在幾個重要物理規律教學中滲透物理學習方法的研究

一堂好的物理課不僅傳授物理知識，而且要教給學生科學的學習方法。科學的學習方法不是憑空產生的，也不是一種自然的物理現象。它是人們認識自然和改造自然的過程中形成的一種思維的方式和方法，它蘊藏在物理學家發現物理規律的過程之中，它反映在應用物理知識解決物理問題的過程之中。物理課堂教學為我們提供了豐富多彩的開展學法研究的素材，是學生掌握科學學習方法的最主要陣地。物理教師必須充分挖掘每一個重要物理規律的內涵與外延，特別是物理學家在發現物理規律過程中使用的經典的科學方法、獨特的思維方式和巧妙的實驗。讓學生在學習物理知識的同時，感受到物理真正的美與妙，在美的享受中掌握物理的學習方法。

一個重要物理規律的內涵與外延蘊含一個物理世界，一堂精彩成功的物理課就是一個物理天堂。物理課堂教學的目的不僅讓學生對物理規律的內容有較深刻的理解，而且能夠從這里體會到前輩大師的研究方法、物理思想和科學精神。學習了一個重要物理定律除了知道定律的內容和會應用定律解決一些問題，還應該從定律的發現過程，學習當年物理前輩是怎樣發現這些規律。重要物理定律的內涵和外延主要包括以下幾個方面：1、首先是觀測到一些重要的現象。2、根據所觀測到的現象提出一些重要的研究課題。3、在提出研究課題之后往往是去猜想這個結果可能是什么樣。4、然后進行實際實驗并測量，假如獲得成功則發現了一些規律，這是物理學中最重要的突破。5、定義一些新的物理量，這樣才有可能給出規律的定量表述和物理公式，這又是重要的一步。6、進一步需要判定規律成立的條件、適用范圍，這兩者的含義有時是不同的。7、然后當然還有精度問題。8、最后需要進一步考慮它的理論地位、近代發展以及可能的應用。魯科版普通高中課程標準實驗教科書《物理》選修3-1第1章第2節“靜電力 庫侖定律”就是一個典型的事例。

對于庫侖定律僅僅記住它的公式是不夠的，應該從以上的各個方面來考察。下面就以庫侖定律為例來看看它的內涵與外延。大家都知道如果兩個物體都帶電，這兩個物體之間有相互作用，這就是電作用。電作用的特點是非接觸，那么在發現電相互作用之前這種非接觸作用還有萬有引力和磁力，因此電作用力是繼萬有引力和磁力之后發現的第三種非接觸力。很自然人們就提出需要研究電作用的規律，這也是受到牛頓萬有引力定律的影響，所以在研究電相互作用的時候，很自然地要研究點電荷之間的相互作用規律，這樣可以忽略一些次要的因素。人們就開始猜測這個結果大概是怎樣，在做實驗之前有人就猜到電相互作用可能與距離平方成反比，這個猜到的人叫普利斯特利，普利斯特利是富蘭克林的好朋友，富蘭克林注意到一個現象：讓一個金屬桶帶電，如果把一個帶電的小球放在帶電桶的外面，帶電小球就很明顯的受到作用力，但是如果把帶電小球放在桶里面但不接觸，發現帶電小球幾乎不受作用。很多人都知道這個實驗，不過也和富蘭克林一樣，不知如何解釋這一實驗現象。富蘭克林寫信告訴普利斯特利這個實驗并向他求教。普利斯特利專門重復了這個實驗， 他立刻就意識到電力大概也應該與距離平方成反比，普利斯特利是怎樣猜到這個結果的？他實際上是用了類比的方法，大家知道一個均勻的物質球殼 ，如果把一個質點放在它的外面，這個質點明顯受到萬有引力，但是如果把這個質點放在它的里面，這個質點是不受引力的，這是因為萬有引力與距離平方成反比的結果。普利斯特利把電的現象和萬有引力現象去做個類比。這個類比的猜測對后來庫侖的實驗具有重要的意義。而且在庫侖之前卡文迪什的同心金屬殼的實驗以及由此確定電力服從平方反比定律也是受到這個類比猜測的啟示。1785年庫侖就開始做著名的庫侖扭秤實驗，普利斯特利的類比猜測對庫侖的實驗有重要的指導意義。庫侖是扭秤專家，當時他制作的扭秤精度可以高達10-8N，這就確保了他的實驗能夠成功，在當時非常困難的實驗條件下， 庫侖通過實驗得到了電斥力與距離平方成反比這一電學最重要的規律。后來也是在這一思想的指導下庫侖又做了一個電引力的單擺實驗，發現電引力單擺的周期與重力場中的單擺周期一樣與擺到引力中心的距離成正比，得到電引力與距離平方成反比的結果，這又是一個重要的類比。在給出庫侖定律之前必須引入一個能描述帶電物體的新物理量，這就定義了電量這一電學中的第一個物理量即公式中的q1和q2，這個新的物理量有如下的一些特征：首先它具有守恒性即電荷守恒定律，其次是具有量子性即任何物體帶的電荷量都是基本電荷的整數倍，還具有相對論不變性即非相對論和正、負電荷兩種。這樣就得到了著名的庫侖定律F=k。庫侖定律的成立條件有二條：一條是真空，另一個是靜止的點電荷。定律的適用范圍：小到原子范圍大到太陽系范圍庫侖定律都適用。精度問題：庫侖當年實驗的精度達4×10-2數量級，到了1971年精度達10-16數量級。可以說庫侖定律是迄今為止物理學中最精確的實驗定律之一。在靜電學的范圍里毫無疑問庫侖定律是整個靜電學的基礎具有崇高的理論地位。通過庫侖定律的課堂教學，希望能幫助同學們體會到學習一個物理定律應該怎樣從方方面面來考查它，體會到物理規律發現的過程，體會到當年這些前輩大師的研究方法和物理思想。希望能給同學一些借鑒，當你看到一個物理公式時應該浮想聯翩。庫侖定律的建立是成功運用類比方法的結果，麥克斯韋對類比法有如下的論述：“為了不用物理理論而得到物理思想，我們必須熟悉物理類比的存在。所謂物理類比，我指的是一種科學定律與另一種科學定律之間的部分相似性。它使得這兩種科學可以相互說明” 。日本的物理學家湯川秀樹也是類比法的成功運用者，他通過將核力和電磁力類比，成功地提出了核力的介子理論。他說：“類比是一種創造性思維的形式，……假定存在一個人所不能理解的某物，他偶爾注意到這一物和他所熟悉的另一物的相似性。他通過將兩者比較就可以理解他在此刻之前尚不能理解的某物。如果他的理解是恰當的，而且還沒有人達到這樣的理解，那么可以說，他的思維確實是創造性得到。

必須指出：有時簡單的類比也會導致錯誤的結果。如惠更斯類比聲波，認為光波也是縱波就錯了。可見類比結果是否正確還得由實驗檢驗。魯科版普通高中課程標準實驗教科書《物理》選修3-1第六章導入部分“從奧斯特實驗說起”就是這方面的經典事例。

電和磁有沒有聯系？這是先人經常思索的問題，電現象和磁現象有許多的相似性，比如電力和磁力都遵守平方反比定律，但是相似性并不等于本質上有聯系。奧斯特受康德哲學思想影響，認為自然界各種基本力可以相互轉化。他在研究電流對磁針有無作用時，做了如圖1所示的實驗，開始他總是把磁針放在載流導線的延長線位置或放在通過導線的水平面位置或垂直導線地放在下方，企圖用通電的導線使磁針受力轉動，然而盡管導線灼熱了，甚至燒紅發光了，磁針也毫無動靜。錯誤的原因：是通過與萬有引力、電場力簡單的類比認為磁力也像它們一樣是有心力或平行電流方向，作用力應該在導線與磁針決定的平面內。這就是今天的學生不理解為什么尋找磁力這么困難的原因。1820年4月，奧斯特在作有關電和磁的演講時，嘗試把磁針放在導線下方與導線平行的位置，正當他接通電源時，他發現磁針輕微地晃動了一下，他意識到這正是他多年盼望的效應，這就是電流的磁效應。發現了電流而不是電荷能對磁針產生力的作用，使得它偏轉。他第一次把電現象和磁現象聯系起來，宣告了電磁學的誕生。奧斯特注意到磁針不是被吸引也不是被排斥，而是受到了偏轉，顯然磁體是由相反的南北兩個磁極構成的，所以奧斯特經過分析他就認為他發現的這種作用力是新型橫向力。大家知道在這之前對非接觸物體之間的作用力，如萬有引力、電力和磁力的表現都是被吸引或者被排斥，即是一種有心力。現在奧斯特所發現的這種作用有點特殊，這種作用力垂直于磁極和電流所構成的平面。因此造成了磁極的扭轉。奧斯特的實驗在當時科學比較發達的歐洲引起轟動，法拉弟和安培對這一工作的評價很高，法拉弟說：“他突然打開了科學中一個一直是黑暗領域的大門”；安培的評價是：“奧斯特先生已經永遠把他的名字和一個新紀元聯系在一起了”。所以這樣一個突破當時在歐洲大陸很多科學家奔走相告，由于奧斯特實驗本來認為電現象和磁現象是沒有聯系的，現在發現了這種聯系而且同時發現了一種新型的橫向力，于是就受到很重要的啟發，可以說是茅塞頓開，由此一系列相關實驗應運而生，同時提出了很多重要的課題，迎來了電磁學發展上的一個高潮。法國著名生物學家巴斯德在講述奧斯特的發現時，說過一句名言：“在觀察領域的一切機遇只偏愛有那些準備的頭腦。”這句名言已在社會上被廣泛使用。愛因斯坦指出：“從新的角度去看舊的問題，卻需要有創造性的想象力，而且標志著科學的真正進步。”

萬有引力定律的發現對人類社會的文明和人類社會的進步起到巨大的推動作用，標志經典力學達到了最高潮。哥白尼的日心說、第谷大量精確的實驗觀察數據和開普勒建立的開普勒三定律為牛頓創立萬有引力定律做了大量的準備工作，卡文迪什實驗為萬有引力定律畫上完美的句號。這里有物理的實驗領域（第谷的工作）、有唯象理論（開普勒的工作）和理論架構（牛頓的工作）。知道物理學的這種研究方法，具備了這個能力就能夠辨別到什么是重要的問題，什么是不重要的問題。在魯科版普通高中課程標準實驗教科書《物理》必修2第五章“萬有引力定律及其應用”的教學中可以有選擇地給學生介紹一些這方面的物理研究方法。

在重要物理規律教學中滲透物理學習方法研究，是高中物理教學的重要組成部分，需要物理教師積極主動地去挖掘。當然不是高中物理所有的規律都具有以上的特點，實際上在高中階段每學年有這樣一節的物理課也足夠了。它對開展學生的學法研究及素質教育一定會產生積極影響。