淺談物理學(xué)史的教育功能

　　1 引言

　　在中國傳統文化中,教育一直被形象地描述為“傳道、授業(yè)、解惑”.在素質(zhì)教育被廣泛提倡的今天,教育工作者們越來(lái)越認識到,現代教育在傳授學(xué)生豐富知識和技術(shù)的同時(shí),更應該教會(huì )學(xué)生研究方法和創(chuàng )新思維,培養科學(xué)的素養,以形成科學(xué)的研究觀(guān).

　　物理教育在現代素質(zhì)教育中有不可替代的作用,物理學(xué)史則在培養學(xué)生科學(xué)素養方面有獨特的功能.物理學(xué)史是人類(lèi)對自然界各種物理現象的認識史,關(guān)注物理學(xué)概念和思想發(fā)展和變革的過(guò)程.一般來(lái)說(shuō),普通物理具有很高的專(zhuān)業(yè)性和學(xué)理學(xué)史教育有效地融入物理教學(xué)過(guò)程中,不僅能提高學(xué)生的學(xué)習興趣,加深記憶,而且能使學(xué)生在學(xué)習物理知識的同時(shí),了解科學(xué)發(fā)現、科學(xué)爭論和科學(xué)重大實(shí)驗中所孕育的科學(xué)思想和方法,學(xué)習科學(xué)家的探索創(chuàng )造精神、邏輯思維能力、創(chuàng )造性思維能力,有助于理解科學(xué)的社會(huì )角色和人文意義,使學(xué)生樹(shù)立科學(xué)的研究觀(guān).

　　當前,物理學(xué)史在物理教學(xué)中的獨特作用越來(lái)越受到廣泛重視,但是如何在課堂教學(xué)中將其有效融入,目前尚缺乏具有普遍可操作性的教學(xué)模式.庫侖定律是電磁學(xué)的基本定律之一,本文以庫侖定律的建立為例,通過(guò)點(diǎn)評挖掘出其中蘊涵的科學(xué)精神、方法,揭示物理基本觀(guān)念的產(chǎn)生、發(fā)展的原因和規律性;得出一些指導性的教學(xué)建議和方法,對物理學(xué)史的教育功能進(jìn)行簡(jiǎn)要述評.

　　2 物理學(xué)史中的庫侖定律

　　1760年,伯努利首先猜測電力會(huì )不會(huì )與萬(wàn)有引力相似,服從平方反比定律.這一想法非常具有代表性.同一時(shí)期,富蘭克林的空罐實(shí)驗表明帶電金屬空腔內部不帶電,對電力規律產(chǎn)生了重要啟示.富蘭克林的英國友人普利斯特利專(zhuān)門(mén)重復了這個(gè)實(shí)驗,也設想電的吸引服從平方反比定律,并且在書(shū)中明確寫(xiě)出論斷.遺憾的是當時(shí)尚無(wú)學(xué)者對此進(jìn)行明確論證.

　　最終,現今所公認的庫侖定律是由法國物理學(xué)家庫侖在1785年發(fā)現的.但是在此期間,還有兩位學(xué)者曾做過(guò)定量的實(shí)驗研究,并得到同樣的實(shí)驗結果.

　　1769年,羅比遜設計了一個(gè)轉臂裝置來(lái)改變電力的力矩和重力的力矩,并使之達到平衡.然后他從支架的平衡角度推算出電力F與距離r的關(guān)系,用公式F∝1/r2+ 表示,根據實(shí)驗結果推算得出δ=0.06,這個(gè)δ叫做指數偏差.羅比遜認為,指數偏大的原因應歸于實(shí)驗誤差,由此得出平方反比定律的結論.但是,該實(shí)驗結果僅限于同性電的斥力,至于異性電的吸力,他的裝置難以得出結論.有資料說(shuō)后來(lái)羅比遜得到的異性電的吸力的指數略小于2,因此,平均取2次冪,從而得到電力反比于距離平方的結論,現在看來(lái)是依據不足的.

　　1773年,卡文迪許用兩個(gè)同心金屬殼做實(shí)驗,外球殼由兩個(gè)半球裝置而成,兩半球合起來(lái)正好形成內球的同心球.通過(guò)一根導線(xiàn)將內外球連起來(lái),外球殼帶電后,取走導線(xiàn),打開(kāi)外球殼,檢驗內球殼是否帶電.結果顯示內球沒(méi)有帶電,電荷完全分布在外球上.卡文迪許重復了多次實(shí)驗,確定電力服從平方反比定律,指數偏差不超過(guò)0.02.

　　1785年,庫侖用他本人發(fā)明的電扭秤得出了庫侖定律.帶電球相互接觸,使電荷均分,兩球帶同性電互相排斥,然后借助銀扭絲恢復兩球到原始位置,從銀扭絲的轉角測知電力的大小.1787年庫侖又進(jìn)一步指出了電扭秤方法的欠缺:由于不穩定平衡,測量異性電荷的吸引力時(shí)實(shí)驗會(huì )遇到困難.同時(shí)還設計了第二種測量方法———電擺實(shí)驗,其原理與萬(wàn)有引力作用下的單擺實(shí)驗相似.如果電引力也遵從平方反比規律,則他設計的電擺周期也應與兩電荷距離成正比.庫侖的實(shí)驗數據通過(guò)修正,與理論值基本符合.于是他得出結論,“正電與負電的相互吸引力也與距離的平方成反比”.庫侖定理由此為世人所知.

　　3 案例分析及點(diǎn)評

　　3.1 從理論猜想到科學(xué)定律,類(lèi)比在科學(xué)研究中 的作用

　　庫侖定律是典型的由萬(wàn)有引力定律引發(fā)猜想再經(jīng)檢驗確定的實(shí)驗定律.在該定律的建立過(guò)程中,科學(xué)家們從牛頓著(zhù)作中得到了啟示.因為牛頓早在1687年就證明過(guò),如果萬(wàn)有引力服從平方反比定律,則均勻的物質(zhì)球殼對殼內物體應無(wú)作用.由這個(gè)證明就可以推想到,凡是遵守平方反比定種特性的作用力都應服從平方反比定律.從各位科學(xué)家的猜想與實(shí)驗的過(guò)程中可以看出,平方反比的關(guān)系始終起指導作用.因為平方反比定律在牛頓的形而上學(xué)自然觀(guān)中是很自然的觀(guān)念,如果不是平方反比,牛頓力學(xué)的空間概念就要重新修改 ( 后來(lái)發(fā)現的許多自然現象都服從平方反比關(guān)系,這從幾何關(guān)系就能得到證明) .

　　與很多科學(xué)家一樣,庫侖執著(zhù)地認為自己得出的指數偏差是由于系統誤差造成的,進(jìn)而積極地研究誤差原因.正是因為有牛頓力學(xué)理論的支撐,否則庫侖有可能得出冪指數不是2的情況 ( 在律的物理量都應遵守這一論斷;或者,凡是表現這當時(shí)的條件下,實(shí)驗裝備精度有限,庫侖得出的指數偏差達到0.04) .別的科學(xué)家又得出另外一個(gè)指數,究竟是誰(shuí)的實(shí)驗誤差比較大呢?

　　可以看到,在科學(xué)研究中,學(xué)者們總是習慣于首先從公認的體系出發(fā)去猜測結論,然后用實(shí)驗去檢驗.幸運的是,這是物理學(xué)史中應用類(lèi)比相當成功的例子 ( 當然,類(lèi)比方法也有它的局限性,在電磁學(xué)的歷史中就有許多教訓) .試想如果不是由于這樣的猜想,單靠實(shí)驗數據的積累,不知到何年何月才能得出靜電力的表達式.相反地,若實(shí)驗結果與主流不符,那么質(zhì)疑也是必然的.當然我們不是懼怕質(zhì)疑舊體系,建立新體系.

　　3.2 卡文迪許實(shí)驗中的間接測量啟示

　　由前文可知,卡文迪許用最原始的電測儀器,獲得了相當可靠而且精確的結果,這個(gè)實(shí)驗設計非常巧妙.該實(shí)驗成功的關(guān)鍵在于通過(guò)數學(xué)處理,將直接測量轉變?yōu)殚g接測量,并且用示零法 ( 只要結果是零,理論就成立) 來(lái)對結果作出精確判斷,最終獲得了電力的平方反比定律.卡文迪許實(shí)驗對物理研究的啟示作用是巨大的.當研究對象是一些不可測的或不容易測準的物理量時(shí),通過(guò)相關(guān)物理量之間的數學(xué)和物理關(guān)系,轉而研究容易測量的物理量,最后返回到初始問(wèn)題的解決.在相當多的實(shí)驗當中,都有用數學(xué)推導配合間接測量的例子.而且,轉換測量對象的前提條件是要有正確的理論指導,否則只能在錯誤的路上越走越遠.卡文迪許就是掌握了牛頓萬(wàn)有引力定律這一理論武器.

　　遺憾的是,卡文迪許的同心球實(shí)驗和他的許多看法都沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表.羅比遜的論文1822年發(fā)表時(shí),庫侖的工作早已得到公認.他們把自己的研究成果捂得如此嚴實(shí),沒(méi)有及時(shí)發(fā)表而未對科學(xué)的發(fā)展起到應有的推動(dòng)作用,使電學(xué)的歷史失去了其本來(lái)的面目.

　　3.3 從猜想到?jīng)Q斷,物理實(shí)驗的重要作用

　　庫侖定律是一個(gè)實(shí)驗定律,驗證平方反比律的一種方法是假定作用力按F∝1/r2+ 變化,然后用實(shí)驗測出δ的值.庫侖定律的發(fā)現過(guò)程中,關(guān)鍵的實(shí)驗不是電扭秤實(shí)驗,而是電擺實(shí)驗.因為同性電荷的斥力早已有普利斯特利的論斷和羅比遜的實(shí)驗說(shuō)明,而異性電荷的吸引力則是第一次出現在文獻中.雖然人們公認庫侖定律是庫侖在1785年發(fā)現的,但實(shí)際上直到1787年發(fā)明了電擺實(shí)驗,異性電力得到證實(shí)后,庫侖定律才算是真正的塵埃落定.隨著(zhù)實(shí)驗裝置精度的不斷提高,至今精度最高的是1971年威廉姆斯等人所做的實(shí)驗,他們測出的δ≤6×10 -16 .由此可知,完整的實(shí)驗應有的驗證和決斷作用,在科學(xué)研究中無(wú)論如何都是不能抹煞的.

　　4 結束語(yǔ)

　　“宇宙不是由原子而是由故事組成的.”在大學(xué)物理教育中,灌輸給學(xué)生科學(xué)知識和技術(shù)方法固然是至關(guān)重要的,但是培養學(xué)生正確的科學(xué)研究觀(guān),提高學(xué)生的科學(xué)素養,也教學(xué)命題.本文正是基于這一教育思想,以庫侖定律為例,進(jìn)行了一個(gè)物理學(xué)史教育的實(shí)例分析.教師精選物理學(xué)史案例,引導學(xué)生點(diǎn)評,使學(xué)生對科學(xué)發(fā)現的過(guò)程有完整的認識,可以有效發(fā)揮物理學(xué)史對科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng )新素質(zhì)的培養功能.

　　參 考 文 獻

　　[1] 郭奕玲,沈慧君.物理學(xué)史.北京:清華大學(xué)出版社,2005.8

　　[2] 全林.科學(xué)史簡(jiǎn)編.北京:科學(xué)出版社,2002

　　[3] 喬際平,劉甲珉.物理創(chuàng )造思維能力的培養.北京:首都師范大學(xué)出版社,1998

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