如何将物理学史应用于科学方法教育
中学物理教学中涉及的自然科学的一般研究方法主要有观察、实验、抽象、理想化、比较、类比、假设、模型、数学方法等。在物理课堂教学中,充分利用物理学史对学生进行自然科学一般方法的训练是一个重要的途径。现在举两个例子来说明。
第一,利用物理教材中介绍的典型实验进行方法教育。
物理学史上很多著名的实验,如库仑的扭转对称实验、卢瑟福-粒子散射实验、查德威克发现中子实验等,由于设备所限,目前在中学还无法演示,但教科书上还是有写。教材这样做,既考虑到它们是重要的规律和理论基础,有助于发展思维,又考虑到能使学生从这些具体例子中理解物理实验的一般方法。比如每个实验都包括提出实验任务,确定实验方法并研究如何实现,对获得的实验数据进行逻辑处理得出结论。实验的每一个阶段都与理论紧密交织,都要以已有的理论为指导;科学仪器可以帮助人们克服感觉器官的局限性,使感性认识更加客观、精密、准确,因此科学仪器的设计和使用对实验的成功起着重要的(有时甚至是决定性的)作用。
在课堂教学中,要充分认识到这些著名实验的教育功能,花一些时间和精力向学生介绍这些实验及其相关的历史背景,让学生感受物理学史的震撼,感受物理实验方法的魅力。
比如在库仑扭秤实验的教学中,教材只是简单的给学生看了实验装置,做了简单的介绍,这个实验背后很多知识学生都不知道。早在库仑扭秤实验(1755)前三十年,富兰克林就发现,当带电的球悬浮在带电的金属腔中时,带电的球不受力。为了解释这一现象,他请别人帮他分析计算,首先得出了电荷间的相互作用与电荷间距离的平方成反比的假设。这个假设正确吗?应该写成F∝1/r(2+δ)的形式吗?为了验证这个关系,在1769中,Robinson用直接测量的方法测量了两点电荷之间的力。发现两种电荷电荷相同时,测得的δ值大于零,两种电荷电荷不同时,测得的δ值小于零,δ值约为0.06,于是他推测δ值应该为零。1785年,库仑通过扭秤实验使δ≤4×10-2。在此之前的1772年,卡文迪什通过测量电荷,使两个同心且相连的金属球带电。达到一定电压后,他断开两个球的连接,将一个球移动到无穷远处放电,通过测量另一个球的电荷来验证平方反比定律。他做的结果是δ≤2×10-2。1864年,麦克斯韦改进了卡文迪许方法,通过测量带电球的电势,将δ的测量值提高到δ≤5×10-5的量级。此后,δ值的测量以麦克斯韦实验为基础,并加以改进,以提高测量精度。目前最精确的测量是由三位物理学家在1980年完成的,测得的δ≤10-19。
为什么要做这样一个200多年的测量?为什么到了10-19的单子还不停手?那是因为电磁学的所有定律都是建立在平方反比定律的前提下,这在现代物理学中也有很大的关系,包括光子的静止质量是否为零。虽然目前的测量表明电荷之间的相互作用非常接近平方反比定律,可以用在平时的物理研究中,但是从科学的角度来看,我们离平方反比定律还有一定的距离,甚至可能是因为这个距离,物理理论才产生了很大的影响。当我们在课堂教学中向学生介绍这些物理学家按部就班的实验设计和丰富的科学研究方法,向学生介绍科学家为什么竭尽全力精确测定δ值时,学生们会在头脑中产生震撼,这是单纯的说教和照本宣科式教学所产生的效果无法比拟的,科学道德教育也有机地渗透到物理学史的学习中。
第二,利用物理学史揭示典型的物理方法
例如,现象学方法和模型方法是物理学研究中的重要方法之一,尤其是在研究物质结构这门学科时。在学习原子结构知识时,要充分学习历史原子结构的发现史,通过教学让学生通过对历史的学习体验物理学的典型方法。主要实物史料有:
1897年发现电子后,英国的J·J·汤姆逊认为电子应该是原子的一部分。
1901年,法国的皮兰在一次演讲中提到“原子的结构可能有行星结构”,这是一个直观的猜测,所以没有引起人们的注意。
1903年,汤姆逊提出了“统一模型”,又称“葡萄干面包模型”。这个假设认为,正电是一个均匀的球体,而电子均匀分布在正球体内。
1904日本人长冈汉太郎认为电子是一个实体,带正电荷的物体也是实体,应该分开。受麦克斯韦关于土星环稳定性论文的影响,他提出了类似土星结构的假说。
1909年,卢瑟福的两个助手,盖革和马斯登,在卢瑟福的指导下进行了A粒子的散射实验,发现了一个重要的现象,就是大角度散射,有些A粒子的散射角度可以超过90度。实验结果表明,8000个A粒子中只有一个粒子大角度散射。这个结果是之前的现象学模型无法解释的。盖革和马斯登咨询了他们的导师卢瑟福,卢瑟福马上意识到,要解释这种大角度散射的结果,只有正电荷集中在很小的范围内,粒子A的大角度散射才能由库仑静电排斥引起。于是在1911中,卢瑟福提出了“原子的原子核模型”,认为正电荷集中在原子核中,电子围绕原子核运动。
1913年,盖革和马斯登通过实验证明了卢瑟福的模型是正确的。
从这个非常简短的回顾中可以清楚地看到,模型方法在研究物质结构这门学科时是一个非常重要的方法,它往往是直观的,是人们可以想象的。在应用模型方法时,最初往往是现象学的。作者根据某一现象或某些现象,借助研究者的直觉和想象,有时也可以举一反三,借助于其他学科其他分支中某些问题的结论或图像,描述出作者想给出的形象和模型,用数学处理相关问题,可以解释某些现象,做出预测。那么这个假设就会走理性主义的道路,并将其提升为理论。
物理学史在物理教学中起着非常重要的作用,甚至在培养学生基本的科学研究方法中,它的作用远远不止以上两点。