀測工具和儀器來延闊視野、見微知著．例如,伽利略借助望遠鏡觀察,發現了太陽黑子和木星的衛星,看到了前人所未見的天文現象;牛頓運用三棱鏡觀察,發現了白光是由赤橙黃綠青藍紫7種單色光組成的復合光,改變了人們關于光的傳統觀念;荷蘭的列文虎克制成顯微鏡,以此觀察清澈見底的水,發現了大量的微生物……此外,物理學中的觀察還要注重客觀性、全面性和可重復性．科學的觀察都要有詳細的記錄,對于觀察中感知的各種資料、記錄的各種數據要實事求是地對待．一個科學觀察的結果必須能夠被他人重復,才能得到認可．例如磁單極子的觀測,美國物理學家凱布雷拉于1982年曾宣稱,在他的磁單極子探測器中發現了一個帶單位磁荷的粒子．但這是他在經過151天連續觀察后得到的唯一的一個事例,這個觀察現象不能被重復,所以不能認為是確鑿的發現．[3]如果該發現被確認,現行的磁學理論將要被顛覆．

2 “兩情若是久長時,又豈在朝朝暮暮”與假說法

“兩情若是久長時,又豈在朝朝暮暮”出自宋代秦觀(1049—1100年)的《鵲橋仙·纖云弄巧》．意思是說,兩個人之間感情如果深厚而久遠,又何必朝夕廝守?這里的“若”乃“假如”之意,實是描述一種假設,假設兩情是深厚的、永恒的．這個假設導致的結論是:即便是兩人暫時分別,感情也不會有絲毫的損傷．文學假設的本體和結論是一種因果關系,它們融合貫通、共同作用,提升了作品的感染力和表現力．科學假設的本體和推論也是因果關系,假設的本體一般就是一個新的理論和新的概念,根據它除了能夠解釋新發現的現象、實驗結果外,甚至可以進一步預言未知的事實．

科學假設是科學家為解釋新的實驗事實,立足于已有的科學理論并進行必要的邏輯推理而提出來的學術思想．這其實是一種科學研究方法,因此又稱為假說法,物理學中有許多重大的發現和發明都是運用假說方法取得的．例如黑體輻射(如圖1),人們根據實驗數據得到了入射光的波長與輻射強度的曲線(圖中的空心點),而維恩用熱力學方法導出的公式在長波部分與實驗結果不符,瑞利和金斯用分子動力學的方法得到的曲線在紫外波段(圖中的短波部分)與實驗結果有較大的背離,史稱“紫外災難”．這就說明舊的理論已經不能說明新的實驗事實了．1900年,普朗克針對此問題提出著名的量子假說,認為能量不是連續的,而是一份一份的,據此成功地解釋了熱輻射現象．

圖1 黑體輻射波長與輻射強度的關系

假說在未經檢驗之前只是一種帶有方向性的有待驗證的學術思想,如果后來的實踐或實驗證明它是正確的,那么它就上升為科學理論,否則就需要進行修改,以提出新的假說,直至達到目標為止．可見,假說要發展成為“定律”也必須依靠大量的觀察和實驗的事實．例如,1956 年,當精確的實驗結果把“τ-θ疑難”尖銳地擺到物理學家面前時,楊振寧和李政道敏銳地審察了從未被懷疑的宇稱守恒定律的適用范圍,大膽提出了弱相互作用中宇稱不守恒的假說．隨后,吳健雄和她的實驗合作組成員一起進行了一個Co-60原子核β衰變實驗,首次得到了宇稱不守恒的實驗證據．緊接著,加溫、萊德曼和溫里克進行了π的μ子衰變和μ子的電子衰變,得到了同樣的結論．以后的半年之內,大概有幾百個這方面的實驗出來,從而證實了這一假說的正確性,導致了物理學理論的一個突破性進展．[4]

3 “醉臥沙場君莫笑,古來征戰幾人回”與統計法

“醉臥沙場君莫笑,古來征戰幾人回”出自唐代王翰(687—726年)的《涼州詞》,其意思是說,即便飲酒醉倒了,躺在沙場上,你也莫要取笑,自古以來又有幾人能夠在征戰中全身而退．的確,戰爭是殘酷的,從古到今,人類經歷過大大小小的戰爭無數,參與戰爭的人千千萬萬,但真能從戰爭中全身而退的人卻為數不多．盡管詩人想表達是今日要一醉方休,即使醉倒在戰場上又何妨,此次出征要將自己的安危置之度外,為國效力．但從方法論的角度來看,這句詩實際上不自覺地運用了統計法．這種方法是指通過分析和解釋大量數據或事例,得出這些數據或事例背后隱藏的某種規律性,從而做出一定的結論．物理學中的統計方法是一種從微觀結構上來研究物質的宏觀性質及其規律的方法．運用統計方法要抓住兩個要素,一是需要有大量的樣本,二是從大量的樣本中導出某種結論．“古來征戰幾人回”中,古往今來大量的戰爭事例就是樣本;“幾人回”,也就是少部分的人能夠回來,這是通過統計后得到的結論．

圖2 伽爾頓板實驗

物理學中有一個伽爾頓板實驗(如圖2):在一塊豎直木板的上部規則地釘上鐵釘,木板的下部用豎直隔板隔成等寬的狹槽,從頂部中央的漏斗形入口處投入小球,板前覆蓋玻璃使小球不致落到槽外．小球從入口處投入,在下落過程中將與鐵釘發生多次碰撞,最后落入某一槽中．實驗結果發現:投入單個小球,小球與鐵釘碰撞后落入哪個槽中具有隨機性．大量小球同時投入或單個小球分別多次投入,最終會出現統計規律性:落入中間部位槽中的小球總是較多,而落入兩側槽中的小球總是較少．這說明,當落入隔槽的小球數目足夠大時其分布具有統計規律．

19世紀后半葉,人們認識到,在由大量粒子組成的系統中,用每個粒子的機械運動規律來描繪整個系統的狀態是難以實現的．事實上,1mol物質就含有阿伏伽德羅常數(6.02×1023)個粒子,如果對每個粒子列出一個牛頓力學方程去求解它的速度、位移和加速度,其計算量是難以想象的．因此,只有借助于數學中的概率論對大量偶然現象作統計的處理,才能找到把個別粒子的無規則運動與觀察到的宏觀現象聯系起來的途徑,也就是說,多體系統在整體上表現出某種統計規律性．運用統計方法,人們知道大量微觀粒子所組成的系統,其壓強與粒子運動的劇烈程度正相關,與單位體積內粒子的個數成正比．

4 “欲把西湖比西子,淡妝濃抹總相宜”與類比法

“欲把西湖比西子,淡妝濃抹總相宜”出自宋代蘇軾(1037—1101年)的《飲湖上初晴后雨》,其意思是說,如果把美麗的西湖比作美人西施,那么淡妝也好,濃妝也罷,總能很好地烘托出她的天生麗質和迷人神韻．這就是把西湖之美和西施之美做了比較,是一種典型的類比法,簡言之,就是把兩個同類事物,或是不同類事物的同類特征進行比較．物理學中的類比法與之類似,就是根據兩個研究對象在行為或性質方面的相似之處,應用邏輯分析和推理找出它們的共性或相同、相似之處．此外,使用類比法也有助于打通學生物理情感世界,給學生創造“最佳思維環境”以使學生猜想出新授知識的內容、結構、研究思想與方法,激發學習的積極性,變被動聽為主動做．[5]可以用來類比的兩種物質,要么具有簡單的共存關系,如正負電荷和相異磁極之間類比,它們都存在相互吸引力;要么具有可能存在的因果關系,如具有波動性的微觀粒子和經典波類比,既然經典波有波動方程,微觀粒子也應該有,這就是薛定諤方程;要么具有對稱關系,如負電子和正電子類比,它們分別具有正能量和負能量．

在文學作品中運用類比方法,比平鋪直敘更為含蓄而有意味．例如李白就用“桃花潭水深千尺,不及汪倫送我情”將潭水之深與汪倫對他的感情之深做了類比;杜牧的“停車坐愛楓林晚,霜葉紅于二月花”將霜葉之紅與二月花之紅做了類比;柳宗元的“千山鳥飛絕,萬徑人蹤滅”通過對山上動物的隱匿和路上的人跡罕至進行類比,讓冰雪的寒冷和環境的冷清躍然紙上……物理學中運用類比方法,則能有許多新的發現,尤其是在材料不足、難以進行歸納和演繹論證的情況下,類比不失為一種打開思路、由此及彼的認識途徑．粒子波動性的提出是法國物理學家德布羅意將光學現象與力學現象作了科學的類比后提出的一種假說．考慮到光的運動服從最短路程原理即費馬原理;而經典力學中質點的運動遵循力學的最小作用量原理(即在物體一切可能的物理行為中,其實際的行為一定是作用量最小的那個行為),而這兩個原理具有相似的數學表達式和思想內核,基于以上類比,德布羅意大膽推論,粒子應該和光一樣也具有波粒二象性．既然粒子也具有波動性,那么這種波動就成為物質波,也稱為德布羅意波．德布羅意的科學預言于1927年被電子衍射實驗所證實．

5 小結和啟示