物理學(xué)史的科學(xué)教育功能

1、物理學(xué)史的科學(xué)教育功能 1 引言 在中國傳統(tǒng)文化中,教育一直被形象地描述為“傳道、授業(yè)、解惑”.在素質(zhì)教育被廣泛提倡的今天,教育工作者們越來越認(rèn)識到,現(xiàn)代教育在傳授學(xué)生豐富知識和技術(shù)的同時,更應(yīng)該教會學(xué)生研究方法和創(chuàng)新思維,培養(yǎng)科學(xué)的素養(yǎng),以形成科學(xué)的研究觀. 物理教育在現(xiàn)代素質(zhì)教育中有不可替代的作用,物理學(xué)史則在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)方面有獨(dú)特的功能.物理學(xué)史是人類對自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識史,關(guān)注物理學(xué)概念和思想發(fā)展和變革的過程.一般來說,普通物理具有很高的專業(yè)性和學(xué)理學(xué)史教育有效地融入物理教學(xué)過程中,不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,加深記憶,而且能使學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識的同時,了解科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科學(xué)爭論和

2、科學(xué)重大實驗中所孕育的科學(xué)思想和方法,學(xué)習(xí)科學(xué)家的探索創(chuàng)造精神、邏輯思維能力、創(chuàng)造性思維能力,有助于理解科學(xué)的社會角色和人文意義,使學(xué)生樹立科學(xué)的研究觀. 當(dāng)前,物理學(xué)史在物理教學(xué)中的獨(dú)特作用越來越受到廣泛重視,但是如何在課堂教學(xué)中將其有效融入,目前尚缺乏具有普遍可操作性的教學(xué)模式.庫侖定律是電磁學(xué)的基本定律之一,本文以庫侖定律的建立為例,通過點(diǎn)評挖掘出其中蘊(yùn)涵的科學(xué)精神、方法,揭示物理基本觀念的產(chǎn)生、發(fā)展的原因和規(guī)律性;得出一些指導(dǎo)性的教學(xué)建議和方法,對物理學(xué)史的教育功能進(jìn)行簡要述評. 2 物理學(xué)史中的庫侖定律 1760年,伯努利首先猜測電力會不會與萬有引力相似,服從平方反比定律.這一想法非

3、常具有代表性.同一時期,富蘭克林的空罐實驗表明帶電金屬空腔內(nèi)部不帶電,對電力規(guī)律產(chǎn)生了重要啟示.富蘭克林的英國友人普利斯特利專門重復(fù)了這個實驗,也設(shè)想電的吸引服從平方反比定律,并且在書中明確寫出論斷.遺憾的是當(dāng)時尚無學(xué)者對此進(jìn)行明確論證. 最終,現(xiàn)今所公認(rèn)的庫侖定律是由法國物理學(xué)家?guī)靵鲈?785年發(fā)現(xiàn)的.但是在此期間,還有兩位學(xué)者曾做過定量的實驗研究,并得到同樣的實驗結(jié)果. 1769年,羅比遜設(shè)計了一個轉(zhuǎn)臂裝置來改變電力的力矩和重力的力矩,并使之達(dá)到平衡.然后他從支架的平衡角度推算出電力f與距離r的關(guān)系,用公式f1/r2+ 表示,根據(jù)實驗結(jié)果推算得出=0.06,這個叫做指數(shù)偏差.羅比遜認(rèn)為,指

4、數(shù)偏大的原因應(yīng)歸于實驗誤差,由此得出平方反比定律的結(jié)論.但是,該實驗結(jié)果僅限于同性電的斥力,至于異性電的吸力,他的裝置難以得出結(jié)論.有資料說后來羅比遜得到的異性電的吸力的指數(shù)略小于2,因此,平均取2次冪,從而得到電力反比于距離平方的結(jié)論,現(xiàn)在看來是依據(jù)不足的. 1773年,卡文迪許用兩個同心金屬殼做實驗,外球殼由兩個半球裝置而成,兩半球合起來正好形成內(nèi)球的同心球.通過一根導(dǎo)線將內(nèi)外球連起來,外球殼帶電后,取走導(dǎo)線,打開外球殼,檢驗內(nèi)球殼是否帶電.結(jié)果顯示內(nèi)球沒有帶電,電荷完全分布在外球上.卡文迪許重復(fù)了多次實驗,確定電力服從平方反比定律,指數(shù)偏差不超過0.02. 1785年,庫侖用他本人發(fā)明的

5、電扭秤得出了庫侖定律.帶電球相互接觸,使電荷均分,兩球帶同性電互相排斥,然后借助銀扭絲恢復(fù)兩球到原始位置,從銀扭絲的轉(zhuǎn)角測知電力的大小.1787年庫侖又進(jìn)一步指出了電扭秤方法的欠缺:由于不穩(wěn)定平衡,測量異性電荷的吸引力時實驗會遇到困難.同時還設(shè)計了第二種測量方法電擺實驗,其原理與萬有引力作用下的單擺實驗相似.如果電引力也遵從平方反比規(guī)律,則他設(shè)計的電擺周期也應(yīng)與兩電荷距離成正比.庫侖的實驗數(shù)據(jù)通過修正,與理論值基本符合.于是他得出結(jié)論,“正電與負(fù)電的相互吸引力也與距離的平方成反比”.庫侖定理由此為世人所知. 3 案例分析及點(diǎn)評 3.1 從理論猜想到科學(xué)定律,類比在科學(xué)研究中 的作用 庫侖定律是

6、典型的由萬有引力定律引發(fā)猜想再經(jīng)檢驗確定的實驗定律.在該定律的建立過程中,科學(xué)家們從牛頓著作中得到了啟示.因為牛頓早在1687年就證明過,如果萬有引力服從平方反比定律,則均勻的物質(zhì)球殼對殼內(nèi)物體應(yīng)無作用.由這個證明就可以推想到,凡是遵守平方反比定種特性的作用力都應(yīng)服從平方反比定律.從各位科學(xué)家的猜想與實驗的過程中可以看出,平方反比的關(guān)系始終起指導(dǎo)作用.因為平方反比定律在牛頓的形而上學(xué)自然觀中是很自然的觀念,如果不是平方反比,牛頓力學(xué)的空間概念就要重新修改 ( 后來發(fā)現(xiàn)的許多自然現(xiàn)象都服從平方反比關(guān)系,這從幾何關(guān)系就能得到證明) . 與很多科學(xué)家一樣,庫侖執(zhí)著地認(rèn)為自己得出的指數(shù)偏差是由于系統(tǒng)誤

7、差造成的,進(jìn)而積極地研究誤差原因.正是因為有牛頓力學(xué)理論的支撐,否則庫侖有可能得出冪指數(shù)不是2的情況 ( 在律的物理量都應(yīng)遵守這一論斷;或者,凡是表現(xiàn)這當(dāng)時的條件下,實驗裝備精度有限,庫侖得出的指數(shù)偏差達(dá)到0.04) .別的科學(xué)家又得出另外一個指數(shù),究竟是誰的實驗誤差比較大呢? 可以看到,在科學(xué)研究中,學(xué)者們總是習(xí)慣于首先從公認(rèn)的體系出發(fā)去猜測結(jié)論,然后用實驗去檢驗.幸運(yùn)的是,這是物理學(xué)史中應(yīng)用類比相當(dāng)成功的例子 ( 當(dāng)然,類比方法也有它的局限性,在電磁學(xué)的歷史中就有許多教訓(xùn)) .試想如果不是由于這樣的猜想,單靠實驗數(shù)據(jù)的積累,不知到何年何月才能得出靜電力的表達(dá)式.相反地,若實驗結(jié)果與主流不符

8、,那么質(zhì)疑也是必然的.當(dāng)然我們不是懼怕質(zhì)疑舊體系,建立新體系. 3.2 卡文迪許實驗中的間接測量啟示 由前文可知,卡文迪許用最原始的電測儀器,獲得了相當(dāng)可靠而且精確的結(jié)果,這個實驗設(shè)計非常巧妙.該實驗成功的關(guān)鍵在于通過數(shù)學(xué)處理,將直接測量轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接測量,并且用示零法 ( 只要結(jié)果是零,理論就成立) 來對結(jié)果作出精確判斷,最終獲得了電力的平方反比定律.卡文迪許實驗對物理研究的啟示作用是巨大的.當(dāng)研究對象是一些不可測的或不容易測準(zhǔn)的物理量時,通過相關(guān)物理量之間的數(shù)學(xué)和物理關(guān)系,轉(zhuǎn)而研究容易測量的物理量,最后返回到初始問題的解決.在相當(dāng)多的實驗當(dāng)中,都有用數(shù)學(xué)推導(dǎo)配合間接測量的例子.而且,轉(zhuǎn)換測量對

9、象的前提條件是要有正確的理論指導(dǎo),否則只能在錯誤的路上越走越遠(yuǎn).卡文迪許就是掌握了牛頓萬有引力定律這一理論武器. 遺憾的是,卡文迪許的同心球?qū)嶒灪退脑S多看法都沒有公開發(fā)表.羅比遜的論文1822年發(fā)表時,庫侖的工作早已得到公認(rèn).他們把自己的研究成果捂得如此嚴(yán)實,沒有及時發(fā)表而未對科學(xué)的發(fā)展起到應(yīng)有的推動作用,使電學(xué)的歷史失去了其本來的面目. 3.3 從猜想到?jīng)Q斷,物理實驗的重要作用 庫侖定律是一個實驗定律 ,驗證平方反比律的一種方法是假定作用力按f1/r2+ 變化,然后用實驗測出的值.庫侖定律的發(fā)現(xiàn)過程中,關(guān)鍵的實驗不是電扭秤實驗,而是電擺實驗.因為同性電荷的斥力早已有普利斯特利的論斷和羅比遜

10、的實驗說明,而異性電荷的吸引力則是第一次出現(xiàn)在文獻(xiàn)中.雖然人們公認(rèn)庫侖定律是庫侖在1785年發(fā)現(xiàn)的,但實際上直到1787年發(fā)明了電擺實驗,異性電力得到證實后,庫侖定律才算是真正的塵埃落定.隨著實驗裝置精度的不斷提高,至今精度最高的是1971年威廉姆斯等人所做的實驗,他們測出的610 -16 .由此可知,完整的實驗應(yīng)有的驗證和決斷作用,在科學(xué)研究中無論如何都是不能抹煞的. 4 結(jié)束語 “宇宙不是由原子而是由故事組成的.”在大學(xué)物理教育中,灌輸給學(xué)生科學(xué)知識和技術(shù)方法固然是至關(guān)重要的,但是培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)研究觀,提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),也教學(xué)命題.本文正是基于這一教育思想,以庫侖定律為例,進(jìn)行了一個物理學(xué)史教育的實例分析.教師精選物理學(xué)史案例,引導(dǎo)學(xué)生點(diǎn)評,使學(xué)生對科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過