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物理教学中的物理学史教育

发布时间:2021-07-19 09:00:36 浏览数:

20世纪50年代,美国哈佛大学 J• B•Conant倡导把科学史引入科学教育以来,物理学史研究无论是在研究领域还是在教学领域,都日益引起人们的重视.郭奕玲和沈慧君两位先生编著了《物理学史》,著名物理学家钱三强先生为其作序,序言开宗指出:“物理学发展史是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地,这块宝地很值得我们去开垦,这些精神财富很值得我们去发掘.”物理学史集中体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程,它包含了认识论和方法论的因素.物理学的发展史,实际上也是一部科学方法的发展史.在物理教学中把科学理论的建立,科学发现的过程以及科技发明对人类社会发展的贡献用生动事例展示给学生,了解物理学家的生平,各学派间的争端以及尚未解开的物理课题来激发学生学习物理的兴趣,使学生从中学习到严谨的科学态度,科学的思维方法,养成良好的学习习惯,变被动学习为主动获取知识.

1物理学史的引入可激发学生尝试科学探究与实践的兴趣

新课程重视科学探究对激发学生的求知欲,使学生受到科学方法的训练,培养学生良好的科学素质、创新意识和创造能力方面的重要意义.科学探究的要素包括:提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作.物理学史中这方面的例子很多,如在讲到法拉第电磁感应定律时,通过相关物理学史的介绍,使问题的引入自然.科学来源于实践,科学的动力在于人类的求知本性和在大自然中生存和发展的需要.教师可介绍富兰克林在用莱顿瓶进行放电实验的过程中,面对着电火花的闪光和劈啪声,总是禁不住联想到天空的雷电.他意识到莱顿瓶的电火花可能就是一种小型雷电.为了验证这个想法,必须将天空中的雷电引到地面上来.1752年7月的一个雷雨天,富兰克林用绸子做了一个大风筝.风筝顶上安上一根尖细的铁丝,丝线将铁丝联起来通向地面,丝线的末端拴一把铜钥匙,钥匙则插进一个莱顿瓶中.富兰克林将风筝放上天空等待打雷.突然,一阵雷电打下来,只见丝线上的毛毛头全都竖立起来,用手靠近铜钥匙,即发出电火花,天电终于被捉下来了.富兰克林发现,储存了天电的莱顿瓶可以产生一切地电所能产生的现象,这就证明了天电和地电是一样的.

2物理教学中穿插物理学史有助于学生全面理解物理规律

物理规律(包括物理定律、定理、原理、法则、公式等)反映了物理现象、物理过程在一定条件下发生、发展和变化的规律.在进行物理教学时,为了让学生最有效地掌握好物理规律,应使其对物理规律的建立过程有一定的了解,这就需要教师经常把物理学史知识渗透到物理教学之中.这是由于物理学的创立和发展是具有连续性的,后人的研究工作总是以前人的研究成果为基础,重要的物理规律都是经历了艰难和曲折的历史发展过程的.让学生了解这些规律的发现过程,会对学生学习物理规律、形成严谨的工作态度和作风产生重大的影响.例如在讲述万有引力定律和牛顿运动三定律时,可以给学生介绍当时的社会背景:l6世纪以后的欧洲,由于航海、战争和工业的需要,大大地促进了力学的发展,推动了对天体的观测和研究.波兰天文学家哥白尼对天象进行了长期的观测,获得了大量的观测资料,在对这些观测资料进行了整理和分析后,提出了“日心说”的理论体系,推翻了统治天文学领域一千多年的托勒密“地心说”体系,打开了自然科学的大门.继哥白尼之后,丹麦天文学家第谷以他惊人的毅力和毕生的精力对行星的运动进行了精确的观测,并采集到大量的观测数据,这为他的学生开普勒的进一步研究打下了良好的基础.开普勒有着丰富的想象力和杰出的数学才能,在整理和研究第谷所观测到的数据中总结出了开普勒三定律.

3物理学史加强科学研究方法教育,可培养学生的辩证唯物主义世界观

物理学是一门实验科学.1901年~1992年,共有142位物理学者荣获诺贝尔物理学奖,其中因实验而获奖的有103位.正如丁肇中教授所说:“物理学是从物理实验中产生的.”在实验课中引入物理学史,一方面是提高实验效果;另一方面是从历史上阐述相关理论的产生、发展、验证和形成的过程,通过史料知识把相关的理论知识连成网络,形成知识面,从而可以使学生更好地理解物理学中理论和实验的辩证关系,物理学发展与社会生产和科学技术发展的辩证关系,使学生不仅理解物理概念、定律和原理这样一些科学成果,而且理解获得这些科学成果的基本过程.另外,每位科学家又有其研究问题的独特的科学方法.结合物理学史加强科学研究方法教育,有利于培养学生的辩证唯物主义世界观.

4运用物理学史可帮助学生澄清一些历史事实

万有引力定律的发现,并不是从苹果落地的“顿悟”中产生的.早在17世纪初,吉尔伯特、开普勒、伽利略等人就提出过天体间存在万有引力的思想.1654年,法国天文学家布里阿尔德奥已提出太阳对行星的引力和二者的距离的平方成正比的假说.在牛顿正式提出万有引力定律之前,1616年英国皇家学会已成立一个专门委员会研究重力问题.胡克、哈雷、雷恩在万有引力定律问题的研究上都作出了重大贡献.胡克已觉察到引力和地球上物体的重力有相同的本质;哈雷和惠恩也在1679年按照圆形轨迹,由开普勒第三定律和惠更斯的向心力公式证明了作用于行星的引力与它们到太阳距离的平方成反比.由于无法找到能证明吸引力与距离的平方成反比的普遍规律,哈雷于1684年8月还曾到剑桥大学向牛顿请教.牛顿在研究和概括前人的成果,并用数学方法对月球与地球间引力及运动规律作了大量的验证工作之后,于1685年提出了万有引力定律的表达式.结合这段历史不但澄清了历史事实,而且消除了学生头脑中关于“万有引力定律”是牛顿的偶然性创造的错误认识.

5物理教学中穿插物理学史教育能使学生感到物理知识是特别有用的

很多物理规律的建立不是孤立的和偶然的,而是社会发展到一定阶段的必然产物.万有引力定律和牛顿运动三定律的建立已说明了这一点.热力学第一定律、第二定律的建立,是在18世纪初期,在欧洲产业革命的推动下,出现了蒸汽机,引起了第一次工业革命,大大促进了工业的迅速发展.在蒸汽机的发明和使用过程中,人们迫切需要研究热和功的关系,所以热和机械功的相互转化就得到了广泛的研究,并使人们对于水和蒸汽,以及其他物质的热性质作了深人的研究,这就有力地促进了热力学理论的建立和发展,并在此基础上建立了热力学第一定律.在蒸汽机的应用得到很大发展的情况下,如何进一步提高机器的效率就成了当时工程师和科学家共同关心的问题,克劳修斯和开尔文各自独立地发现了热力学第二定律.热力学第二定律基本说明了热传递的过程是不可逆的.它在实用上的重要性是寻求热机效率的最大可能性和预测化学反应进行的可能性.由此可见,热力学第一和第二定律的发现与当时社会生产需求有很密切的关系.

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