不可忽視基本物理常數的教學

王朝輝

摘 要：基本物理常數具有不可忽視的教育價值，重視基本物理常數的教學有助于學生對物理知識的理解，更能讓學生受到科學方法的熏陶，擴大視野，對培養學生的科學素養、綜合能力起到積極的推動作用。

關鍵詞：基本物理常數；教學；教育價值

高中物理中會出現一些被稱為“常數”的特殊數值，這些特殊數值所表示的物理量是科學家在科學探究過程中發現的自然恒量。基本物理常數在物理學的發展史上起著極其重要的作用，不論是理論的建立，還是實驗的驗證，甚至到單位制的確立都與基本物理常數有關。因此，重視對基本物理常數的教學，讓學生在物理學習中感受到物理常數的魅力，將有助于對物理學的過去、現在和將來的認識，更能讓學生受到科學方法的熏陶，擴大視野，提高學生的科學素養。

一、基本物理常數的教育價值

基本物理常數是物理領域中與具體物質特性無關的一些普適常數。最基本的有真空中光速с、引力常量G、普朗克常數h、基本電荷e、電子靜止質量me和阿伏伽德羅常數NA等。基本物理常數大約有25個，加上其組合量則有40～50個，它們之間有著深刻的聯系，并不是彼此獨立的。

1.基本物理常數的內在價值

一些重大物理現象的發現和物理理論的創立，常常同基本物理常數的發現或準確測定有著密切的聯系。例如，電子的發現是通過對電子的荷質比e/m的測定獲得的；普朗克建立量子論的同時，發現了普朗克常數。基本物理常數定量描繪和反映了客觀世界的基本性質和特征，決定了物質結構的層次，為不同領域的區分提供了定量的標準。基本物理常數的測定和精度提高經歷了漫長而艱辛的歷史時期，生動地反映了測量技術和測量方法的發展和人類

創造力的提升。

2.基本物理常數的人文價值

每一個基本物理常數的發現都標志著人類在物理學領域又前進了一步，正所謂：“一花一世界，一葉一菩提。”例如，萬有引力常數G、光速c、普朗克常數h這三個基本物理常數可以分別標志近代物理學史三個時代的特征。第一個時代以牛頓的動力學為主線，可以用萬有引力常數G來標志這一時代的特征；第二個時代以麥克斯韋的電動力學為主線，可以用光速c來標志這一時代的特征；第三個時代以狄拉克的量子電動力學為主線，可以用普朗克常數

h來標志這一時代的特征。基本物理常數不僅能幫助學生從物理學史的角度更深刻地理解物理知識的傳承和發展，還能在科學家

對其求真、求準的過程中了解科學家的科學態度和人文精神，激發

學習熱情，對學生情感、態度與價值觀的培養有著積極的推動作用。

3.基本物理常數的哲學意義

基本物理常數中蘊含著普遍聯系的思想。例如，萬有引力常數G，使得天地間引力歸于一式，阿伏伽德羅常數則架起了宏觀物理量和微觀物理量的橋梁。再如，光的電磁波學說，通過光速c這個橋梁，把原先彼此孤立的光、電、磁理論統一起來，并反映三者之間深刻的聯系。普朗克常數h將微粒的粒子性（能量、動量）和波動性（頻率、波長）聯系起來，即E=hv，p=h/λ。基本物理常數往往是物理框架中的重要關節點，這些關節點就是事物保持自身質的限度和幅度的臨界點，即事物的度。因此，基本物理常數還折射了量變和質變的思想。基本物理常數包含的唯物辯證法思想內容還有：穩定與變化、連續與不連續、部分與整體、微觀與宏觀、有限與無限等。

二、如何進行基本物理常數的教學

基本物理常數不僅是物理規律、物理本質的深刻揭示，更是創造性思維的集中反映。然而在應試背景下的教學中卻易受忽視，往往只講數值和單位，匆匆而過。基本物理常數的提出、測量、意義及背后隱含的物理思想和物理學史基本都忽略了，這不僅影響了學

生對基本物理常數的基礎地位和作用的認識，也降低了課堂教學

的趣味性，制約了學生的綜合能力發展。

1.基本物理常數的“5W”教學法

對于一個基本物理常數的教學，一般要解決五個問題：（1）What？就是要明確這個常數的大小、單位、特征、意義及作用。（2）Why？為什么要引入這個常數，即引入的歷史背景和動因。引入這個常數給物理學的發展帶來怎樣的變化。（3）When？即要說明為什么在這個時候出現？有沒有歷史的必然性？（4）Who？分析物理學家的特點，他的生平及成功要素。為什么會作出這個成果？（5）How？即要說明物理學家怎樣確立基本物理常數，包括所經的曲折和奮斗歷程

以及從中可以得到的啟示。

2.基本物理常數的教學要點

（1）展現創造性特征，讓學生敢于“異想天開”

人們通常認為違背“常規”就是荒謬的，其實不然。歷史上幾乎所有有關基本物理常數的科學突破，都是在正常和反常的相互轉

化中實現的。例如，h最早是普朗克在推導黑體輻射公式時引進的，普朗克最初對此也深感不安，認為自己是錯誤的。后來愛因斯坦運用量子的觀點和常數h，很好地解釋了光電效應。接著玻爾又把量子論假說應用于盧瑟福的原子模型，很好地解釋了氫原子光譜的實驗規律。量子論的成就一個接著一個，凡是用到量子論的地方就出現h，這時人們開始認識到，普朗克引進的這個常數非同尋常，它反映了自然界的一種不連續性，即能量輻射的量子性。

（2）結合物理學史提煉科學軌跡，讓學生感受常數探索的“高難性”和“曲折性”

確定基本物理常數的恒常性或建立基本物理常數的解釋理論并不容易。主要原因有：①獲得難。具體表現在測量難和精確測量難。②解釋難。阿佛伽德羅最初提出阿佛伽德羅分子假說時，也不知道NA究竟有多大，所以并沒有得到科學界的承認。要準確地量度出阿伏伽德羅常量的值，需要在宏觀和微觀尺度下，用同一個單位，去量度同一個物理量，這樣做在早年并不可行。直到1910年，密立根成功測量到一個電子的電荷，才借助單個電子的電荷來做到微觀量度。把一摩爾電子的電荷，除以單個電子的電荷，可得阿伏伽德羅常數。隨著X射線晶體學運用，NA測量更加精確，1971年摩爾成為國際單位制基本單位。

（3）了解基本物理常數的著名測定實驗，讓學生體會物理實驗的“美”與“妙”

在基本物理常數教學中，結合教學內容介紹一些著名物理實

驗具有重大意義。要說明實驗的背景、條件、手段、方法和過程，要闡明這些著名實驗的設計思想和研究處理問題的方法、實驗與理

論的關系以及實驗所做出的重大歷史貢獻。如，對卡文迪許扭秤和庫侖扭秤的比較分析使學生認識到物理實驗是物理實踐活動的最重要手段，深切感受實驗設計的創造性，體會物理學習的最高境界。

（4）介紹基本物理常數的最新研究成果，拓寬視野，讓學生看到物理學的發展

現代利用精確測定的NA可將宏觀意義上的質量單位定義在微觀粒子的質量上，這種定義方式具有穩定性和恒定性，符合基本單位的重新定義方向。例如，新的千克定義可描述為：“千克是質量單位，處于基態的碳12原子靜止質量的{NA}倍/0.012為1千克，其中碳12原子的摩爾質量準確等于12g/mol。”常數“不常”的觀點如果被證明是正確的，會給當前物理學前沿帶來怎樣的沖擊？這一類問題能較好打開學生的思路，鍛煉學生的思辨能力。

通過人類探索基本物理常數的歷史，可以看出：基本物理常數的測定是隨著科學技術的發展，特別是物理學的發展而發展的，反過來，由于這些常數在測定上的日益精確，也促進了科學技術特別是物理學的迅速發展。如果在教學中，將基本物理學常數的發現、測定和物理學家的思想、個人品質、貢獻這些豐富的史料有機地融合在一起，對學生進行教育，必將激起學生濃厚的興趣，對培養學生的科學品質、綜合素質起到積極的推動作用。

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（作者單位 江蘇省南京外國語學校仙林分校）