工科大學物理中的趣味教學

琚偉偉 蘇向英 李同偉

摘要：作為工科院校中的重要基礎課，大學物理的教學歷來是學校比較重視的部分，但教學效果的不盡如人意又往往是教師比較頭疼的地方。本文中，作者結合多年的大學物理教學經驗和實踐，運用具體的實例，提出了如何在大學物理中引入趣味教學。

關鍵詞：大學物理教學；趣味教學；教學效果

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）18-0190-02

大學物理是理工科院校的一門重要基礎課，歷來是學校教學比較重視的部分，但現實的情況是教學效果往往不盡如人意。學生抱怨枯燥，不想學，以致于上課沒興趣學，課下不會做作業，考試不及格，重修后有的學生還不及格。這樣的結果對教師的教學積極性影響很大，讓教師有一種出力不得好的感覺。如何改變這種現狀呢？作者根據多年的大學物理教學經驗，嘗試著在教學過程中引入趣味教學，結合具體生活中的實例，讓學生帶著疑問去聽課，聽課的過程中通過講解的內容來解釋學生的好奇心理，逐漸把學生的學習興趣提高上來，取得了不錯的效果。下面就從典型的近代物理部分說明這種方法的具體操作。

一、從神話故事“天上一天、地上一年”引出相對論部分的教學

大學物理教學中，大家都聽說過愛因斯坦的相對論，但相對論究竟是怎么一回事，學生是比較陌生的。并且這一部分內容學習起來，對于工科院校的學生又是比較難的。每每講到這個地方，筆者都在想如何讓學生帶著興趣學習這部分內容呢？這個時候就可以這樣處理，大家從小就喜歡看《西游記》，《西游記》里有一種思想就是“天上一天、地上一年”，那么這種說法對嗎？如果不對，為什么古人會產生這種思想呢？如果對，那科學依據在哪里呢？讓學生帶著這種疑問來學習，學習氛圍一下子就活躍起來了。下面我們就從愛因斯坦狹義相對論的時空觀來解決這個問題：

愛因斯坦在1905年提出了兩個基本假設：相對性原理和光速不變原理。并且利用這兩個基本假設推出了狹義相對論的時空觀[1]。

1.同時的相對性。如圖1，火車相對于地面的速度為u。取地面為k系，火車為k′系。在車廂中間放一閃光燈M。假設某一時刻閃光燈突然閃了一下，在火車看來，由于MA=MB，且光線左右傳播的速度都是c，所以光線到達A和B是同時的，即在火車看來，光線到達A和到達B這兩件事是同時發生的。若在A、B兩處放上已校對好的鐘，則閃光到達A、B兩處時兩鐘的讀數一樣。

同樣兩件事，在地面看來怎么樣呢？在地面看來，光在傳播時，車也要運動。在光由M到達A、B的過程中，A要迎著光走一段距離，B要背離光走一段距離。而相對地面光向左、右的速度應是相等的，因此，光必定先到達A，后到達B。即在地面看來，光線到達A和到達B這兩件事是不同時發生的。同樣兩件事，在一個慣性系內同時發生，而在另一個慣性系內卻不同時發生，這就是同時的相對性。

同樣的兩件事，相對于不同的慣性系，它們的時間間隔是不同的。這就是時間量度的相對性。

這兩件事在k′系看來是發生在同一地點（M點）的。我們就把發生在同一地點的兩件事的時間間隔叫作固有時間，顯然相對于觀察者靜止的鐘顯示的時間就是固有時間。在k系看來，這兩件事發生在不同的地點（M點和M′），相應的時間間隔叫非固有時間。固有時間是最短的。即地面上靜止的人看到車上的鐘變慢了。這個現象叫作鐘慢效應。鐘慢效應被普遍的作為科幻或神話小說的題材。如“天上一天，地下一年”等。

講到這里，就可以告訴學生，如果一個物體的運動速度達到光速時，理論上是可能出現“天上一天、地上一年”的現象的，但實際上是實現不了的，牽涉的復雜因素我們在后續的課堂上會詳細講解。

二、從“哥本哈根之謎”引出量子力學部分的教學

大學物理的教學中，近代物理中的量子力學部分一直是學生比較難學的地方，很多學生的反映都是抽象，難理解，以至于課堂上很快就不想聽了。對這部分筆者是這樣做的，首先給學生介紹一部在世界范圍內都著名的話劇“哥本哈根”。話劇“哥本哈根”里的人物有三位，分別是海森堡、玻爾以及玻爾的妻子。對于海森堡和玻爾要對學生有個簡短的介紹：

海森堡：德國物理學家，量子力學的奠基人。1932年獲諾貝爾物理學獎。海森堡在學術上的成就是1925年創立了矩陣力學，后來證明和薛定諤波動力學的本質是一致的。海森堡提出了不確定原理，揭示了微觀世界混沌的本性。海森堡還完成了核反應堆理論，二戰期間主持希特勒的原子彈計劃，但他并不認同希特勒。他甚至想由各國科學家之間達成默契以制止原子彈的生產。所以二戰之后，海森堡宣稱自己是一位英雄，是自己憑科學界的良知抵制并挫敗了希特勒的原子彈計劃。但科學家對海森堡有兩種意見，一種是他不想造原子彈；一種是他沒有能力造原子彈。

玻爾：丹麥的物理學家，哥本哈根學派的創始人，1922年獲諾貝爾物理學獎，提出了玻爾模型，成功解釋了氫原子光譜；利用互補原理和哥本哈根詮釋來解釋量子力學。后來致力于原子核的研究，提出核裂變并釋放巨大能量的“核反應模型”。二戰爆發不久，加入美國的“曼哈頓計劃”，與費米、奧本海默等科學家一起投入原子彈的研究，并成功研制成世界上第一顆原子彈。二戰后極力反對發展核武器。玻爾與海森堡的關系既是師生，又情同父子，由于二戰期間分別身處兩大敵對陣營，于1941年的“哥本哈根會談”之后友誼逐漸冷淡。

而話劇“哥本哈根”描述的是1941年海森堡和玻爾之間的談話，當時海森堡乘火車去哥本哈根找到了玻爾。兩人在晚餐后為了避開竊聽，選擇了在室外談話，當然談話的內容至今是個謎。海森堡到底向玻爾談了什么，有沒有向玻爾透漏德國的原子彈計劃，有沒有向玻爾透漏自己核裂變的進展，有沒有向玻爾打聽盟軍原子彈計劃的進展等等。當然，今天這些都無從得知，但不可否認的是“哥本哈根之謎”不僅是科學史，也是“二戰”史上的一個謎團，至今仍令科學家們撲朔迷離。

課堂上介紹到這里，學生已經有了足夠的好奇心，這個時候再給學生強調，如果想看懂話劇“哥本哈根”，如果想了解這段歷史，你就必須要懂普朗克的能量子假說、愛因斯坦的光的波粒二象性、玻爾的定態假設、德布羅意的物質波、薛定鄂的波動力學、玻恩的波函數的統計假設、海森堡的矩陣力學、狄拉克的相對論量子力學、泡利的不相容原理等等[2]。你還要理解量子力學中的基本概念，比如薛定諤方程、算符、波函數、展開假定及全同性原理等等。而所有的這些將在我們隨后的課堂中學到。只有懂了這些，將來有機會你看話劇“哥本哈根”的時候，你才會發現那是一種享受，而不是一種煎熬。

通過這樣的辦法，讓學生對要學的內容感興趣，讓學生帶著好奇心去學習，往往能夠起到事半功倍的效果。

三、結語

工科大學物理的教學，歷來是比較難的地方，通過在課堂教學中引入具體的典故、事例，往往可以激發學生的學習興趣，讓學生帶著疑問、帶著好奇心去學習，逐步把學生的學習興趣提高上來，經常可以起到事半功倍的效果。

參考文獻：

[1]張慶國，尤景漢，陳慶東，等.物理學教程.下冊[M].北京：機械工業出版社，2013：191.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理學史[M].北京：清華大學出版社，2001：306.