物理学史在大学物理课堂教学中的应用

摘 要：为更好地进行大学物理课堂教学,将学科内容分为力、振动与波、热、光、电磁和近代物理六个模块,讨论在正常课程进度中适时加入一些有意义的物理学史的知识,激发学生兴趣,同时也可加深对相关内容的理解,以提高课堂教学效率.

关 键 词：大学物理；物理学史；课堂教学；兴趣激发

作者简介：李玲（1980-）,女,湖北荆州人,长江大学工程技术学院,讲师.（湖北荆州430020）

基金项目：本文系长江大学工程技术学院教研基金项目（项目编号：JY201112）的研究成果.

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2014）08-0122-02

一、大学物理课程的意义

物理是自然科学的基础性学科,它的知识体系和思维方法贯穿人们学习自然科学知识的始终,培养人的科学精神,陶冶人的科学思维,教会人应用科学方法解决具体问题.大学物理是工程技术学院（以下简称“我院”）相关系部许多专业课的理论基础,但因有些学生认识不到这门课的重要性,经常在课程中期出现畏难厌学现象.现通过改革课堂教学内容,提高学生对物理的学习兴趣,以期提高教学质量.

物理学史上的许多名人轶事及其主要研究成果的研发过程都对今人有积极的指导作用,如光学波粒二象性对立统一的认知发展过程.若能结合教学内容将物理学史中有代表性的知识体系发展融入教学过程,既可激发学习兴趣,改变满堂灌的理论推导,又可有机地将物理知识要点与科学的世界观及哲学发展理论结合起来,有利于学生知识底蕴的累积和眼界的开阔.

表1大学物理全模块教学内容及课时分配

我院经过数年的大学物理模块化教学改革[1]后,将学科内容分为六个模块（表1）,参考课时分配,本文讨论如何在课堂教学中将物理学发明史、名人史等容易激发学生兴趣的内容导入,以及导入后其对课题教学可起到的积极作用,课程内容以我院现在使用的大学物理教材[2]为准.

二、大学物理全模块教学内容

1.力学

力学部分的讲授内容比较多,是物理学实践探索方法与思想体系建立的基础.质点运动学有两次课,第一次课绪论开端讨论物理学科的研究范围,介绍从古人对自然的朴素的感性认知,到近代利用微积分等数学工具归纳推导大量天文观测数据及实验室数据而获得的经典物理学基本定理与定律,再到近现代的量子物理和相对论,物理的发展史即人类文明的发展史.这两次课中要将大学物理用到的微积分、矢量等数学知识进行系统化介绍,而微积分的发明者之一牛顿正是近代物理的标志人物.

牛顿定律部分由于学生熟悉内容,在理论讲授部分很容易分散注意力,因此,介绍相关物理学史知识可以有效地激发学生兴趣.如被称为近代物理学之父的伽利略,其著名的比萨斜塔落体实验、斜面实验皆入选最美丽的十大物理实验,[3]其物理思想如惯性、力与运动的关系等,是牛顿定律得以建立的基石.而牛顿在1687年发表的《自然哲学的数学原理》里提出的万有引力定律以及他的牛顿运动定律是经典力学的基石.质点动力学的最后一节非惯性系略有些抽象.以科里奥利命名的旋转参考系中的惯性力有许多常见实例,很容易激发学生探究兴趣,如台风气旋、下水方向、河道两边的不对称冲刷,以及著名的列入十大最美物理实验之一的傅科摆.[3]

刚体力学三次课相对来讲较难较抽象,需要用到微积分、空间立体几何及矢量叉乘知识,质点的角动量守恒可以将开普勒第二定律的反向证明作为计算实例,而历史上牛顿正是由开普勒第二定律推导定义角动量的概念.在大段相对沉闷的概念讲解和定理推导之后,第谷与开普勒师生的历史故事以及他们对物理学发展的贡献很容易引起学生的兴趣.

2.振动与波

由于简谐振动的振动方程、平面简谐波的波动方程等都比较抽象,其对应物理量的计算和转换多,所以此处学生最易产生厌学情绪.

机械振动两次课,第一节课可用中国2013年6月太空课堂的单摆实验导入；第二次课的利萨,及其后的阻尼振动及共振在生活中的应用及历史中的实例就更多了,例如著名的18世纪拿破仑士兵齐步过桥致桥塌事件.在西方,波动现象的本质首先是由达芬奇发现的.机械波致质点受迫振动也可举共振的例子,如中国古代战场上利用共振器判断敌军多寡和方位、唐朝寺庙钟磬声波共鸣等事例.第二次课中可以用1842年多普勒在散步时的“多普勒效应”导入,目前该效应应用很广.

3.热学

热学部分我院仅勘工和化工类专业需要学习.气体动理论部分的两次课中涉及到微积分的计算不太多,学生们对克拉伯龙方程也有一定基础,总体难度不大.第二次课讲自由度及麦氏速率分布率时,由于涉及到统计学,相对比较枯燥且理论公式冗长.可以在前期已观察到学生状态及接受水平的基础上,淡化理论,介绍一下科学家麦克斯韦生平.麦克斯韦被誉为牛顿与爱因斯坦之间最伟大的物理学家,其一生对物理学的卓越贡献不仅表现在对后世产生巨大影响的电磁学上.他在热力学方面提出的麦克斯韦速率分布式也是应用最广泛的科学公式之一,在许多物理分支中起着重要的作用.同时代的科学家玻尔兹曼将麦克斯韦速率分布式应用到保守力场中,提出了玻尔兹曼速率分布律,在热力学研究中也具有重要地位.玻尔兹曼把物理体系的熵和概率联系起来,阐明了热力学第二定律的统计性质并引出了能量均分原理.

热力学基础三次课,可联系科学发展史上对永动机的探索导入.如第一类永动机不可能被创造出来是违背了能量守恒定律,但其探索过程为热力学第一定律的建立提供了实验基础；第二类永动机则违背了热力学第二定律.此外,热机的发明是工业革命的标志之一,第二次课的循环过程可借此话题导入.

4.光学

光学是一个古老而充满活力的学科.[4]从十七世纪中叶牛顿和惠更斯分别提出光的微粒学说和波动学说之后,对于光的本质的讨论一直是科学界热点话题,直到二十世纪爱因斯坦提出光的波粒二象性才告一段落.牛顿对光学的研究可视为近代光学的开端,其棱镜分解白光实验入选十大最美物理实验,[3]而牛顿环实验至今仍是大学普通物理实验室经典必选实验之一.因牛顿的权威,光的微粒学说在科学界占主导地位达一个多世纪.光的干涉第一次课以十九世纪初托马斯杨的双缝干涉实验导入,这一实验揭开了近代波动光学的序幕,亦是十大最美丽的物理实验之一.[3]第二次课薄膜干涉可以用牛顿环导入.第三次课相似度检测绍在物理学史上有重要地位的迈克尔逊（1907年获诺贝尔奖）干涉仪.在衍射部分,将菲涅尔等实验证明的著名泊松亮斑在第一次课中作简单介绍,可以很好激发学生的讨论热情,因泊松亮斑的相关历史很多学生都有所了解.第二次课的X射线衍射的发现过程亦十分有趣,伦琴（1901年获诺贝尔奖）夫人戴婚戒的手骨底片是第一张X光照片.

光的偏振总体上是介绍性质的讲授,重点是1808年发现的马吕斯定律和1815年布儒斯特定律,不作重点但比较有趣的双折射现象则是早在1669年就被人们发现的,其在生活中可作为辨别晶体与非晶体的一种方式.

5.电磁学

经典电磁学理论是大学物理中的必修模块,虽然理论推导多、微积分计算多,但现在电磁学在生活中的应用无处不在,且名人辈出,将课上得生动有趣并不困难.如静电学部分的库仑定律是1785年的库仑扭秤实验确立的,电荷的不连续性是由1909年密立根油滴实验证明,该实验是十大最美物理实验之一.[3]第三次课讲授的静电场高斯定理因“数学之王”高斯得名.高斯生平传闻轶事很多,尤其是其研究生时期,误将悬留两千余年未解的尺规作正十七边形问题作为导师布置的课后作业一夜解决的故事,与学生们发散讨论其心理学与教育学意义,对于学生打破心理设限努力钻研学习很有意义.

稳恒磁场八次课,第一次课可介绍中国古人在磁学方面的发现,司南和指南针的意义；1820年近代磁学标志性的奥斯特实验等,也是学生们熟悉且有兴趣的内容.第二次课的毕奥-萨伐尔定律,可介绍其定律的得出与安培、拉普拉斯等在数学上的帮助密不可分,再次强调大学物理学习中高数知识的重要性.安培是一位在数学、物理、化学领域都有很高造诣的科学家,约第四、五次课中学习的磁场安培环路定理、安培定律都由他发现,被称为“电学中的牛顿”.

电磁感应部分则由著名科学家法拉第的故事导入.被誉为电磁学领域的平民巨人,著名的自学成才的科学家法拉第,生于英国一个贫苦铁匠家庭,仅上过小学.1831年,他作出了关于力场的关键性突破,永远改变了人类文明.[4]法拉第是一位无以伦比的实验物理学家,在电磁学、化学、电解、气体液化等实验方面都做出了巨大贡献.而且法拉第十分幸运地在晚年遇到了既能理解他的物理思想,又长于数学的麦克斯韦,第三、四次课中的感生电场和位移电流检测设都是由麦克斯韦提出.麦克斯韦于1873年出版了科学名著《电磁理论》,系统、全面、完美地阐述了电磁场理论,这一理论成为经典物理学的重要支柱之一.1888年,赫兹经反复实验,终于发现了人们怀疑和期待已久的电磁波,由法拉第开创、麦克斯韦总结的电磁理论,得以完美的证明.

6.相对论与近代物理

这部分内容我院只有全模块的勘工和建环专业按十六课时教学并考试,其他专业都只作为了解内容,用物理学史的故事串讲主要内容即可：

（1）被誉为20世纪最伟大物理学家的爱因斯坦,其狭义相对论的两个重要结论：时间延缓和长度收缩效应,及物理学史上著名的双生子佯谬已被实验证明,而为爱因斯坦赢得1921年诺贝尔奖的是光电效应的研究.

（2）光电效应方程中的普朗克常数对描述光的量子性非常重要,因研究黑体辐射而提出该常数的普朗克（1918年诺贝尔物理学奖）是量子力学的创始人.有趣的是,普朗克本人并不认同量子理论的许多观点,直到爱因斯坦利用能量子检测设完美地解释了光电效应.

（3）被戏传一举拿下诺贝尔奖（1929）的德布罗意也是量子力学创始人之一,以物质波检测设理论最初的确是在其博士论文中提出的,因德布罗意是法国公爵兼德国王子,使其曾被传闻是一位花花公子,事实上德布罗意终身献身于科学,深居简出,是个标准的工作狂.

（4）提出氢原子能级检测设的天才玻尔是著名的哥本哈根学派创始人,量子力学的奠基人之一.

（5）概率波动力学的创始人薛定谔,提出著名检测设“薛定谔的猫”.

三、结束语

本文按长江大学使用的《大学物理》教材[2]中各章节先后顺序列出各章可能提及的名人轶事,希望对执教于大学物理的同仁们在课堂教学中有所助益.