關(guān)正兵

【摘 ?要】在高中物理教學過程中，再現(xiàn)科學家的研究過程，引導學生總結(jié)得出結(jié)論，顯示出研究方法在科學研究中的重要地位;通過引導學生推導規(guī)律，讓學生經(jīng)歷規(guī)律的推導過程，培養(yǎng)學生的科學思維、科學探究精神;在原子物理知識的教學中，通過梳理原子物理的發(fā)展史，讓學生沿著科學家的研究足跡，認識原子的結(jié)構(gòu)，讓學生感受到科學家鍥而不舍的研究究精神和科學的研究方法，培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】物理學史;物理教學;教育作用

物理學史的學習是物理學習的重要組成部分，在高中物理教學中，引導學生通過物理學史的學習，讓學生體會知識形成過程中的科學探究過程，科學家研究所用的科學方法、堅韌不拔的科學探索精神，概念與概念、概念和規(guī)律間的關(guān)系等。讓學生以物理學史為線索，梳理知識體系，學習科學方法，體會探究過程，培養(yǎng)學生的思維能力。以下是筆者利用物理學史進行教學的一點體會與做法。

一、再現(xiàn)科學家的研究過程，體現(xiàn)科學思維方法

科學家探索物理規(guī)律經(jīng)歷了漫長的過程，科學思維方法也是在探究規(guī)律的過程中總結(jié)和歸納出來的。在教學中再現(xiàn)科學家的研究過程，對學生科學思維方法的形成有積極的促進作用。例如，在自由落體運動的教學中，介紹伽利略對落體運動的研究過程：伽利略通過邏輯推理，指出了亞里士多德“重的物體下落得快”論斷的問題，得出重物與輕物應(yīng)該下落同樣快慢的結(jié)論。為了進一步研究落體運動規(guī)律，伽利略首先建立了描述運動的物理量，如平均速度、瞬時速度、加速度等概念，接著猜想落體運動的速度可能隨時間均勻變化，為了檢驗猜想是否正確，伽利略想辦法用實驗來檢驗v與t成正比是否正確。伽利略通過理論推導，得出如果速度隨時間的變化是均勻的，位移就與時間的二次方成正比，只要測出位移和時間，就可以檢驗物體的速度與時間的關(guān)系。為了便于測量，克服落體時間短，時間不能測量的困難，伽利略設(shè)計了斜面實驗，讓銅球沿阻力很小的斜面滾下，加速度小，時間長，就容易測量了。伽利略通過大量實驗，證明小球沿斜面下滑的運動是勻加速直線運動。換用不同質(zhì)量的小球，從不同高度開始釋放，只要斜面傾角相同，小球的加速度就相同。伽利略將上述實驗進行了合理外推，當斜面傾角很大時，小球的運動跟落體運動差不多。當傾角增大到90°時，小球的運動就是自由落體運動。伽利略在研究運動的過程中，不僅建立了描述運動的基本概念，而且創(chuàng)造了把實驗和邏輯推理相結(jié)合，將實驗結(jié)果合理外推的科學研究方法，為近代科學研究提供了科學思維方式和科學研究方法。

二、讓學生經(jīng)歷規(guī)律的形成過程，培養(yǎng)學生的

科學思維和科學探究素養(yǎng)

在物理規(guī)律的教學中，引導學生推導規(guī)律，經(jīng)歷規(guī)律的形成過程，使讓學生對規(guī)律的理解更深刻，也提升了學生的邏輯推理能力。例如，在萬有引力定律的教學中，先介紹伽利略、開普勒、笛卡兒、胡克、哈雷等科學家對引力研究的重要貢獻，牛頓在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，用數(shù)學知識推導出了太陽和行星之間引力與距離的關(guān)系及行星的軌跡，提出了萬有引力定律。在教學過程中，引導學生沿著科學家的研究足跡，體會萬有引力定律的推導過程，運用牛頓運動定律和開普勒行星運動定律，結(jié)合圓周運動知識，引導學生把行星的運動看作勻速圓周運動，讓學生分析向心力的來源及方向，通過分析，得出太陽為行星的引力提供向心力，引力方向沿著二者連線指向太陽，向心力大小為F=m，行星公轉(zhuǎn)周期為T，則有v=，聯(lián)立得F=，根據(jù)開普勒第三律=k，變形為T2=，代入上式得F=4π2k，可知F與成正比，又根據(jù)牛頓第三定律，行星與太陽的引力F與成正比。接著介紹了牛頓的研究過程：在推導出太陽與行星的引力之后，為了驗證地球與月球之間的作用力、地球?qū)μO果的吸引力和太陽與行星間的作用力是同一種力，牛頓推出導月球的向心加速度與蘋果的自由落體加速度之比為=用數(shù)據(jù)證明了上述設(shè)想的正確性，從而得出萬引力定律具有普適性的結(jié)論。

在課堂教學中，通過創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)置問題讓學生思考，參與教學過程，應(yīng)用所學知識推導萬有引力定律，理解萬有引力定律中各物理量的意義和適用條件以及在日常生活應(yīng)用等。通過教學過程，學生不但學習了物理知識，也體會了科學家的研究過程和研究方法，嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，同時培養(yǎng)了學生的科學精神、科學探究素養(yǎng)和科學思維。

三、以物理學史為線索，揭示原子結(jié)構(gòu)

在原子物理知識的學習中，知識點比較多且瑣碎，涉及不同章節(jié)，和光學及經(jīng)典物理知識相關(guān)聯(lián)。在教學中，筆者通過梳理科學家發(fā)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)的過程，沿著“以實驗為基礎(chǔ)，提出原子結(jié)構(gòu)模型，與實驗或原有理論存在矛盾，進一步探索和研究”的思路，引導學生循著科學家的研究足跡，體會科學家的研究方法，認識原子的結(jié)構(gòu)。

（一）電子的發(fā)現(xiàn)

首先發(fā)現(xiàn)電子的是物理學家湯姆孫，他根據(jù)帶電粒子在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況，確定陰極射線就是帶負電的粒子流，他把這種“微?！泵麨椤半娮印?。發(fā)現(xiàn)電子后，美國科學家密立根采用油滴實驗測定了電子的電荷值，并根據(jù)荷質(zhì)比，計算出電子的質(zhì)量。隨著電子的發(fā)現(xiàn)，科學家繼續(xù)探索原子的結(jié)構(gòu)，提出了不同的原子模型，其中湯姆孫提出了原子的棗糕模型，他認為“原子是由正電荷構(gòu)成的一個密度均勻的球體，電子就像棗糕中的棗一樣鑲嵌在其中”。但隨著科學家對原子結(jié)構(gòu)的進一步研究，原子的棗糕模型無法解釋較高速度的電子很容易穿透原子的現(xiàn)象，也無法解釋α粒子散射實驗現(xiàn)象，需要做進一步研究。

（二）原子的核式結(jié)構(gòu)模型

在研究原子結(jié)構(gòu)的過程中，英國物理學家盧瑟福做了α粒子散射實驗，用α粒子轟擊金箔，實驗結(jié)果表明，絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，只有極少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。在對實驗結(jié)果進行科學分析后，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，他設(shè)想：原子中帶正電的部分體積很小，幾乎集中了全部質(zhì)量，成為原子核，電子在核外繞核旋轉(zhuǎn)。原子的核式結(jié)構(gòu)模型很好地解釋了α粒子的散射實驗，從而否定了湯姆孫的棗糕模型。但核式結(jié)構(gòu)模型在解釋原子的穩(wěn)定性和原子光譜是明線光譜時，與經(jīng)典電磁理論發(fā)生了矛盾?！鞍凑战?jīng)典電磁理論：帶電粒子在做加速運動的過程中會放出能量，電子的軌道半徑會越來越小，落在原子核上，原子就不穩(wěn)定，而事實上原子是穩(wěn)定的;核外電子繞核做周期性的圓周運動，應(yīng)向外輻射電磁波，其頻率應(yīng)該等于電子繞核運行的頻率，若電子的軌道半徑發(fā)生變化，電子繞核運行的頻率也會發(fā)生變化，原子輻射電磁波的頻率也會不斷變化，大量原子發(fā)光的光譜就應(yīng)該是連續(xù)光譜。 然而，實際上原子光譜是由一些不連續(xù)的亮線組成的明線光譜”。

（三）玻爾的原子模型

丹麥物理學家玻爾認為盧瑟福的模型是正確的，但要找到一個根本性的修正方法，既能說明原子的穩(wěn)定性，又能解釋原子的明線光譜。 在普朗克的量子理論和愛因斯坦關(guān)于光子概念的啟發(fā)下，玻爾將量子概念用到了盧瑟福的原子模型中，并且將原子結(jié)構(gòu)與光譜聯(lián)系起來，提出了玻爾的氫原子模型。這個模型是以下面兩個基本假設(shè)為基礎(chǔ)的： “軌道量子化與定態(tài)：核外電子繞核運動的軌道半徑是一些不連續(xù)的固定值，電子在這些軌道上繞核運動時不產(chǎn)生電磁輻射，是穩(wěn)定的， 原子系統(tǒng)只能具有一系列不連續(xù)的能量狀態(tài);頻率條件：當電子從一個具有較大定態(tài)能量En軌道躍遷到另一個較低定態(tài)能量Em軌道時，原子會以光子的形式放出能量，光子的能量由前后兩個能級的能量差決定。”

玻爾理論很好地解釋了已知的氫原子譜線，也成功預言了當時尚未觀察到的紫外區(qū)和遠紅外區(qū)的譜系。 玻爾理論推廣到類氫原子（鋰、鈉、鉀等）也獲得了很大成功。這樣，終于解開了令人費解三十多年的氫光譜之謎，為量子論和原子物理的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但玻爾理論也有局限性：它不能解釋多原子光譜，也不能說明譜線的強度和偏振情況，也與經(jīng)典電磁理論存在矛盾。

在玻爾理論中，既承認經(jīng)典理論規(guī)律，把電子看作經(jīng)典力學中的粒子，在庫侖力作用下繞核做圓周運動，又加上同經(jīng)典理論基本概念相矛盾的量子化條件，硬性規(guī)定電子繞核運動時沒有電磁輻射產(chǎn)生，這顯然是矛盾的。玻爾理論解決不了這個問題，人們期待著新思想的產(chǎn)生。德布羅意在光的波粒二象性的啟發(fā)下，在對玻爾理論以及相對論進行深入研究的基礎(chǔ)上，把波粒二象性推廣到實物粒子，認為實物粒子具有波粒二象性。電子的波長與微塵等粒子波長不同，如果把電子看成滿足宏觀運動規(guī)律的粒子，顯然與事實不符。隨著量子力學的建立，德國物理學家海森堡和玻恩等人對玻爾的氫原子理論進行了推廣和改造，使之可以適用于更普遍的情況，物理學家薛定諤提出了薛定諤方程，使玻爾理論的局限性得以消除。

原子物理知識的章節(jié)小結(jié)和高考復習中，以物理學史為線索，引導學生對所學知識進行歸納和總結(jié)，將科學家對原子結(jié)構(gòu)的探索過程作為線索，梳理知識：湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，否定了原子不可分割理論，建立了棗糕模型;盧瑟福的α粒子散射實驗與棗糕模型出現(xiàn)矛盾，說明棗糕模型是錯誤的，從而提出了核式結(jié)構(gòu)模型，但用經(jīng)典電磁理論無法解釋核式結(jié)構(gòu)模型，說明核式結(jié)構(gòu)模型不完善;玻爾為了解釋原子穩(wěn)定性和氫原子線狀譜產(chǎn)生矛盾，提出了玻爾的原子模型，玻爾模型也有其局限性，需要進一步研究和探索，隨著對粒子的波動性和量子力學的深入研究，玻爾理論的局限性得以消除。通過梳理，使學生理清了的知識脈絡(luò)與結(jié)構(gòu)，取得了很好的教學效果。

物理學史是物理教學中的重要內(nèi)容，發(fā)揮物理學史在教學中的作用，引導學生理清知識脈絡(luò)，體驗知識的生成過程，學習科學家的研究方法和科學態(tài)度，能達到理解知識，學習方法，培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的效果。

【參考文獻】

[1]普通高中課程標準實驗教科書物理選修3—5[M].北京：人民教育出版，2016.

[2]普通高中教科書物理選擇性必修第三冊[M].北京：人民教育出版，2019.