挖掘演示實驗的物理內涵充分發揮演示實驗在文科物理教學中的作用

劉麗妹 王鳳鳴 魏 環 莫文玲

(河北理工大學,信息學院,河北唐山 063009)

挖掘演示實驗的物理內涵充分發揮演示實驗在文科物理教學中的作用

劉麗妹 王鳳鳴 魏 環 莫文玲

(河北理工大學,信息學院,河北唐山 063009)

結合大學物理演示實驗教學實踐中的具體實例——真實的鏡子引入反物質世界、有趣畫面闡釋波粒二象性問題.以挖掘演示實驗物理內涵,充分發揮演示實驗在文科物理教學中的啟發作用為主題,就如何以演示實驗室為依托,抓住學生感興趣的點,切入文科物理教學,引領文科生走入大學物理課堂進行簡單的討論.

文科物理;演示實驗;啟發教學

1 引言.

隨著教學改革的不斷推進,在各高校中開展文科物理教學已勢在必行.給文科生講解物理,使其受到一定的科學文化素養的培養,是全面提高其文化科學素養的有效途徑.文科物理的教學在一些重點高校已開始教學實踐,一般院校也積極探索,紛紛開設了此類課程.

經過幾輪的教學實踐發現:文科生的特點在于他們有豐富的想象力,他們有對自然科學的好奇心,他們想了解什么是黑洞,什么是核能,但他們缺少系統的物理知識功底,缺少了解基礎物理知識的耐心.一些學生并沒有認識到給他們開設物理課的深遠意義,只是被動的選修學分;一些學生習慣于高中物理的題海,對于文科物理的講授方式并不適應,覺得文科物理課程四不像;另外遠高于他們認知能力的物理知識使他們對這門課望而卻步.如此看來,激發學生的學習興趣,帶領文科生走進物理課堂成為文科物理教學的前提條件,也是待解決的關鍵問題.

實驗教學是大學物理教學過程中不可或缺的一個實踐環節,考慮到文科物理的教學特點,適當地給學生開設演示實驗是比較合理的.演示實驗在激發學習興趣、開發創新思維、啟發心智方面的作用在大學物理教學改革的思潮中已得到充分論證[1～8].這源于演示實驗的特點:把有趣的實驗呈現給學生以激發學生的學習興趣,如電學中的“怒發沖冠”實驗、雅各布天梯實驗等;或把一些巧妙的實驗設計重現給學生以開發學生的創新思維,如光纖溫度傳感、光學全息等實驗;或把難懂的物理原理通過易觀察的實驗展現給學生以啟發學生心智,如一系列的光的干涉、衍射實驗等.總之,演示實驗的特點就在于表觀現象多姿多彩、生動有趣,且極具物理內涵.

結合文科物理教學,以演示實驗室為依托,搭建趣味創新物理實驗平臺,有效激發學生學習物理的興趣和對自然知識的好奇心以及最原始的求知欲.這樣既可以激發學生學習大學物理的學習興趣,也可以加深學生對物理知識的理解,還可以使學生們體會到物理實驗在物理學發展史中的重要地位.

本文將結合大學物理演示實驗教學實踐中的具體實例,以挖掘演示實驗物理內涵,充分發揮演示實驗在文科物理教學中的啟發作用為主題,就如何更好地激發文科生學習物理知識的興趣和勇氣,自然切入物理知識,淺談一下這方面的工作.

2 平面鏡背后的反物質世界,真實的鏡子背后的正物質世界——簡單的演示實驗可以挖掘出近代前沿的物理知識,從而激發文科生的學習興趣

在演示實驗教學中,學生能接觸到“真實的鏡子”這一演示實驗項目,原理是簡單的平面鏡成像,空間反演,但利用此實驗可以有效地啟發學生對天文學關于反物質世界的思考.

所謂真實的鏡子就是兩個平面鏡夾角成90°,如圖1(a)所示放置.根據平面鏡成像特點,此現象很容易理解,問題的啟發點不在于此,而在于兩面普通的平面鏡成90°角放置,為什么就是真實的鏡子?普通的平面鏡成像不真實嗎?

電子和反電子的質量相同,但有相反的電荷.質子與反質子也是這樣.那么中子與反中子的性質有什么差別?其實粒子實驗已證實,粒子與反粒子不僅電荷相反,其他一切可以相反的性質也都相反.

這里真實的鏡子所成的像3(像3′)和物體之間左右手的關系是一致的,就像物直接繞到鏡3后邊,這就是它的“真實性”所在.而如果物體直接通過平面鏡3成像,如圖1(b)所示,物與像4的左右手關系是不一致的,這正是正物質與反物質相反的性質之一.從宇稱的角度來看,普通平面鏡背后所成的像(像4)是反物質世界的像,其左右的概念是相反的;而真實的鏡子所成的像(像3或像3′)是正物質世界的像,其左右的概念是一致的.通過啟發學生看物與像之間的左右宇稱對應關系,進而講解有關近代物理中天文學關于反物質世界的思考,自然而然地引入了反物質、基本粒子等近代物理知識.

有一個有趣的問題:如果有一天,真的發現了地球外的人類文明,如何用最簡單的辦法判斷他是否是由反物質組成?最簡單的辦法是看他所認可的左右手關系和地球人是否一致.

人們對物質的本源,對宇宙的發展充滿好奇,學生對天文現象、基本粒子等近代物理知識渴望了解,與近代物理知識的好的銜接點也是每個物理教育工作者所苦苦尋覓的.通過真實的鏡子引入學生們感興趣的反物質世界,一方面可以很好地激發學生學習大學物理的學習熱情,另外也可以為近代物理知識的切入找到一個很好的突破口,教學實踐顯示教學效果很好.

3 MY GIRL AND HER MOTHER,DO YOU SEE BOTH?——通過一幅有趣的畫,加深學生對量子力學中“波粒二象性”問題的理解,激發學生接觸近代物理知識的興趣和勇氣

工科大學物理中量子力學部分是教學難點,對文科生更是難點中的難點.學生有興趣了解這方面的知識,尤其是一些科幻電影涉及到量子話題,使學生愿意了解這方面的知識,但如果教學方法不當,學生很快會失去學習興趣.

關于波粒二象性問題,不論是光的波粒二象性還是實物粒子(如電子)的波粒二象性,在初講量子力學時,學生是很容易接受的.這主要是由于通過光電效應實驗引入了光的粒子性;而德布羅意通過對比給出電子的波動性后,大部分課本也會隨之講解電子波動性的實驗驗證,電子經金多晶薄片形成的漂亮衍射環給學生留下了深刻的印象.但若談及對波粒二象性的理解,大部分學生會感覺有困難.正如在早期,波粒二象性剛剛提出的時候,當時的某些教授中也流傳著嘲弄之辭:(按照大學的課表安排)“在星期一、星期三、星期五,電子像粒子那樣運動,而在星期二、星期四、星期六,電子又像一種波那樣運動.”問題在于學生慣于從經典出發去理解近代物理,致使物理圖像不清晰.

出現在演示實驗室中的有趣畫面“MY GIRL AND HER MOTHER,DO YOU SEE BOTH?”(如圖2所示),能夠幫學生理解波粒二象性問題.波動性、粒子性是物質屬性的兩個不同面,它們共同屬于物質.不是什么時候是波,什么時候是粒子,而是什么情況下顯示波動性,什么情況下顯示粒子性的問題.正如此畫,它本身就是一個矛盾的統一體,當集中注意力看 GIRL,就看見了一個漂亮的女孩;當集中在“大鼻子,縮脖子”時,就看見了“HER MOTHER”(女孩的耳朵是媽媽的眼睛,女孩的頸圈是媽媽的嘴).學生最初看到畫面,會驚嘆設計者的構思巧妙,當提及波粒二象性問題,覺得茅塞頓開.

通過這幅有趣的畫來闡釋波粒二象性問題,使得學生能夠正確、清晰地理解問題,很好地激發了學生接觸近代物理知識的興趣和勇氣.

4 結語

教學實踐表明,文科物理教學的關鍵是首先要抓住學生某一個感興趣的點,帶他們走入到物理課堂.這正如看球賽,如果學生根本不懂比賽規則就不會有興趣去看比賽,興趣源于初步的了解.也許對于物理專業的學生來說,諸如上面提到的這些物理話題非常簡單,如此講解有些畫蛇添足,甚至有點誤導學生對概念的深入理解,這正如我們初中剛引入電壓概念時經常與水壓概念對比,也許大家認為電壓與水壓概念相去甚遠,但不可否認,這一對比使初接觸電壓的學生對電壓有了初步的認識.這是知識繼續深入的一個基礎,隨著學習的深入,學生們自然而然地了解到電壓的概念與水壓不同.

[1] 蘭明乾,李玲.談大學物理教學中的演示實驗,科技創新導報,2008,10,213

[2] 耿愛叢,趙慈,黃英群.淺談大學物理演示實驗的作用及改進措施[J].中國電力教育,2008,11,97

[3] 趙志洲,張曉春,李富全,趙慶年.充分發揮物理演示作用的幾點嘗試[J].大學物理實驗,1997,10(4),62

[4] 路俊嶺,汪榮寶,楊紅.討論課中引入演示實驗的嘗試[J].大學物理,2003,22(10),42

[5] 梁秀萍,李葉芳.素質教育從這里開始——物理演示實驗[J].大學物理實驗,2002,15(2),82

[6] 王秀澤,馬軒文.演示——啟迪思維的鑰匙[J].大學物理實驗,1997,10(3),63

[7] 韓長明.如何使物理演示實驗取得更好效果[J].大學物理,1993,12(3):38～39

[8] 周亮,席麗霞.當代物理演示與技術在物理教學中的應用[J].大學物理,1998,17(10):30～31

PLAYING THE INSPIRED ROLE OF DEMONSTRATION EXPERIMENTS IN ART PHYSICS TEACHING

Liu Limei Wanɡ Fenɡminɡ Wei Huan Mo Wenlinɡ
(Information Institute of Hebei Science and Technology University,Tangshan,Hebei 063009)

In order to arouse art students’interest in studying of physics,the rich connotation of demonstration experiments should be explored.In this paper,a topic on the inspired role of demonstration experiments in art physics teaching is discussed,combined with the examples in teaching experiences such as antimatter world is introduced by the real mirror and the problem of wave-particle duality is explained by an interesting painting.

art physics;demonstration experiments;inspired teaching

2010-03-07)

河北理工大學教學改革資助項目.