淺談物理學(xué)史的教育功能

　　1 引言

　　在中國(guó)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?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到,現(xiàn)代教育在傳授學(xué)生豐富知識(shí)和技術(shù)的同時(shí),更應(yīng)該教會(huì)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(duì)自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)史,關(guān)注物理學(xué)概念和思想發(fā)展和變革的過(guò)程.一般來(lái)說(shuō),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(guò)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(shí)的同時(shí),了解科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科學(xué)爭(zhēng)論和科學(xué)重大實(shí)驗(yàn)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(huì)角色和人文意義,使學(xué)生樹(shù)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(lái)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(kù)侖定律是電磁學(xué)的基本定律之一,本文以庫(kù)侖定律的建立為例,通過(guò)點(diǎn)評(píng)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(duì)物理學(xué)史的教育功能進(jìn)行簡(jiǎn)要述評(píng).

　　2 物理學(xué)史中的庫(kù)侖定律

　　1760年,伯努利首先猜測(cè)電力會(huì)不會(huì)與萬(wàn)有引力相似,服從平方反比定律.這一想法非常具有代表性.同一時(shí)期,富蘭克林的空罐實(shí)驗(yàn)表明帶電金屬空腔內(nèi)部不帶電,對(duì)電力規(guī)律產(chǎn)生了重要啟示.富蘭克林的英國(guó)友人普利斯特利專門(mén)重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn),也設(shè)想電的吸引服從平方反比定律,并且在書(shū)中明確寫(xiě)出論斷.遺憾的是當(dāng)時(shí)尚無(wú)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行明確論證.

　　最終,現(xiàn)今所公認(rèn)的庫(kù)侖定律是由法國(guó)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(guò)定量的實(shí)驗(yàn)研究,并得到同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

　　1769年,羅比遜設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)臂裝置來(lái)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F∝1/r2+ 表示,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算得出δ=0.06,這個(gè)δ叫做指數(shù)偏差.羅比遜認(rèn)為,指數(shù)偏大的原因應(yīng)歸于實(shí)驗(yàn)誤差,由此得出平方反比定律的結(jié)論.但是,該實(shí)驗(yàn)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(shuō)后來(lái)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(lái)是依據(jù)不足的.

　　1773年,卡文迪許用兩個(gè)同心金屬殼做實(shí)驗(yàn),外球殼由兩個(gè)半球裝置而成,兩半球合起來(lái)正好形成內(nèi)球的同心球.通過(guò)一根導(dǎo)線將內(nèi)外球連起來(lái),外球殼帶電后,取走導(dǎo)線,打開(kāi)外球殼,檢驗(yàn)內(nèi)球殼是否帶電.結(jié)果顯示內(nèi)球沒(méi)有帶電,電荷完全分布在外球上.卡文迪許重復(fù)了多次實(shí)驗(yàn),確定電力服從平方反比定律,指數(shù)偏差不超過(guò)0.02.

　　1785年,庫(kù)侖用他本人發(fā)明的電扭秤得出了庫(kù)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(cè)知電力的大小.1787年庫(kù)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(cè)量異性電荷的吸引力時(shí)實(shí)驗(yàn)會(huì)遇到困難.同時(shí)還設(shè)計(jì)了第二種測(cè)量方法———電擺實(shí)驗(yàn),其原理與萬(wàn)有引力作用下的單擺實(shí)驗(yàn)相似.如果電引力也遵從平方反比規(guī)律,則他設(shè)計(jì)的電擺周期也應(yīng)與兩電荷距離成正比.庫(kù)侖的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)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(kù)侖定理由此為世人所知.

　　3 案例分析及點(diǎn)評(píng)

　　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(kù)侖定律是典型的由萬(wàn)有引力定律引發(fā)猜想再經(jīng)檢驗(yàn)確定的實(shí)驗(yàn)定律.在該定律的建立過(guò)程中,科學(xué)家們從牛頓著作中得到了啟示.因?yàn)榕ｎD早在1687年就證明過(guò),如果萬(wàn)有引力服從平方反比定律,則均勻的物質(zhì)球殼對(duì)殼內(nèi)物體應(yīng)無(wú)作用.由這個(gè)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(shí)驗(yàn)的過(guò)程中可以看出,平方反比的關(guān)系始終起指導(dǎo)作用.因?yàn)槠椒椒幢榷�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(lái)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(kù)侖執(zhí)著地認(rèn)為自己得出的指數(shù)偏差是由于系統(tǒng)誤差造成的,進(jìn)而積極地研究誤差原因.正是因?yàn)橛信ｎD力學(xué)理論的支撐,否則庫(kù)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(shí)的條件下,實(shí)驗(yàn)裝備精度有限,庫(kù)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(gè)指數(shù),究竟是誰(shuí)的實(shí)驗(yàn)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(cè)結(jié)論,然后用實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn).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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與主流不符,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(shí)驗(yàn)中的間接測(cè)量啟示

　　由前文可知,卡文迪許用最原始的電測(cè)儀器,獲得了相當(dāng)可靠而且精確的結(jié)果,這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)非常巧妙.該實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵在于通過(guò)數(shù)學(xué)處理,將直接測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接測(cè)量,并且用示零法 ( 只要結(jié)果是零,理論就成立) 來(lái)對(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)物理研究的啟示作用是巨大的.當(dāng)研究對(duì)象是一些不可測(cè)的或不容易測(cè)準(zhǔn)的物理量時(shí),通過(guò)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(cè)量的物理量,最后返回到初始問(wèn)題的解決.在相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中,都有用數(shù)學(xué)推導(dǎo)配合間接測(cè)量的例子.而且,轉(zhuǎn)換測(cè)量對(duì)象的前提條件是要有正確的理論指導(dǎo),否則只能在錯(cuò)誤的路上越走越遠(yuǎn).卡文迪許就是掌握了牛頓萬(wàn)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?yàn)和他的許多看法都沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表.羅比遜的論文1822年發(fā)表時(shí),庫(kù)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(shí),沒(méi)有及時(shí)發(fā)表而未對(duì)科學(xué)的發(fā)展起到應(yīng)有的推動(dòng)作用,使電學(xué)的歷史失去了其本來(lái)的面目.

　　3.3 從猜想到?jīng)Q斷,物理實(shí)驗(yàn)的重要作用

　　庫(kù)侖定律是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律,驗(yàn)證平方反比律的一種方法是假定作用力按F∝1/r2+ 變化,然后用實(shí)驗(yàn)測(cè)出δ的值.庫(kù)侖定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中,關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)不是電扭秤實(shí)驗(yàn),而是電擺實(shí)驗(yàn).因?yàn)橥�性電荷的斥力早已有普利斯特利的論斷和羅比遜的實(shí)驗(yàn)說(shuō)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(kù)侖定律是庫(kù)侖在1785年發(fā)現(xiàn)的,但實(shí)際上直到1787年發(fā)明了電擺實(shí)驗(yàn),異性電力得到證實(shí)后,庫(kù)侖定律才算是真正的塵埃落定.隨著實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn),他們測(cè)出的δ≤6×10 -16 .由此可知,完整的實(shí)驗(yàn)應(yīng)有的驗(yàn)證和決斷作用,在科學(xué)研究中無(wú)論如何都是不能抹煞的.

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　“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(shí)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(kù)侖定律為例,進(jìn)行了一個(gè)物理學(xué)史教育的實(shí)例分析.教師精選物理學(xué)史案例,引導(dǎo)學(xué)生點(diǎn)評(píng),使學(xué)生對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程有完整的認(rèn)識(shí),可以有效發(fā)揮物理學(xué)史對(duì)科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)功能.

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　[1] 郭奕玲,沈慧君.物理學(xué)史.北京:清華大學(xué)出版社,2005.8

　　[2] 全林.科學(xué)史簡(jiǎn)編.北京:科學(xué)出版社,2002

　　[3] 喬際平,劉甲珉.物理創(chuàng)造思維能力的培養(yǎng).北京:首都師范大學(xué)出版社,1998

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