利用物理学史对学生进行科学研究方法的渗透

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  【摘要】物理学史可以提供丰富的物理科学发展的史料,将物理概念、定律的历史发展过程展现给学生,使之熟悉科学家发现规律的思维过程和科研方法,并从科学家的成功中得到启示。在教学中我们可以向学生渗透以下几种方法:观察、实验、类比、假说、模型。
  【关键词】物理学史科研方法 渗透
  从物理学的发展历史来看,随着物理学研究内容的变化,物理学的研究方法也在变化着,并不断得到丰富和提高。在古代,人们主要是靠不充分的观察和简单的推理,直觉地、笼统地去把握物理现象的一般特性。随着近代自然科学的兴起,观察方法就从以自然观察为主发展为以仪器观测为主。科学实验和数学方法相结合,使精确的、定量的物理学研究有了很快的发展。整理事实材料的需要,也促进了分析、归纳和演绎等逻辑方法的发展。这一时期科学方法的发展,使物理学作为一门实验科学的特点显著地呈现出来。
  物理学家们的科学研究方法很多,在教学中我们可以向学生渗透以下几种:
  一、观察
  物理学是一门实践性很强的学科,概念的建立和物理规律的发现往往离不开对自然现象的观察。所以培养学生学会观察、勤于观察的习惯,对物理课的学习肯定会有较大的帮助。物理学史中许多重要发明、发现同样是科学家善于观察的结果。比如意大利物理学家伽利略,1853年在比萨教堂注意到一盏悬灯的摆动受到启发,用线悬铜球模拟单摆实验,确证了微小摆动的等时性和摆长对周期的影响;德国物理学家伦琴在进行阴极射线实验时,注意到放在射线管附近氰亚铂酸钡的小屏上发出微光,从而发现了X射线(伦琴射线)。这些事例都说明观察的重要性。培养学生观察能力和观察习惯,可以起到巩固消化、加深理解的作用。
  二、实验
  物理学是一门以实验为本的科学,物理理论来源于实验,并且还必须经过实验的检验,可以说没有实验就没有物理学。比如富兰克林的风筝实验,在风雨交加的情况下,利用风筝将大气中的电收集到莱顿瓶中使其充电,证明了“闪电和静电的同一性”;比如光的颜色问题,从亚里士多德到迪卡尔都认为“白光是纯洁的、均匀的,是光的本质”,而色光只是光的变种,但是他们都没有像牛顿那样做过认真的实验验证,大约在1666年牛顿用棱镜进行光的色散实验,终于得出“白光是由各种折射程度不同的彩色光组成的非均匀混合体”的科学结论。
  三、类比
  类比是根据两个事物在某些方面的相同、相似推论它们在其他方面也可能相同相似。比如荷兰物理学家惠更斯,就是用类比的方法根据光也像声波那样能发生反射、折射,而提出光是一种波动的假说的,从而为光的波动理论奠定了基础;法国物理学家德布罗意用类比的方法根据光的波粒二象性而推论微观粒子也具有波动性,提出了物质波的概念;库仑就是从牛顿的万有引力定律中得到启发,把电荷之间的作用力类比万有引力,推论电力也像万有引力一样服从平方反比定律,从而发现了库仑定律。如果没有类比的方法,单靠实验数据的积累不知到何年何月,才能得到严格的库仑定律的表达式。类比推理是科学研究中行之有效的方法之一,在物理教学中可以启迪学生思维,寻找思维途径。当然,类比推理的结论要经过实践的检验,这里不再赘述。
  四、假说
  物理学中的发现往往先建立在假说的基础上,再经过理论推导或者实验验证最后证实。麦克斯韦在物理学中的最大贡献是建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论,预言了电磁波的存在。而这种理论预见后来得到了充分的实验证实(赫兹实验)。假设推理在物理教学中经常应用的方法,如静电场中电场线,等势面是否相交,还有建立在假说基础上的一些理想实验等。
  五、模型
  中学物理教学中涉及到大量的建立模型的研究方法,其主要目的是忽略次要因素,抓住主要矛盾,便于发掘事物的内在规律从而使抽象的假说的理论形象化,便于思考问题。物理学史中涉及的模型是很多的。
  力学中的质点、单摆、弹簧振子、光滑平面、完全弹性碰撞……
  热学中的理想气体、平衡态绝热过程……
  电学中的电荷、无限长导线、电力线、磁力线、纯电容和电感电路……
  原子物理学中的原子“核式结构”、玻尔模型、基本粒子的各种模型……
  在物理学史上,一些物理模型的提出、修正、完善和被新的模型所取代的过程,就是人类认识自然能力不断提高的过程。
  物理学的思想和方法是在物理学发展过程中,在物理学家长期的科学实践中,逐步摸索、积累、形成和发展起来的,是人类智慧的结晶。它已经渗透到许多学科的研究中去,成为现代科学研究和处理问题的重要思想和方法。学生了解和掌握这些思想和方法,对于今后从事任何研究和工作,对于解决和处理各种问题,都是很有用的,是终生受益的。
  
  【参考文献】
  [1]杨基芳、黄高年编:《物理学发展简史》,北京知识出版社,1983
  [2]陈毓芳、邹延肃编:《物理学史简明教程》,北京师范大学出版社,1994
  
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