劉麗妹 王鳳鳴 魏 環(huán) 莫文玲

(河北理工大學(xué),信息學(xué)院,河北唐山 063009)

挖掘演示實(shí)驗(yàn)的物理內(nèi)涵充分發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)在文科物理教學(xué)中的作用

劉麗妹 王鳳鳴 魏 環(huán) 莫文玲

(河北理工大學(xué),信息學(xué)院,河北唐山 063009)

結(jié)合大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中的具體實(shí)例——真實(shí)的鏡子引入反物質(zhì)世界、有趣畫面闡釋波粒二象性問題.以挖掘演示實(shí)驗(yàn)物理內(nèi)涵,充分發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)在文科物理教學(xué)中的啟發(fā)作用為主題,就如何以演示實(shí)驗(yàn)室為依托,抓住學(xué)生感興趣的點(diǎn),切入文科物理教學(xué),引領(lǐng)文科生走入大學(xué)物理課堂進(jìn)行簡(jiǎn)單的討論.

文科物理;演示實(shí)驗(yàn);啟發(fā)教學(xué)

1 引言.

隨著教學(xué)改革的不斷推進(jìn),在各高校中開展文科物理教學(xué)已勢(shì)在必行.給文科生講解物理,使其受到一定的科學(xué)文化素養(yǎng)的培養(yǎng),是全面提高其文化科學(xué)素養(yǎng)的有效途徑.文科物理的教學(xué)在一些重點(diǎn)高校已開始教學(xué)實(shí)踐,一般院校也積極探索,紛紛開設(shè)了此類課程.

經(jīng)過幾輪的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn):文科生的特點(diǎn)在于他們有豐富的想象力,他們有對(duì)自然科學(xué)的好奇心,他們想了解什么是黑洞,什么是核能,但他們?nèi)鄙傧到y(tǒng)的物理知識(shí)功底,缺少了解基礎(chǔ)物理知識(shí)的耐心.一些學(xué)生并沒有認(rèn)識(shí)到給他們開設(shè)物理課的深遠(yuǎn)意義,只是被動(dòng)的選修學(xué)分;一些學(xué)生習(xí)慣于高中物理的題海,對(duì)于文科物理的講授方式并不適應(yīng),覺得文科物理課程四不像;另外遠(yuǎn)高于他們認(rèn)知能力的物理知識(shí)使他們對(duì)這門課望而卻步.如此看來,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,帶領(lǐng)文科生走進(jìn)物理課堂成為文科物理教學(xué)的前提條件,也是待解決的關(guān)鍵問題.

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)物理教學(xué)過程中不可或缺的一個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié),考慮到文科物理的教學(xué)特點(diǎn),適當(dāng)?shù)亟o學(xué)生開設(shè)演示實(shí)驗(yàn)是比較合理的.演示實(shí)驗(yàn)在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、開發(fā)創(chuàng)新思維、啟發(fā)心智方面的作用在大學(xué)物理教學(xué)改革的思潮中已得到充分論證[1～8].這源于演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn):把有趣的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)給學(xué)生以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,如電學(xué)中的“怒發(fā)沖冠”實(shí)驗(yàn)、雅各布天梯實(shí)驗(yàn)等;或把一些巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)重現(xiàn)給學(xué)生以開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,如光纖溫度傳感、光學(xué)全息等實(shí)驗(yàn);或把難懂的物理原理通過易觀察的實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)給學(xué)生以啟發(fā)學(xué)生心智,如一系列的光的干涉、衍射實(shí)驗(yàn)等.總之,演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)就在于表觀現(xiàn)象多姿多彩、生動(dòng)有趣,且極具物理內(nèi)涵.

結(jié)合文科物理教學(xué),以演示實(shí)驗(yàn)室為依托,搭建趣味創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái),有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和對(duì)自然知識(shí)的好奇心以及最原始的求知欲.這樣既可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)興趣,也可以加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解,還可以使學(xué)生們體會(huì)到物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展史中的重要地位.

本文將結(jié)合大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中的具體實(shí)例,以挖掘演示實(shí)驗(yàn)物理內(nèi)涵,充分發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)在文科物理教學(xué)中的啟發(fā)作用為主題,就如何更好地激發(fā)文科生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣和勇氣,自然切入物理知識(shí),淺談一下這方面的工作.

2 平面鏡背后的反物質(zhì)世界,真實(shí)的鏡子背后的正物質(zhì)世界——簡(jiǎn)單的演示實(shí)驗(yàn)可以挖掘出近代前沿的物理知識(shí),從而激發(fā)文科生的學(xué)習(xí)興趣

在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生能接觸到“真實(shí)的鏡子”這一演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,原理是簡(jiǎn)單的平面鏡成像,空間反演,但利用此實(shí)驗(yàn)可以有效地啟發(fā)學(xué)生對(duì)天文學(xué)關(guān)于反物質(zhì)世界的思考.

所謂真實(shí)的鏡子就是兩個(gè)平面鏡夾角成90°,如圖1(a)所示放置.根據(jù)平面鏡成像特點(diǎn),此現(xiàn)象很容易理解,問題的啟發(fā)點(diǎn)不在于此,而在于兩面普通的平面鏡成90°角放置,為什么就是真實(shí)的鏡子?普通的平面鏡成像不真實(shí)嗎?

電子和反電子的質(zhì)量相同,但有相反的電荷.質(zhì)子與反質(zhì)子也是這樣.那么中子與反中子的性質(zhì)有什么差別?其實(shí)粒子實(shí)驗(yàn)已證實(shí),粒子與反粒子不僅電荷相反,其他一切可以相反的性質(zhì)也都相反.

這里真實(shí)的鏡子所成的像3(像3′)和物體之間左右手的關(guān)系是一致的,就像物直接繞到鏡3后邊,這就是它的“真實(shí)性”所在.而如果物體直接通過平面鏡3成像,如圖1(b)所示,物與像4的左右手關(guān)系是不一致的,這正是正物質(zhì)與反物質(zhì)相反的性質(zhì)之一.從宇稱的角度來看,普通平面鏡背后所成的像(像4)是反物質(zhì)世界的像,其左右的概念是相反的;而真實(shí)的鏡子所成的像(像3或像3′)是正物質(zhì)世界的像,其左右的概念是一致的.通過啟發(fā)學(xué)生看物與像之間的左右宇稱對(duì)應(yīng)關(guān)系,進(jìn)而講解有關(guān)近代物理中天文學(xué)關(guān)于反物質(zhì)世界的思考,自然而然地引入了反物質(zhì)、基本粒子等近代物理知識(shí).

有一個(gè)有趣的問題:如果有一天,真的發(fā)現(xiàn)了地球外的人類文明,如何用最簡(jiǎn)單的辦法判斷他是否是由反物質(zhì)組成?最簡(jiǎn)單的辦法是看他所認(rèn)可的左右手關(guān)系和地球人是否一致.

人們對(duì)物質(zhì)的本源,對(duì)宇宙的發(fā)展充滿好奇,學(xué)生對(duì)天文現(xiàn)象、基本粒子等近代物理知識(shí)渴望了解,與近代物理知識(shí)的好的銜接點(diǎn)也是每個(gè)物理教育工作者所苦苦尋覓的.通過真實(shí)的鏡子引入學(xué)生們感興趣的反物質(zhì)世界,一方面可以很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)熱情,另外也可以為近代物理知識(shí)的切入找到一個(gè)很好的突破口,教學(xué)實(shí)踐顯示教學(xué)效果很好.

3 MY GIRL AND HER MOTHER,DO YOU SEE BOTH?——通過一幅有趣的畫,加深學(xué)生對(duì)量子力學(xué)中“波粒二象性”問題的理解,激發(fā)學(xué)生接觸近代物理知識(shí)的興趣和勇氣

工科大學(xué)物理中量子力學(xué)部分是教學(xué)難點(diǎn),對(duì)文科生更是難點(diǎn)中的難點(diǎn).學(xué)生有興趣了解這方面的知識(shí),尤其是一些科幻電影涉及到量子話題,使學(xué)生愿意了解這方面的知識(shí),但如果教學(xué)方法不當(dāng),學(xué)生很快會(huì)失去學(xué)習(xí)興趣.

關(guān)于波粒二象性問題,不論是光的波粒二象性還是實(shí)物粒子(如電子)的波粒二象性,在初講量子力學(xué)時(shí),學(xué)生是很容易接受的.這主要是由于通過光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)引入了光的粒子性;而德布羅意通過對(duì)比給出電子的波動(dòng)性后,大部分課本也會(huì)隨之講解電子波動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,電子經(jīng)金多晶薄片形成的漂亮衍射環(huán)給學(xué)生留下了深刻的印象.但若談及對(duì)波粒二象性的理解,大部分學(xué)生會(huì)感覺有困難.正如在早期,波粒二象性剛剛提出的時(shí)候,當(dāng)時(shí)的某些教授中也流傳著嘲弄之辭:(按照大學(xué)的課表安排)“在星期一、星期三、星期五,電子像粒子那樣運(yùn)動(dòng),而在星期二、星期四、星期六,電子又像一種波那樣運(yùn)動(dòng).”問題在于學(xué)生慣于從經(jīng)典出發(fā)去理解近代物理,致使物理圖像不清晰.

出現(xiàn)在演示實(shí)驗(yàn)室中的有趣畫面“MY GIRL AND HER MOTHER,DO YOU SEE BOTH?”(如圖2所示),能夠幫學(xué)生理解波粒二象性問題.波動(dòng)性、粒子性是物質(zhì)屬性的兩個(gè)不同面,它們共同屬于物質(zhì).不是什么時(shí)候是波,什么時(shí)候是粒子,而是什么情況下顯示波動(dòng)性,什么情況下顯示粒子性的問題.正如此畫,它本身就是一個(gè)矛盾的統(tǒng)一體,當(dāng)集中注意力看 GIRL,就看見了一個(gè)漂亮的女孩;當(dāng)集中在“大鼻子,縮脖子”時(shí),就看見了“HER MOTHER”(女孩的耳朵是媽媽的眼睛,女孩的頸圈是媽媽的嘴).學(xué)生最初看到畫面,會(huì)驚嘆設(shè)計(jì)者的構(gòu)思巧妙,當(dāng)提及波粒二象性問題,覺得茅塞頓開.

通過這幅有趣的畫來闡釋波粒二象性問題,使得學(xué)生能夠正確、清晰地理解問題,很好地激發(fā)了學(xué)生接觸近代物理知識(shí)的興趣和勇氣.

4 結(jié)語

教學(xué)實(shí)踐表明,文科物理教學(xué)的關(guān)鍵是首先要抓住學(xué)生某一個(gè)感興趣的點(diǎn),帶他們走入到物理課堂.這正如看球賽,如果學(xué)生根本不懂比賽規(guī)則就不會(huì)有興趣去看比賽,興趣源于初步的了解.也許對(duì)于物理專業(yè)的學(xué)生來說,諸如上面提到的這些物理話題非常簡(jiǎn)單,如此講解有些畫蛇添足,甚至有點(diǎn)誤導(dǎo)學(xué)生對(duì)概念的深入理解,這正如我們初中剛引入電壓概念時(shí)經(jīng)常與水壓概念對(duì)比,也許大家認(rèn)為電壓與水壓概念相去甚遠(yuǎn),但不可否認(rèn),這一對(duì)比使初接觸電壓的學(xué)生對(duì)電壓有了初步的認(rèn)識(shí).這是知識(shí)繼續(xù)深入的一個(gè)基礎(chǔ),隨著學(xué)習(xí)的深入,學(xué)生們自然而然地了解到電壓的概念與水壓不同.

[1] 蘭明乾,李玲.談大學(xué)物理教學(xué)中的演示實(shí)驗(yàn),科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2008,10,213

[2] 耿愛叢,趙慈,黃英群.淺談大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的作用及改進(jìn)措施[J].中國電力教育,2008,11,97

[3] 趙志洲,張曉春,李富全,趙慶年.充分發(fā)揮物理演示作用的幾點(diǎn)嘗試[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),1997,10(4),62

[4] 路俊嶺,汪榮寶,楊紅.討論課中引入演示實(shí)驗(yàn)的嘗試[J].大學(xué)物理,2003,22(10),42

[5] 梁秀萍,李葉芳.素質(zhì)教育從這里開始——物理演示實(shí)驗(yàn)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2002,15(2),82

[6] 王秀澤,馬軒文.演示——啟迪思維的鑰匙[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),1997,10(3),63

[7] 韓長明.如何使物理演示實(shí)驗(yàn)取得更好效果[J].大學(xué)物理,1993,12(3):38～39

[8] 周亮,席麗霞.當(dāng)代物理演示與技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理,1998,17(10):30～31

PLAYING THE INSPIRED ROLE OF DEMONSTRATION EXPERIMENTS IN ART PHYSICS TEACHING

Liu Limei Wanɡ Fenɡm(xù)inɡ Wei Huan Mo Wenlinɡ
(Information Institute of Hebei Science and Technology University,Tangshan,Hebei 063009)

In order to arouse art students’interest in studying of physics,the rich connotation of demonstration experiments should be explored.In this paper,a topic on the inspired role of demonstration experiments in art physics teaching is discussed,combined with the examples in teaching experiences such as antimatter world is introduced by the real mirror and the problem of wave-particle duality is explained by an interesting painting.

art physics;demonstration experiments;inspired teaching

2010-03-07)

河北理工大學(xué)教學(xué)改革資助項(xiàng)目.