浅谈物理学史的教育功能
1 引言
在中国传统文化中,教育一直被形象地描述为“传道、授业、解惑”.在素质教育被广泛提倡的今天,教育工作者们越来越认识到,现代教育在传授学生丰富知识和技术的同时,更应该教会学生研究方法和创新思维,培养科学的素养,以形成科学的研究观.
物理教育在现代素质教育中有不可替代的作用,物理学史则在培养学生科学素养方面有独特的功能.物理学史是人类对自然界各种物理现象的认识史,关注物理学概念和思想发展和变革的过程.一般来说,普通物理具有很高的专业性和学理学史教育有效地融入物理教学过程中,不仅能提高学生的学习兴趣,加深记忆,而且能使学生在学习物理知识的同时,了解科学发现、科学争论和科学重大实验中所孕育的科学思想和方法,学习科学家的探索创造精神、逻辑思维能力、创造性思维能力,有助于理解科学的社会角色和人文意义,使学生树立科学的研究观.
当前,物理学史在物理教学中的独特作用越来越受到广泛重视,但是如何在课堂教学中将其有效融入,目前尚缺乏具有普遍可操作性的教学模式.库仑定律是电磁学的基本定律之一,本文以库仑定律的建立为例,通过点评挖掘出其中蕴涵的科学精神、方法,揭示物理基本观念的产生、发展的原因和规律性;得出一些指导性的教学建议和方法,对物理学史的教育功能进行简要述评.
2 物理学史中的库仑定律
1760年,伯努利首先猜测电力会不会与万有引力相似,服从平方反比定律.这一想法非常具有代表性.同一时期,富兰克林的空罐实验表明带电金属空腔内部不带电,对电力规律产生了重要启示.富兰克林的英国友人普利斯特利专门重复了这个实验,也设想电的吸引服从平方反比定律,并且在书中明确写出论断.遗憾的是当时尚无学者对此进行明确论证.
最终,现今所公认的库仑定律是由法国物理学家库仑在1785年发现的.但是在此期间,还有两位学者曾做过定量的实验研究,并得到同样的实验结果.
1769年,罗比逊设计了一个转臂装置来改变电力的力矩和重力的力矩,并使之达到平衡.然后他从支架的平衡角度推算出电力F与距离r的关系,用公式F∝1/r2+ 表示,根据实验结果推算得出δ=0.06,这个δ叫做指数偏差.罗比逊认为,指数偏大的原因应归于实验误差,由此得出平方反比定律的结论.但是,该实验结果仅限于同性电的斥力,至于异性电的吸力,他的装置难以得出结论.有资料说后来罗比逊得到的异性电的吸力的指数略小于2,因此,平均取2次幂,从而得到电力反比于距离平方的结论,现在看来是依据不足的.
1773年,卡文迪许用两个同心金属壳做实验,外球壳由两个半球装置而成,两半球合起来正好形成内球的同心球.通过一根导线将内外球连起来,外球壳带电后,取走导线,打开外球壳,检验内球壳是否带电.结果显示内球没有带电,电荷完全分布在外球上.卡文迪许重复了多次实验,确定电力服从平方反比定律,指数偏差不超过0.02.
1785年,库仑用他本人发明的电扭秤得出了库仑定律.带电球相互接触,使电荷均分,两球带同性电互相排斥,然后借助银扭丝恢复两球到原始位置,从银扭丝的转角测知电力的大小.1787年库仑又进一步指出了电扭秤方法的欠缺:由于不稳定平衡,测量异性电荷的吸引力时实验会遇到困难.同时还设计了第二种测量方法———电摆实验,其原理与万有引力作用下的单摆实验相似.如果电引力也遵从平方反比规律,则他设计的电摆周期也应与两电荷距离成正比.库仑的实验数据通过修正,与理论值基本符合.于是他得出结论,“正电与负电的相互吸引力也与距离的平方成反比”.库仑定理由此为世人所知.
3 案例分析及点评
3.1 从理论猜想到科学定律,类比在科学研究中 的作用
库仑定律是典型的由万有引力定律引发猜想再经检验确定的实验定律.在该定律的建立过程中,科学家们从牛顿着作中得到了启示.因为牛顿早在1687年就证明过,如果万有引力服从平方反比定律,则均匀的物质球壳对壳内物体应无作用.由这个证明就可以推想到,凡是遵守平方反比定种特性的作用力都应服从平方反比定律.从各位科学家的猜想与实验的过程中可以看出,平方反比的关系始终起指导作用.因为平方反比定律在牛顿的形而上学自然观中是很自然的观念,如果不是平方反比,牛顿力学的空间概念就要重新修改 ( 后来发现的许多自然现象都服从平方反比关系,这从几何关系就能得到证明) .
与很多科学家一样,库仑执着地认为自己得出的指数偏差是由于系统误差造成的,进而积极地研究误差原因.正是因为有牛顿力学理论的支撑,否则库仑有可能得出幂指数不是2的情况 ( 在律的物理量都应遵守这一论断;或者,凡是表现这当时的条件下,实验装备精度有限,库仑得出的指数偏差达到0.04) .别的科学家又得出另外一个指数,究竟是谁的实验误差比较大呢?
可以看到,在科学研究中,学者们总是习惯于首先从公认的体系出发去猜测结论,然后用实验去检验.幸运的是,这是物理学史中应用类比相当成功的例子 ( 当然,类比方法也有它的局限性,在电磁学的历史中就有许多教训) .试想如果不是由于这样的猜想,单靠实验数据的积累,不知到何年何月才能得出静电力的表达式.相反地,若实验结果与主流不符,那么质疑也是必然的.当然我们不是惧怕质疑旧体系,建立新体系.
3.2 卡文迪许实验中的间接测量启示
由前文可知,卡文迪许用最原始的电测仪器,获得了相当可靠而且精确的结果,这个实验设计非常巧妙.该实验成功的关键在于通过数学处理,将直接测量转变为间接测量,并且用示零法 ( 只要结果是零,理论就成立) 来对结果作出精确判断,最终获得了电力的平方反比定律.卡文迪许实验对物理研究的启示作用是巨大的.当研究对象是一些不可测的或不容易测准的物理量时,通过相关物理量之间的数学和物理关系,转而研究容易测量的物理量,最后返回到初始问题的解决.在相当多的实验当中,都有用数学推导配合间接测量的例子.而且,转换测量对象的前提条件是要有正确的理论指导,否则只能在错误的路上越走越远.卡文迪许就是掌握了牛顿万有引力定律这一理论武器.
遗憾的是,卡文迪许的同心球实验和他的许多看法都没有公开发表.罗比逊的`论文1822年发表时,库仑的工作早已得到公认.他们把自己的研究成果捂得如此严实,没有及时发表而未对科学的发展起到应有的推动作用,使电学的历史失去了其本来的面目.
3.3 从猜想到决断,物理实验的重要作用
库仑定律是一个实验定律,验证平方反比律的一种方法是假定作用力按F∝1/r2+ 变化,然后用实验测出δ的值.库仑定律的发现过程中,关键的实验不是电扭秤实验,而是电摆实验.因为同性电荷的斥力早已有普利斯特利的论断和罗比逊的实验说明,而异性电荷的吸引力则是第一次出现在文献中.虽然人们公认库仑定律是库仑在1785年发现的,但实际上直到1787年发明了电摆实验,异性电力得到证实后,库仑定律才算是真正的尘埃落定.随着实验装置精度的不断提高,至今精度最高的是1971年威廉姆斯等人所做的实验,他们测出的δ≤6×10 -16 .由此可知,完整的实验应有的验证和决断作用,在科学研究中无论如何都是不能抹煞的.
4 结束语
“宇宙不是由原子而是由故事组成的.”在大学物理教育中,灌输给学生科学知识和技术方法固然是至关重要的,但是培养学生正确的科学研究观,提高学生的科学素养,也教学命题.本文正是基于这一教育思想,以库仑定律为例,进行了一个物理学史教育的实例分析.教师精选物理学史案例,引导学生点评,使学生对科学发现的过程有完整的认识,可以有效发挥物理学史对科学素质和创新素质的培养功能.
参 考 文 献
[1] 郭奕玲,沈慧君.物理学史.北京:清华大学出版社,2005.8
[2] 全林.科学史简编.北京:科学出版社,2002
[3] 乔际平,刘甲珉.物理创造思维能力的培养.北京:首都师范大学出版社,1998
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