利用物理學史明晰大學物理中的物理概念

摘 要： 本文研究如何在課堂上通過引入物理學史明晰物理思想和概念。以講授波動光學這一章為例，可以發現適當地引入物理學史上的小故事不僅可以豐富課堂教學內容，拓寬學生的視野，而且對于強調其中的物理思想和提高學生創造力有積極的作用。

關鍵詞： 大學物理教學 物理學史 物理概念

1.引言

《大學物理》這門課程是目前中國大學所有工科專業學生必修的一門物理基礎學科，它的許多物理概念和基本公式對學生后期的工科專業學習至關重要，所以大學物理教學的成效將會直接影響到工科學生的數理修養。經過幾年的教學實踐，筆者發現學生普遍缺乏學習興趣，對于關鍵的物理概念模糊，厭倦習題的求解。之所以出現這樣的情況，筆者認為主要是因為高中階段大規模的應試教育使學生產生了倦怠學習的心理，而目前的大學物理課程無論是內容還是形式都與高中課程類似，缺乏能夠激發學生學習興趣的新穎形式。

對于這種情況，大多數教學者是通過強調物理知識在工程實踐中的應用及和實際生活的聯系，豐富大學物理教學內容，提高學生學習興趣。而物理學史的滲透卻常常被忽略。值得注意的是，大學物理中的物理概念和公式是物理學家長期以來研究的結果，所有的理論是經過無數次實踐和實驗驗證后，被教育者或研究者抽象出來用于教學的。這些理論在當時的研究過程中，實際上并不像教科書上描述得那樣抽象，順利，以及自然而然，有些理論的建立甚至摻入了很多人為的因素。所以將當時理論建立的過程正確地還原給學生，有助于學生正確地理解知識的建立，拓寬學生的視野，同時引發學生的探究欲望。

2.以波動光學為例

2.1教科書中內容的安排

波動光學是主要講授光的波動性。東南大學馬文蔚教授等編著的《物理學》下冊中關于波動光學的內容是這樣安排的：首先干涉的必要條件是兩束光相干，接著干涉實驗包括楊氏雙縫干涉、劈尖干涉和牛頓環，之后是單縫衍射和光柵衍射，最后是光的偏振。

2.2光學發展史

牛頓（1642—1727）在1672年做了一個很出名的實驗——色散實驗。牛頓待在一個小屋里，只有一束亮光從一個特意留的小孔中射進來，他不時地將棱鏡片插入小孔中。這時候原來的白光不見了，在墻上映射出一條長長的彩色寬帶。牛頓認為光是不同顏色的微粒的合成。注意同一時期英國皇家學會主席胡克是波動學說的倡導者。所以胡克反對牛頓觀點，認為僅僅是個假說而已，想給年輕的牛頓一個下馬威。這讓牛頓勃然大怒，花了四個月的時間寫了一篇洋洋灑灑的長文，進行反駁。

楊氏（1773—1829）受到當醫生的叔父的影響開始學習醫學，后來研究人體上眼睛的構造，接觸到光學上的一些基本問題，并形成了光是波動的想法，他的這個認識來源于前面我們講到的波的干涉現象。于是做了一系列實驗。1807年楊氏總結出版了他的《自然哲學講義》，里面綜合了他在光學方面的工作，并第一次描述了他名震四海的實驗：光的雙縫實驗，還第一次成功測定了光的波長。

微粒說和波動理論的決勝時刻在1818年，當時法國科學院開展了一個懸賞的征文競賽，競賽的題目是利用精密的實驗確定光的衍射效應及推導光線通過物體附近時的運動情況。當時的本意是希望通過微粒說來解釋光的衍射和運動打擊波動理論。戲劇性的情況出現了：一個不知名的法國年輕工程師菲涅爾菲涅耳（1788—1827）向組委會提交了一篇論文，論文中他采用了光是一種波動的觀點，并以嚴密的數學推理很好地解釋了光的衍射問題。無疑，菲涅耳的工作給微粒論的支持者以致命的一擊。

2.3滲透物理學史的優點

從上面的發展史可以發現，這些故事中不僅涵蓋了教科書中的知識點，而且強調了物理概念，如學生也許不會明白為什么楊氏雙縫實驗是歷史上排名第五的重要實驗，從上述發展史中可以強調雙縫實驗是第一個證明光是波動的實驗。因為插入了許多有趣的故事，如牛頓和胡克的個人恩怨，楊氏的家庭背景等，相比于教科書教授的方式更加有趣和真實。

3.結語

以波動光學這章為例，我們可以發現在大學物理教學中科學滲透物理學史，能收到畫龍點睛的教學效果。

參考文獻：

[1]馬文蔚，解希順，周雨青.物理學（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]顧琪敏，文文.通過“一題多解”習題培養學生的創新意識[J].物理教學探討，2005，5：16-18.