高中文理貫通教育的思考

1、高中文理貫通教育的思考高中文理貫通教育的思考浙江省寧波市效實中學浙江省寧波市效實中學姜水根姜水根高中文理貫通教育的思考高中文理貫通教育的思考v1 問題的提出問題的提出v2 解決問題的思路解決問題的思路v3 我們要進行的研究我們要進行的研究1 問題的提出問題的提出v1.1 從一次談判說起從一次談判說起v1.2 物理教學的現(xiàn)狀物理教學的現(xiàn)狀v1.2.1 脫離實際脫離實際v脫離實際脫離實際v有一個倔強系數(shù)為有一個倔強系數(shù)為8103n/m的彈簧放置在的彈簧放置在光滑的水平桌面上，將它的一端固定，它的光滑的水平桌面上，將它的一端固定，它的自由端系上一塊質(zhì)量為自由端系上一塊質(zhì)量為4.99kg的木塊。一顆的

2、木塊。一顆質(zhì)量為質(zhì)量為10g的子彈，以的子彈，以1000m/s的速度水平的速度水平射入這塊靜止的木塊并嵌在其中，彈簧被壓射入這塊靜止的木塊并嵌在其中，彈簧被壓縮從而做簡諧振動。求彈簧的振動周期?？s從而做簡諧振動。求彈簧的振動周期。 v有一個氧氣鋼瓶，放在室溫是有一個氧氣鋼瓶，放在室溫是27 c房間里，鋼瓶里氧氣的房間里，鋼瓶里氧氣的壓強是壓強是15 atm，現(xiàn)在把它放到溫度是，現(xiàn)在把它放到溫度是57 c的地方，鋼瓶中的地方，鋼瓶中的氧氣的壓強是多大？的氧氣的壓強是多大？ v用銷釘固定活塞把水平放置的容器分隔成用銷釘固定活塞把水平放置的容器分隔成ab兩部分，其體兩部分，其體積之比積之比 =2 1

3、，如圖，如圖2所示，起初所示，起初a中有溫度為中有溫度為127壓強壓強為為1.8pa的空氣，的空氣，b中有溫度為中有溫度為27壓強為壓強為1.2pa的空氣，的空氣，拔出銷釘，使活塞可以無摩擦地移動（不漏氣），由于容器拔出銷釘，使活塞可以無摩擦地移動（不漏氣），由于容器壁緩慢導熱，最后氣體都變到室溫壁緩慢導熱，最后氣體都變到室溫27，活塞也停止運動，活塞也停止運動，求最后氣體的壓強。求最后氣體的壓強。 ab圖2v如圖所示如圖所示,質(zhì)量為質(zhì)量為m的物體在恒力的物體在恒力f的作用下沿天花的作用下沿天花板勻速滑動，板勻速滑動，f與水平方向的夾角為與水平方向的夾角為，物體與天花，物體與天花板之間的動摩擦

4、因數(shù)為板之間的動摩擦因數(shù)為，則物體受到的摩擦力大，則物體受到的摩擦力大小是小是( )v（a）fcos v（b）fsin v（c）(fsin- mg ) v（d）(mg-fsin)圖6-15v國外物理教育國外物理教育v一個小孩重一個小孩重364n，坐在重，坐在重41n的凳子的凳子上，已知凳腿與地面接觸的總面積為上，已知凳腿與地面接觸的總面積為19.3cm3，問該小孩與凳子施加在地面，問該小孩與凳子施加在地面上的平均壓強為多少？上的平均壓強為多少？v宇航員與月球登陸艙都對月球表面產(chǎn)生壓強。宇航員與月球登陸艙都對月球表面產(chǎn)生壓強。如果月球艙的質(zhì)量約為如果月球艙的質(zhì)量約為7300kg，并且以直徑，并且

5、以直徑均為均為91cm的四個緩沖器座作為支撐，那么它的四個緩沖器座作為支撐，那么它施加在月球表面上的壓強是多少？你如何估施加在月球表面上的壓強是多少？你如何估計宇航員所產(chǎn)生的壓強？計宇航員所產(chǎn)生的壓強？v要建造一座功率輸出容量為要建造一座功率輸出容量為1000 mw的太陽的太陽能發(fā)電廠，如果太陽收集器是效率為能發(fā)電廠，如果太陽收集器是效率為 90 %的的光電池和反射鏡。它們產(chǎn)生的蒸汽供給渦輪光電池和反射鏡。它們產(chǎn)生的蒸汽供給渦輪發(fā)電機，效率為發(fā)電機，效率為30 %，問：收集器必須占多，問：收集器必須占多大面積的土地？大面積的土地？v1.2.2 省略過程省略過程v實驗實驗?v過程過程?v故事故事

6、?v趣味趣味?v1.2.3 輕視人文輕視人文v關于科學事件關于科學事件v關于科學結(jié)論關于科學結(jié)論v關于科學價值觀關于科學價值觀關于關于脫離實際脫離實際省略過程省略過程輕視人文輕視人文v1.3 物理教學效果物理教學效果v理科生理科生v理論理論v解題解題v結(jié)論結(jié)論v問題的癥結(jié)在哪里？問題的癥結(jié)在哪里？v應試教育問題應試教育問題v成才觀念問題成才觀念問題v社會、文化問題社會、文化問題 知識結(jié)構的片面性問題是一個實際存在知識結(jié)構的片面性問題是一個實際存在的問題，這個問題可能跟我們的基礎教育是的問題，這個問題可能跟我們的基礎教育是有關的，應試教育可能是一個因素。有關的，應試教育可能是一個因素。2 解決問

7、題的思路解決問題的思路v2.1 取消文理分科取消文理分科v現(xiàn)在行得通嗎？現(xiàn)在行得通嗎？v2.2 改革教材改革教材v教材改革之路教材改革之路v省版教材省版教材v試用本試用本v甲、乙種本甲、乙種本v必修加選修必修加選修v較高要求和基本要求較高要求和基本要求v新課程必修加選修新課程必修加選修v多年改革的效果如何？多年改革的效果如何？v2.3 改革課程改革課程v全方位的改革全方位的改革v教材內(nèi)容教材內(nèi)容v課程結(jié)構課程結(jié)構v教學方式教學方式v評價體系評價體系v組織形式組織形式v我們可以做什么？我們可以做什么？ 多少年來的教材改革沒有解決學生的知多少年來的教材改革沒有解決學生的知識結(jié)構問題，多少年來的教育

8、改革沒有解決識結(jié)構問題，多少年來的教育改革沒有解決學生學業(yè)負擔過重的問題，當前的新課程改學生學業(yè)負擔過重的問題，當前的新課程改革又一次給我們帶來了一些希望。革又一次給我們帶來了一些希望。3 我們要進行的研究我們要進行的研究v3.1 總體目標總體目標v選修課的教材研究和教學實踐選修課的教材研究和教學實踐v3.1.1 課程性質(zhì)課程性質(zhì)v形式形式 校本選修校本選修v內(nèi)容內(nèi)容 以物理學為中心的文理貫通知識以物理學為中心的文理貫通知識v目的目的 有效改善學生的知識結(jié)構有效改善學生的知識結(jié)構v 樹立科學精神和人文精神樹立科學精神和人文精神v3.1.2 研究的基礎研究的基礎v前期我們已經(jīng)做了有關的研究：前期

9、我們已經(jīng)做了有關的研究：v 對科學和哲學進行了研究對科學和哲學進行了研究v 對科學和文化進行了研究對科學和文化進行了研究v v連載連載1 怎樣看待古希臘哲學怎樣看待古希臘哲學 中學物理教學參考中學物理教學參考2004年年1、2期合刊期合刊v連載連載2 孩子孩子哲學哲學物理學物理學 中學物理教學參考中學物理教學參考2004年第年第3期期v連載連載3 科學和哲學的分水嶺科學和哲學的分水嶺 中學物理教學參考中學物理教學參考2004年第年第4期期v連載連載4 科學統(tǒng)一世界科學統(tǒng)一世界 中學物理教學參考中學物理教學參考2004年第年第5期期v連載連載5 理性理性實踐實踐信仰信仰 中學物理教學參考中學物理

10、教學參考2004年第年第6期期v連載連載6 悖論悖論,科學問題的哲學思辨科學問題的哲學思辨 中學物理教學參考中學物理教學參考2004年第年第7期期v連載連載7 智慧就是力量智慧就是力量 中學物理教學參考中學物理教學參考2004年第年第8期期v連載連載8 理念的世界理念的世界 中學物理教學參考中學物理教學參考2004年第年第9期期v連載連載9 科學規(guī)律的形式科學規(guī)律的形式 中學物理教學參考中學物理教學參考2004年第年第10期期v連載連載10 存在和變化存在和變化 中學物理教學參考中學物理教學參考2004年第年第11期期v連載連載11 一半隨緣，一半隨機一半隨緣，一半隨機 中學物理教學參考中學物

11、理教學參考2004年第年第12期期v連載連載12 科學和哲學的匯合科學和哲學的匯合 中學物理教學參考中學物理教學參考2005年年1、2期合刊期合刊v連載連載13 從物質(zhì)、運動不滅思想到守恒定律從物質(zhì)、運動不滅思想到守恒定律 v 中學物理教學參考中學物理教學參考2005年第年第3期期v連載連載14 人擇原理人擇原理 中學物理教學參考中學物理教學參考2005年第年第4期期v連載連載15 永恒的魅力永恒的魅力 中學物理教學參考中學物理教學參考2005年第年第5期期v連載連載1 東方文化的魅力東方文化的魅力 物理教師物理教師2007年第年第3期期v連載連載2 燦爛的古希臘文化燦爛的古希臘文化 物理教師

12、物理教師 2007年第年第4期期v連載連載3 科學的興起科學的興起 物理教師物理教師 2007年第年第5期期v連載連載4 科學改變了世界科學改變了世界 物理教師物理教師 2007年第年第6期期v連載連載5 人類的交通變革人類的交通變革 物理教師物理教師 2007年第年第7期期v連載連載6 從結(jié)繩記事到互聯(lián)網(wǎng)從結(jié)繩記事到互聯(lián)網(wǎng) 物理教師物理教師 2007年第年第8期期v連載連載7 娛樂的意義娛樂的意義 物理教師物理教師 2007年第年第9期期v連載連載8 戰(zhàn)爭文化的變遷戰(zhàn)爭文化的變遷 物理教師物理教師 2007年第年第10期期v連載連載9 凝固的音樂凝固的音樂 物理教師物理教師 2007年第年第

13、11期期v連載連載10 文明的兩翼文明的兩翼 物理教師物理教師 2007年第年第12期期v連載連載11 科學精神科學精神 物理教師物理教師 2008年第年第1期期v連載連載12 科學美科學美 物理教師物理教師 2008年第年第2期期v連載連載13 科學的文化背景科學的文化背景 物理教師物理教師 2008年第年第3期期v連載連載14 科學的社會建制科學的社會建制 物理教師物理教師 2008年第年第4期期v連載連載15 從蒙難到和諧從蒙難到和諧 物理教師物理教師 2008年第年第5期期v連載連載16 法的科學背景法的科學背景 物理教師物理教師 2008年第年第6期期v連載連載17 文化的載波文化的

14、載波 物理教師物理教師 2008年第年第8期期v連載連載18 理性的呼喚理性的呼喚 物理教師物理教師 2008年第年第9期期v連載連載19 時代精神的精華時代精神的精華 物理教師物理教師 2008年第年第10期期v對當前教育界課題立項的兩點困惑：對當前教育界課題立項的兩點困惑：v1.研究期限為研究期限為2年？年？v2.研究結(jié)果一定成功？研究結(jié)果一定成功？v這項研究做過了！這項研究做過了！v這項研究成功了？這項研究成功了？v3.1.3 課程的實施課程的實施 我們在思考的問題：我們在思考的問題：v教材具有怎樣的面貌？教材具有怎樣的面貌？v授課模式會有變化嗎？授課模式會有變化嗎？v怎樣促進學生的發(fā)展

15、？怎樣促進學生的發(fā)展？ 以校本課程的形式進行這項改革，具有以校本課程的形式進行這項改革，具有靈活性。如果這項改革失敗了，那么就轉(zhuǎn)向靈活性。如果這項改革失敗了，那么就轉(zhuǎn)向別的方向。如果這項改革能成功，那么逐步別的方向。如果這項改革能成功，那么逐步把這門選修課變成必修課。把這門選修課變成必修課。v3.2 本課程內(nèi)容介紹本課程內(nèi)容介紹v3.2.1 四個板塊四個板塊v古希臘古希臘文明文明v科學的文化背景科學的文化背景v歷史上最美麗的實驗歷史上最美麗的實驗v科學家的思維科學家的思維v文理貫通與古希臘文明文理貫通與古希臘文明v關于西方文化的源頭關于西方文化的源頭v關于科學文化的源頭關于科學文化的源頭v古希

16、臘文明本身是文理貫通的古希臘文明本身是文理貫通的v文理貫通與科學文理貫通與科學的文化背景的文化背景v科學是一種文化科學是一種文化v科學科學的形式和內(nèi)容跟文化有關的形式和內(nèi)容跟文化有關v文理貫通與科學史文理貫通與科學史上的重要實驗上的重要實驗v實驗不僅僅屬于科學的范疇實驗不僅僅屬于科學的范疇v實驗實驗是人是人做的、是在做的、是在一定的歷史條件下一定的歷史條件下做的做的v科學實驗本身是文理貫通的科學實驗本身是文理貫通的v文理文理貫通與科學家貫通與科學家的思維的思維v科學家的思維不僅是科學的科學家的思維不僅是科學的v也是一定的歷史的、社會條件形成的也是一定的歷史的、社會條件形成的v科學家的思維內(nèi)容本

17、身也是文理貫通的科學家的思維內(nèi)容本身也是文理貫通的v3.2.2 三條線索三條線索v歷史歷史v詩歌詩歌v哲學哲學第第1條線索：科學史教育條線索：科學史教育關于科學史的認識關于科學史的認識 必然性和偶然性問題必然性和偶然性問題關于科學史教學的做法關于科學史教學的做法 引入引入 簡單化簡單化 割裂割裂v下面列舉的事例中，正確的是（下面列舉的事例中，正確的是（ ）。）。v（a）居里夫婦用）居里夫婦用粒子轟擊鋁箔時發(fā)現(xiàn)了正電子粒子轟擊鋁箔時發(fā)現(xiàn)了正電子v（b）盧瑟福的原子結(jié)構學說成功地解釋了氫原子）盧瑟福的原子結(jié)構學說成功地解釋了氫原子的發(fā)光現(xiàn)象的發(fā)光現(xiàn)象v（c）麥克斯韋從理論上預言了電磁波的存在，赫）

18、麥克斯韋從理論上預言了電磁波的存在，赫茲用實驗方法給予證實茲用實驗方法給予證實v（d）玻爾建立了量子理論，解釋了各種原子發(fā)光）玻爾建立了量子理論，解釋了各種原子發(fā)光現(xiàn)象現(xiàn)象v把科學家和科學成就進行連線把科學家和科學成就進行連線 v牛頓牛頓 萬有引力定律萬有引力定律v法拉第法拉第 電磁感應定律電磁感應定律v愛因斯坦愛因斯坦 相對論相對論v玻爾玻爾 量子理論量子理論v歷史故事給人以貫通的脈絡歷史故事給人以貫通的脈絡v牛頓的少年時代牛頓的少年時代v倫敦的瘟疫倫敦的瘟疫v劍橋的放假劍橋的放假v牛頓的研究牛頓的研究v三句名言，三個故事三句名言，三個故事v尤里卡尤里卡v給我一個支點，我就能撬動地球給我一個

19、支點，我就能撬動地球v不要動我的圖不要動我的圖后續(xù)的故事后續(xù)的故事羊皮書的故事羊皮書的故事阿基米德的著作在中世紀阿基米德的著作在中世紀有有3個副本個副本10世紀抄在羊皮紙上（希臘文）世紀抄在羊皮紙上（希臘文）12世紀一名僧侶得到羊皮書洗凈墨跡抄寫祈禱文世紀一名僧侶得到羊皮書洗凈墨跡抄寫祈禱文1906年哥本哈根大學教授發(fā)現(xiàn)給書上有阿基米德著作年哥本哈根大學教授發(fā)現(xiàn)給書上有阿基米德著作19191922年年發(fā)生希土戰(zhàn)爭該書失蹤發(fā)生希土戰(zhàn)爭該書失蹤1998年該書現(xiàn)身，被拍賣后送巴爾的摩華特斯美術館年該書現(xiàn)身，被拍賣后送巴爾的摩華特斯美術館古文物復原專家復原阿基米德著作古文物復原專家復原阿基米德著作恢復

20、了恢復了80%華特斯美術館善本書籍部主任：華特斯美術館善本書籍部主任：“這猶如從公元前這猶如從公元前3世紀收到一份傳真。真是令人興奮不已。世紀收到一份傳真。真是令人興奮不已?！笨茖W史教育科學史教育 不僅是我們物理教學的內(nèi)容不僅是我們物理教學的內(nèi)容 而且也是進行素質(zhì)教育的方法而且也是進行素質(zhì)教育的方法科學史教育科學史教育 科學知識與技能的傳授科學知識與技能的傳授 科學過程與科學方法的教學，科學過程與科學方法的教學， 科學情感、科學態(tài)度和價值觀的教育。科學情感、科學態(tài)度和價值觀的教育。 v第第2條線索：詩歌條線索：詩歌v詩歌給人以聯(lián)想的意象詩歌給人以聯(lián)想的意象 丘成桐描述陳省身的陳氏類的研究：丘成

21、桐描述陳省身的陳氏類的研究：采菊東籬下采菊東籬下悠然見南山悠然見南山 丘成桐描述自己的超對稱的引力場結(jié)構的研究：丘成桐描述自己的超對稱的引力場結(jié)構的研究： 落花人獨立落花人獨立微雨燕雙飛微雨燕雙飛 朱夏院士：朱夏院士：紅巖百丈英雄嶺，紅巖百丈英雄嶺，捻指油砂自在香。捻指油砂自在香。似挽流光酬寂寞，似挽流光酬寂寞，格孜湖水擁斜陽。格孜湖水擁斜陽。關于牛頓的評價關于牛頓的評價關于牛頓的傳記關于牛頓的傳記牛頓自己的語錄牛頓自己的語錄都沒有詩歌浪漫，給人以聯(lián)想都沒有詩歌浪漫，給人以聯(lián)想 墓志銘墓志銘 這兒安睡著伊薩克這兒安睡著伊薩克牛頓爵士。他以超乎常人牛頓爵士。他以超乎常人的智力，用他所發(fā)明的數(shù)學方

22、式，第一次證明了行的智力，用他所發(fā)明的數(shù)學方式，第一次證明了行星的運動和圖像，彗星的軌道和大海的潮汐；他研星的運動和圖像，彗星的軌道和大海的潮汐；他研究了各種不同的光線，以及由此所產(chǎn)生的顏色的性究了各種不同的光線，以及由此所產(chǎn)生的顏色的性質(zhì)，而這些都是別人連想都沒想到的；對于自然、質(zhì)，而這些都是別人連想都沒想到的；對于自然、歷史和圣經(jīng)，他是一個勤奮、敏銳而忠實的銓釋者。歷史和圣經(jīng)，他是一個勤奮、敏銳而忠實的銓釋者。他用他的哲學證明了上帝的威嚴；他渡過了新教徒他用他的哲學證明了上帝的威嚴；他渡過了新教徒式的簡樸的一生。所有活著的人都為有他這樣一位式的簡樸的一生。所有活著的人都為有他這樣一位偉人而

23、感到幸福。偉人而感到幸福。 （蒲柏為牛頓寫的墓志銘）（蒲柏為牛頓寫的墓志銘）nature and natures law lay hid in night.god said, let newton be! and all was light.（蒲柏為牛頓寫的墓志銘）（蒲柏為牛頓寫的墓志銘）大自然及其規(guī)律大自然及其規(guī)律在黑暗中。在黑暗中。上帝說上帝說 讓牛頓去吧！讓牛頓去吧！于是一片光明。于是一片光明。（給牛頓建立科學理論附一首詩給牛頓建立科學理論附一首詩）一往倫敦抱敬思，劍河橋影斷腸時。一往倫敦抱敬思，劍河橋影斷腸時。千般落木見無數(shù)，萬物相引夢有知。千般落木見無數(shù)，萬物相引夢有知。昨念平拋隨歸

24、雁，今看星箭走西寺。昨念平拋隨歸雁，今看星箭走西寺。今朝留影功勛樹，再訪英倫會有期。今朝留影功勛樹，再訪英倫會有期。 （給牛頓建立科學理論附一首詩給牛頓建立科學理論附一首詩）夜幕下的沃斯索普村四周如夢，一片蛙聲回味著蘋果落地的瞬間追思著太陽色彩的光影那是大自然表演的精彩一幕引無數(shù)學子求索一生（給給阿基米德開創(chuàng)科學研究附一首詩阿基米德開創(chuàng)科學研究附一首詩）先賢希臘哲如林，獨立科學第一人。先賢希臘哲如林，獨立科學第一人。起舉地球施無力，計量王冠浴有盆。起舉地球施無力，計量王冠浴有盆。千人持鏡鏡焚艦，一劍刺君君斷魂。千人持鏡鏡焚艦，一劍刺君君斷魂。我為奇才長嘆息，羊皮書里讀傳真。我為奇才長嘆息，羊皮

25、書里讀傳真。 （給給阿基米德開創(chuàng)科學研究附一首詩阿基米德開創(chuàng)科學研究附一首詩）浴盆、杠桿、支點你是科學史上第一人，機器、鏡子、陽光你在保衛(wèi)戰(zhàn)中敵萬人，圓規(guī)、樹干、沙盤你的生命定格在研究的瞬間??！阿基米德你的智慧跨越關山萬里，你的精神穿透宇宙永恒。v第第3條線索：哲學條線索：哲學v哲學哲學給人以深刻給人以深刻的思想的思想v科學知識中科學知識中v認識論上認識論上v關于價值觀方面關于價值觀方面v牛頓的發(fā)現(xiàn)是必然的還是偶然的？牛頓的發(fā)現(xiàn)是必然的還是偶然的？v牛頓的世界觀是怎樣的？牛頓的世界觀是怎樣的？v歐氏平直空間、均勻時間歐氏平直空間、均勻時間v與運動無關的時空與運動無關的時空v機械決定論機械決定論

26、v第一推動第一推動v3.2.3 作業(yè)與考核作業(yè)與考核v開放性作業(yè)開放性作業(yè)v實驗制作的作業(yè)實驗制作的作業(yè)v學生喜歡作業(yè)嗎？學生喜歡作業(yè)嗎？v怎樣考核？怎樣考核？ 文理貫通從內(nèi)容上來說是古希臘文明、文理貫通從內(nèi)容上來說是古希臘文明、科學的文化背景、科學實驗、科學家思維四科學的文化背景、科學實驗、科學家思維四個板塊。從形式上來說是科學史、詩歌、哲個板塊。從形式上來說是科學史、詩歌、哲學三條路徑。學三條路徑。v3.3 文理貫通教學的實踐文理貫通教學的實踐v3.3.1 已經(jīng)進行的實踐（已經(jīng)進行的實踐（2項）項）v古希臘文明古希臘文明v科學的文化背景科學的文化背景v古希臘文明內(nèi)容提要古希臘文明內(nèi)容提要v

27、第一部分第一部分 科學的起源（第一、二講）科學的起源（第一、二講）v一、古希臘的神話一、古希臘的神話v二、古希臘的自然哲學二、古希臘的自然哲學v三、古希臘的理性精神三、古希臘的理性精神v四、古希臘的天文學四、古希臘的天文學v第二部分第二部分 希臘三賢（第三、四、五講）希臘三賢（第三、四、五講）v一、蘇格拉底一、蘇格拉底v二、柏拉圖二、柏拉圖v三、亞里士多德三、亞里士多德v第三部分第三部分 傳播至今的科學成就（第六、七講）傳播至今的科學成就（第六、七講）v一、歐幾里得幾何一、歐幾里得幾何v二阿基米德二阿基米德v第四部分第四部分 古希臘與現(xiàn)代文明（第八講）古希臘與現(xiàn)代文明（第八講）v一、希臘文化的

28、流傳一、希臘文化的流傳v二、希臘的學術、民主制度、藝術對現(xiàn)代的影響二、希臘的學術、民主制度、藝術對現(xiàn)代的影響v三、對現(xiàn)代文明的思考三、對現(xiàn)代文明的思考蘇格拉底之死 罪名 服從審判 我去死，你們?nèi)セ睿烤拐l過得更幸福，唯有神知道。 v科學的科學的文化背景內(nèi)容提要文化背景內(nèi)容提要v第第1課課 中國古代科學的特點中國古代科學的特點v第第2課課 西方文化的源頭西方文化的源頭v第第3課課 東西方文化的對比東西方文化的對比v第第4課課 科學誕生的文化背景科學誕生的文化背景 v第第5課課 科學改變世界科學改變世界 v第第6課課 科學發(fā)展的動力科學發(fā)展的動力 v第第7課課 科學和理性科學和理性v第第8課課 時

29、代的旗幟時代的旗幟博弈：點線行棋和空間行棋博弈：點線行棋和空間行棋 科學表述科學表述 乙乙丙丙丁丁甲甲 c)ln(dxaxax丙天）對（甲天天甲禾v3.3.2 實踐的反思實踐的反思v堅持方向（學生的需要）堅持方向（學生的需要）v改善形式（學生的向往）改善形式（學生的向往）v作業(yè)是問題（學生要嗎？）作業(yè)是問題（學生要嗎？） 本項研究的實施既有有利條件，也有不本項研究的實施既有有利條件，也有不利條件。有利條件是有一部分學生對文理貫利條件。有利條件是有一部分學生對文理貫通課程有興趣；不利條件是課程要求的落實通課程有興趣；不利條件是課程要求的落實有相當?shù)碾y度。有相當?shù)碾y度。v舉例片斷舉例片斷1. 電子

30、雙縫干涉實驗電子雙縫干涉實驗最美麗的物理實驗最美麗的物理實驗一、實驗背景一、實驗背景1. 物質(zhì)波理論的創(chuàng)立物質(zhì)波理論的創(chuàng)立 法國物理學家法國物理學家德布羅意德布羅意，原來學，原來學歷史歷史，第一，第一次世界大戰(zhàn)期間曾在軍隊服役從事無線電工作。次世界大戰(zhàn)期間曾在軍隊服役從事無線電工作。平時愛讀彭加勒、洛侖茲和朗之萬的科學著作。平時愛讀彭加勒、洛侖茲和朗之萬的科學著作。后對普朗克、愛因斯坦和玻爾的工作發(fā)生了興后對普朗克、愛因斯坦和玻爾的工作發(fā)生了興趣，轉(zhuǎn)而研究物理學。退伍后隨朗之萬攻讀物趣，轉(zhuǎn)而研究物理學。退伍后隨朗之萬攻讀物理學博土學位。他的兄長莫里斯理學博土學位。他的兄長莫里斯德布羅意是一德布

31、羅意是一位研究位研究x射線的專家，曾在射線的專家，曾在1911年第一屆索爾年第一屆索爾威會議上擔任秘書，負責整理文件。那次會議威會議上擔任秘書，負責整理文件。那次會議的主題是關于輻射和量子論。會議文件對路易的主題是關于輻射和量子論。會議文件對路易斯有很大啟發(fā)。莫里斯和另一位斯有很大啟發(fā)。莫里斯和另一位x射線專家布射線專家布拉格聯(lián)系密切。布拉格曾主張過拉格聯(lián)系密切。布拉格曾主張過x射線的粒子射線的粒子性。這個觀點對莫里斯很有影響，所以他經(jīng)常性。這個觀點對莫里斯很有影響，所以他經(jīng)常跟弟弟討論波和粒子的關系。跟弟弟討論波和粒子的關系。路易斯德布羅意（1892-19871892-1987）2. 三篇重

32、要的論文三篇重要的論文 1923年年9-10月間，德布羅意連續(xù)在月間，德布羅意連續(xù)在法國科學院通報法國科學院通報上發(fā)表了三篇有關上發(fā)表了三篇有關波和量子的論文。波和量子的論文。 第一篇是第一篇是輻射輻射波與量子波與量子，提出了實物粒子也有波粒二象性，認為，提出了實物粒子也有波粒二象性，認為與運動粒子相應的還有一正弦波，兩者總保持相同的位相。后來他把這種假與運動粒子相應的還有一正弦波，兩者總保持相同的位相。后來他把這種假想的非物質(zhì)波稱為相波。想的非物質(zhì)波稱為相波。 第二篇題為第二篇題為光學光學光量子、衍射和干涉光量子、衍射和干涉的論文中，德布羅意提出的論文中，德布羅意提出如下設想：如下設想：“在

33、一定情形中，任一運動質(zhì)點能夠被衍射。穿過一個相當小的在一定情形中，任一運動質(zhì)點能夠被衍射。穿過一個相當小的開孔的電子群會表現(xiàn)出衍射現(xiàn)象。正是在這一方面，有可能尋得我們觀點的開孔的電子群會表現(xiàn)出衍射現(xiàn)象。正是在這一方面，有可能尋得我們觀點的實驗驗證。實驗驗證?！?第三篇題為第三篇題為量子氣體運動理論以及費馬原理量子氣體運動理論以及費馬原理的論文的論文中他進一步提出，中他進一步提出，“只有滿足位相波諧振，才是穩(wěn)定的軌道只有滿足位相波諧振，才是穩(wěn)定的軌道”。在第二年的博士論文中，他更明確地寫下了：在第二年的博士論文中，他更明確地寫下了：“諧振條件是諧振條件是 ，即電子軌道的周長是位相波波長的整數(shù)倍。

34、，即電子軌道的周長是位相波波長的整數(shù)倍?！?ln 德布羅意的論文發(fā)表后，當時并沒有多大反應，一些人認為他的德布羅意的論文發(fā)表后，當時并沒有多大反應，一些人認為他的想法過于玄妙。后來朗之萬將論文寄了一份給愛因斯坦。愛因斯坦向想法過于玄妙。后來朗之萬將論文寄了一份給愛因斯坦。愛因斯坦向來欣賞物理學中的對稱性，對德布羅意的想法很感興趣，竭力支持。來欣賞物理學中的對稱性，對德布羅意的想法很感興趣，竭力支持。愛因斯坦在給朗之萬的復信中對德布羅意的工作給于很高的評價，聲愛因斯坦在給朗之萬的復信中對德布羅意的工作給于很高的評價，聲稱這是稱這是“揭開了大幕的一角揭開了大幕的一角”。同年愛因斯坦寫信給洛侖茲，詳

35、細地。同年愛因斯坦寫信給洛侖茲，詳細地談到德布羅意的工作：談到德布羅意的工作：“我們熟知的我們熟知的m德布羅意的弟弟已經(jīng)對解釋玻德布羅意的弟弟已經(jīng)對解釋玻爾和索末菲的量子規(guī)則作了非常有趣的解釋。我相信這對于揭示我們爾和索末菲的量子規(guī)則作了非常有趣的解釋。我相信這對于揭示我們物理學中最難以捉摸的謎，開始露出了一線微弱的光芒。我還發(fā)現(xiàn)了物理學中最難以捉摸的謎，開始露出了一線微弱的光芒。我還發(fā)現(xiàn)了支持他的解釋的一些東西。支持他的解釋的一些東西?！?. 愛因斯坦的支持愛因斯坦的支持4. 兩個重要的關系式兩個重要的關系式ehhhpmv方程的意義：方程的意義： 方程把粒子性的特征量與波的特征量有機地統(tǒng)一起

36、來，方程把粒子性的特征量與波的特征量有機地統(tǒng)一起來，顯示了粒子波粒二象性之間的本質(zhì)關系。通過方程可實現(xiàn)粒顯示了粒子波粒二象性之間的本質(zhì)關系。通過方程可實現(xiàn)粒子的特征量與波的特征量之間的相互轉(zhuǎn)換。子的特征量與波的特征量之間的相互轉(zhuǎn)換。 普朗克常量普朗克常量h成為德布羅意方程是否起實際作用的分水成為德布羅意方程是否起實際作用的分水嶺。由于普朗克常量嶺。由于普朗克常量h的值很小，與宏觀粒子相伴隨的物質(zhì)的值很小，與宏觀粒子相伴隨的物質(zhì)波長趨近于零。方程對宏觀粒子的運動沒有實際意義。波長趨近于零。方程對宏觀粒子的運動沒有實際意義。 1925年，戴維遜年，戴維遜革末用具有一定波長革末用具有一定波長(一一定

37、能量定能量)的電子，垂直地射向金屬鎳單晶的平面的電子，垂直地射向金屬鎳單晶的平面上，觀察散射電子束的強度與散射角的關系。上，觀察散射電子束的強度與散射角的關系。 右圖中，電子槍右圖中，電子槍k發(fā)射電子，電子束在晶體發(fā)射電子，電子束在晶體表面上被散射，與入射方向成表面上被散射，與入射方向成角的散射電子束，角的散射電子束，被與電流計相連的法拉第圓筒收集。由電流計被與電流計相連的法拉第圓筒收集。由電流計的讀數(shù)可以測出散射電子束的強度。當?shù)淖x數(shù)可以測出散射電子束的強度。當 角取角取某些特定值時，散射電子束的強度有極大值。某些特定值時，散射電子束的強度有極大值。這與這與x射線的衍射現(xiàn)象相同，從而很好的證

38、明射線的衍射現(xiàn)象相同，從而很好的證明了電子具有波動性。了電子具有波動性。5. 德布羅意波的證實德布羅意波的證實戴維遜和湯姆生因發(fā)現(xiàn)電子衍射現(xiàn)象而獲得戴維遜和湯姆生因發(fā)現(xiàn)電子衍射現(xiàn)象而獲得1937年諾貝爾年諾貝爾物理學獎。物理學獎。德布羅意提出的物質(zhì)波思想是一次偉大的綜合。完全對立德布羅意提出的物質(zhì)波思想是一次偉大的綜合。完全對立的波和粒子觀念，第一次既互相排斥又彼此協(xié)調(diào)地貫穿于的波和粒子觀念，第一次既互相排斥又彼此協(xié)調(diào)地貫穿于物理現(xiàn)象之中。物理現(xiàn)象之中。 1926年，年，gp湯姆生讓電子通過金屬箔獲得了衍射圖樣。湯姆生讓電子通過金屬箔獲得了衍射圖樣。二、電子雙縫干涉實驗二、電子雙縫干涉實驗視頻

39、：視頻： 1961年，德國物理學家約恩孫在銅膜上開了縫寬為年，德國物理學家約恩孫在銅膜上開了縫寬為0.3m，縫長為，縫長為50m，相鄰縫間距為，相鄰縫間距為1m的單縫、雙縫、的單縫、雙縫、三縫、四縫、五縫做實驗。實驗中采用三縫、四縫、五縫做實驗。實驗中采用50kv電壓加速電電壓加速電子，利用電磁透鏡放大在距狹縫子，利用電磁透鏡放大在距狹縫35cm處圖像。處圖像。約恩孫約恩孫1. 實驗裝置實驗裝置2. 實驗現(xiàn)象：實驗現(xiàn)象：理查德理查德費曼：仔細地思考雙縫實驗的意義，我們就能夠一費曼：仔細地思考雙縫實驗的意義，我們就能夠一點一滴地了解整個量子力學。透過雙縫實驗，我們可以明點一滴地了解整個量子力學。

40、透過雙縫實驗，我們可以明了量子世界的真諦。了量子世界的真諦。 一種看法是“波由粒子組成”。認為實驗中的干涉條紋是組成波的電子之間相互作用的結(jié)果。事實證明這種看法是錯誤的，如在電子雙縫干涉實驗中減小電流的強度，使電子幾乎一個一個地從電子槍射出時，實驗發(fā)現(xiàn)，當通過的電子數(shù)比較少時，照相底片上只是一些無規(guī)則的點子，但當時間足夠長，收集了大量電子以后，底板上顯示了與用強度大的電子流做實驗時一樣的條紋。這說明電子的波動性并不依賴于大量電子在空間聚集和相互作用，既使單個電子也具有波動性。3. 歷史上的錯誤解釋歷史上的錯誤解釋另一種看法是“粒子由波組成”。把粒子看成是物質(zhì)波的“波包”。所謂波包是指如圖所示那

41、樣，其振幅只限于很小的空間范圍內(nèi)出現(xiàn)的波，它是由許多頻率連續(xù)分布的簡諧波合成的。這種觀點把一個粒子就看成是一個波包：波包的大小就是粒子的大小。理論證明物質(zhì)波包必然要擴散，形象地說隨著時間的推得粒子將要愈變愈胖”。這與實驗事實是矛盾的。4. 電子的物質(zhì)波到底是什么？電子的物質(zhì)波到底是什么？玻恩：玻恩：單個粒子在空間的位置是不確定的，但有一定的單個粒子在空間的位置是不確定的，但有一定的幾率分布，這分布是由物質(zhì)波的強度決定的，在物質(zhì)波幾率分布，這分布是由物質(zhì)波的強度決定的，在物質(zhì)波強度大的地方，粒子出現(xiàn)的幾率大。強度大的地方，粒子出現(xiàn)的幾率大。薛定諤：薛定諤：可以認為是抹開的電子。可以認為是抹開的電子。費曼：費曼：物體之所以發(fā)生干涉，是因為物體從出發(fā)點到終物體之所以發(fā)生干涉，是因為物體從出發(fā)點到終點的路程有無數(shù)多條，其中一些路徑正好能發(fā)生干涉，點的路程有無數(shù)多條，其中一些路徑正好能發(fā)生干涉，而其他不是。由于物質(zhì)自身的內(nèi)秉性質(zhì)，通過對無數(shù)多而其他不是。由于物質(zhì)自身的內(nèi)秉性質(zhì)，通過對無數(shù)多條可能路徑的路徑積分，我們可以得到一個結(jié)論：條可能路徑的路徑積分，我們可以得到一個結(jié)論：一切一切不合事實不合事實的路徑總歸是相互抵消的。的路徑總歸是相互抵消的。 在諸多證明實物粒子的波動性的實驗中，電子雙縫在諸多證明實物粒子的波動性的實驗中，電子雙縫干涉實驗是最本