物理學(xué)史經(jīng)典事例的學(xué)科核心素養(yǎng)價(jià)值挖掘

摘要：物理學(xué)史上原生態(tài)的經(jīng)典事例，是高中物理教學(xué)的珍貴素材，為培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)提供豐富的教學(xué)資源和問題情境，需要我們深入挖掘并充分利用。

關(guān)鍵詞：教學(xué)資源；學(xué)科價(jià)值；復(fù)雜模型；科學(xué)思維

高中物理教材中有許多物理學(xué)史上的經(jīng)典事例，這些經(jīng)典事例蘊(yùn)含著極其豐富的教育教學(xué)價(jià)值。僅就培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)而言，其教學(xué)價(jià)值巨大，對學(xué)生的物理觀念、學(xué)科思想的形成和科學(xué)思維的發(fā)展的影響深遠(yuǎn)，是教學(xué)不可多得的素材，需深度挖掘。

一、在主題研究中深入挖掘科學(xué)史的學(xué)科價(jià)值

由于課時(shí)有限，對物理學(xué)史問題的處理往往是簡單的介紹，所以學(xué)生不會有較深刻感受。因而學(xué)生便失去與物理大師“接觸”的機(jī)會，失去體驗(yàn)物理發(fā)現(xiàn)歷程的機(jī)會，失去感悟科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的作用的機(jī)會，等等。所以，我們應(yīng)當(dāng)在課前預(yù)設(shè)研究主題，安排學(xué)生查閱、搜集并整理相關(guān)資料，課上做簡單的展示。這樣，可以解決課時(shí)緊張的問題，較好地發(fā)揮了物理學(xué)史的作用；更重要的，學(xué)生是教學(xué)資源的挖掘者、教學(xué)的參與者和學(xué)習(xí)的親歷者，其收獲會更大。

（一）課前研究預(yù)設(shè)主題

回旋加速器的教學(xué)，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生深入研究以下幾個(gè)問題：

（1）勞倫斯是怎樣想到要發(fā)明回旋加速器的？（2）理解回旋加速器必須具備哪些基本的知識？（3）回旋加速器的價(jià)值與作用，以及該發(fā)明有哪些高明的策略？（4）你認(rèn)為勞倫斯取得成功的主要原因是什么？（5）你知道勞倫斯參與領(lǐng)導(dǎo)了原子彈制造嗎？你怎么看待這件事？等等。這樣的設(shè)計(jì)，不是簡單地以知識為線索，以知識獲取為唯一目的，而是積極挖掘了學(xué)科核心素養(yǎng)所涉及的多個(gè)方面要素。

（二）分組研究并準(zhǔn)備展示

首先，預(yù)設(shè)的問題相對較多，每個(gè)學(xué)生都研究所有問題恐怕有一些困難，可進(jìn)行分組研究不同等問題；其次，學(xué)生展示的準(zhǔn)備也尤為重要，實(shí)際上是用最簡練的、準(zhǔn)確的語言表述史實(shí)和自己的觀點(diǎn)，對學(xué)生來說是一次很有價(jià)值的研究和思考。還有，師生對學(xué)生研究和展示做出簡捷的評價(jià)，對學(xué)生激勵(lì)和提出改進(jìn)意見，等等。總的來看，學(xué)生研究了這些問題，較充分地體驗(yàn)了回旋加速器發(fā)明的思維歷程，領(lǐng)會了研究的思想方法和策略，了解理解回旋加速器原理的必備的高中物理知識和方法，感受勞倫斯參與原子彈制造后產(chǎn)生了有違社會責(zé)任和科學(xué)價(jià)值的遺憾，也為深入研究做了一定的準(zhǔn)備和鋪墊，等等。當(dāng)然，這樣研究也是需要大量精力和時(shí)間的，不過師生一個(gè)學(xué)期做幾次這樣研究，還是允許的，但收獲可是大不相同的。

二、在物理模型建構(gòu)中挖掘模型本質(zhì)的價(jià)值

回旋加速器是一種復(fù)雜模型，是由帶電粒子（重力不計(jì)）、電場、勻強(qiáng)磁場、直線運(yùn)動(dòng)和勻速圓周運(yùn)動(dòng)等基本模型構(gòu)成。不僅是模型本身價(jià)值高，而且對建模思想與方法也有很大價(jià)值。

（一）組成加速器的基本模型分析

回旋加速器涉及多種基本模型，學(xué)生要對每種模型的特點(diǎn)和規(guī)律要有準(zhǔn)確把握。首先。要引導(dǎo)學(xué)生識別回旋加速器包含的哪些基本模型。其次，要回顧各種基本模型的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，使學(xué)生體驗(yàn)到復(fù)雜模型都是有基本模型組合而成的。復(fù)雜模型建構(gòu)的組合方式的價(jià)值得到充分的體現(xiàn)。

（二）回旋加速器的建模條件分析

加速器模型建構(gòu)不僅體現(xiàn)在其組合性，更體現(xiàn)在建模的條件上。首先，帶電粒子重力不計(jì)，對學(xué)生來說比較熟悉。其次，引導(dǎo)學(xué)生把握，加速效果取決于加速電壓而與加速距離無關(guān)，所以兩“D”型盒的間距可以很小，而不影響加速效果，因而加速時(shí)間可以做到極短而忽略不計(jì)，這是一次理想化的處理。最后，是同步條件分析，即經(jīng)過師生討論和思考，理解在勻強(qiáng)磁場中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)周期與其速率無關(guān)，盡管在磁場中的運(yùn)動(dòng)半徑在不斷增大，但在給定的磁場和粒子的情況下周期是定值，要滿足每次經(jīng)過“D”型盒之間時(shí)，都被加速（即電場力做正功），必須滿足帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)周期等于交變電場的變化周期。引導(dǎo)學(xué)生完成建模三條件分析，得到的是對回旋加速器的構(gòu)造原理和本質(zhì)規(guī)律的理解。這個(gè)認(rèn)知經(jīng)歷和思維過程，挖掘出了本模型建構(gòu)的基本規(guī)則即“理想化”思想和帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)與交變電場變化的“同步調(diào)”思維。

（三）兩種加速器模型的比較分析

通過對比，讓學(xué)生了解到直線和回旋加速器不同點(diǎn)，明確回旋加速器巧妙地利用了磁場的偏轉(zhuǎn)作用，使帶電粒子反復(fù)在同一電場中反復(fù)加速，大大縮小了加速器的空間；也要明確由于相對論效應(yīng)速度較大時(shí)回旋加速器將無法做到“同步”等不足，以開闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步研究的興趣。

三、在問題解決中挖掘發(fā)展科學(xué)思維的價(jià)值

回旋加速器的相關(guān)問題極其表述的科學(xué)思維價(jià)值很大，在學(xué)生有了一定的學(xué)習(xí)與積累后，可以深入研究一些有一定思維含量的問題，進(jìn)一步提高學(xué)生思維能力。比如：

（一）最大速率的決定因素

給出帶電粒子（質(zhì)量m、電量q）加速電壓U，磁感應(yīng)強(qiáng)度B，加速器最大半徑Rm，則：

qvmB=mvm2Rm得：vm=qBRmm

可以得出結(jié)論：在給定帶電粒子和磁場的情況下，最大速率僅有最大半徑?jīng)Q定。以此為基礎(chǔ)再引導(dǎo)學(xué)生討論增大最大速率的辦法，等等。

（二）加速次數(shù)、加速電壓與最大速率的關(guān)系

提出問題：在上面的表達(dá)式中，為什么沒有加速電壓？難道最大速率或最大動(dòng)能與加速電壓大小無關(guān)嗎？加速次數(shù)為n，則有：nqU=12mv2m結(jié)合上面的結(jié)論可得：nU=常量。然后，引導(dǎo)學(xué)生研究“nU=常量”的物理意義，發(fā)現(xiàn)與加速電壓大小無關(guān)的本質(zhì)即加速電壓不同，加速次數(shù)不同但總功確相同。

（三）相鄰兩次加速的動(dòng)能關(guān)系和速率關(guān)系

第n次加速后的動(dòng)能：EKn=nqU∝n，即可得出每次增加的動(dòng)能都相同等。而每次加速后的速率：nqU=12mv2，可得：v∝n，所以每次的速度變化不同，可以要求學(xué)生用圖像描述（如圖1），提高研究水平和表述能力，還可以引導(dǎo)學(xué)生研究每次加速的半徑的關(guān)系，等等。

總之，通過簡單的推理、比較和分析，引導(dǎo)體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的思維歷程、發(fā)現(xiàn)物理本質(zhì)喜悅，并達(dá)到培養(yǎng)思維品質(zhì)、發(fā)展科學(xué)思維的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1][美]布里奇斯，張青民譯.發(fā)明的故事，出版社：陜西人民出版社出版時(shí)間，200902.

[2]普通中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn).人民教育出版社，20181.

作者簡介：雪飛虎（1962），男，中學(xué)高級。