《结合物理学史史料教给学生研究方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《结合物理学史史料教给学生研究方法（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、结合物理学史史料教给学生研究方法王丽萍物理课程以“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”作为课程目标。在“过程 与方法”目标中给出了具体目标：（1）经丿力科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用 科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律；（2）通过物理概念和规律的学习过程，了解 物理学的研究方法，认识物理实验、物理模型和数学工具在物理发展过程中的作用；（3）能 计划并调控自C的学习过程，通过自L1的努力能解决学习中遇到的一些物理问题，有一定的 自主学习能力；（4）参加一些科学实践活动，尝试经过思考发衣自C的见解，尝试运用物理 原理和研究方法解决一些与生产和生活相关的实际问题；（5）具有一
2、定的质疑能力，信息收 集和处理能力，分析、解决问题能力和交流、合作能力。山这些具体目标，我们不难看出物 理课程标准把研究方法放在了-个很重要的位置。那么，在物理教学过程中如何教给学生硏究方法呢?笔者认为，结合重要的物理学史史 料，用模拟科学认识过程的方法进行物理教学，可以很好地促进上述目标的实现。物理学中 常见的研究方法，如观察、实验、科学抽象、类比、理想实验、建模、比较和分类、归纳和 演绎、分析和综合、证明和反驳、假说与理论以及数学方法、控制论、系统论、信息方法论 等等，都贯穿在物理学发展的整个过程中，是物理学家在长期的科学实践中逐步摸索、积累、 形成和发展起來的，是人类智慧的结品。它们L2
3、经渗透到许多学科的研究中去，成为现代科 学研究的重要方法。学生了解和掌握这些研究方法，对于今后从事研究和工作都是很有用的, 是终身受益的。而这些硏究方法的传授与学习，只有紧密地与物理学史结合起來才会成为有 声有色的活例，不至成为流于形式、空洞无物的条款堆积。下面笔者结合具体的物理学史史 料来谈一谈如何教给学生研究方法= 1伽利略的斜面实验理想实验在用两个铁球同时落地实验否定了亚里土多徳的落体定律之后，伽利略进一步对自曲落 体运动进行了系统的研究。他根据对自山落体运动的定性观测结果：即在速度越来越快的基 础上，假设自山落体运动是一种匀加速运动；并对匀速运动和匀加速运动分别作出了定义。 在1590
4、1592年期间伽利略进行了大量的落体实验，但是在当时的测试条件下，不可能立 即通过实验來验证这一假设。如何來解决这一滩题呢?伽利略想到用理想实验的方法。他借 助儿何学的推导，得出了从静止开始的匀加速运动的距离s与时间（的关系，即吋间平方定 律：S8（2。时间平方定律不包括任何速率，只要直接测定Sllt即可。可是，物体的自山下落在当 时无法精确测定。伽利略想到町以用斜面实验來代替落体实验。这样不仅可以淡化重力的作 用，便于测量，还起到淡化空气阻力的效果。经过反复试验测定，得到如下结果：（1）当斜面的倾角固定时，物体移动的距离S与所用的时间t的平方之比为一滋数即si /tl2=s2/t22 =s3
5、/t32（2）若改变斜面的倾角，则s/t2的值随之改变，但物体通过的距离与吋间平方成止比关 系不变，变化的仅是比例系数。为了把斜面实验的结论推广到竖直情况下的自曲落休运动，伽利略提出了 “等末速度假 设”，即静止物体不论是沿竖直方向述是沿不同斜而从同一高度下落，达到末端时具有相同 的速度。这就是说，物体在下落中所得到的速度只山下落的高度决定，血与斜面的倾斜程度 无关。他论证说，如果情况不是这样，那么只要把过程反转过來，物体下落时得到的速度更 大，上升得比自山下落时的高度更高，而这是与我们的经验相违背的。之后，伽利略用一个 单摆实验，检验了这个假设，明确得出了自山落体作匀加速运动的结论。从而彻底
6、否定了亚 里土多徳的观点。通过对伽利略斜而实验的介绍，有助于学生明白什么是理想实验。理想实验又称思想实 验(thought experiment),思维实验(Gedankene experiment),假想实验等，它基于现实1何又超 越现实。理想实验是在真实实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，対实际过程作出 更深层次的抽象分析。以L1被实践所证实的逻辑法则为依据，按真实实验的格式所开展的一 种复杂的思维推理活动。虽然理想实验不是-种真实的实验，但它可以作为进一-步推进科学 研究活动向前发展的于段，作为创造性思维的重要表现形式，作为一种重要的理论研究方法。 2库仑定律的发现类比英国的化学家
7、普利斯特利在研究有关电荷之间相互作用的规律时，于1755年重做了富 兰克林的实验。他用一根丝线把一个木块悬挂在带电的金屈罐外的附近时，发现小木块受到 强烈的吸引；而悬挂在罐内时，木块在任何地方都不受电力的作用。这个实验证明空心的带 电体对其内的电荷确实没有力的作用。聪明的普利斯特利立即从这一事实联系到牛顿的万有 引力定律。牛顿曾用数学方法证明过：如果平方反比定律有效，一个具有引力的物质构成的 均匀球壳对其内部的物体没有引力作用，而口任何不满足反平方关系的力都不会有此结果。 于是普利斯特利便大肚地提出了自C的设想：电荷间的相互作用与万有引力一样，也遵循平 方反比的规律。尽管当吋他本人对此未能给出
8、严格的证明，但这种推理却有力地促进了英它 科学探索者用实验验证它。后来，法国科学家库仑注意到电荷之间的静电力与万有引力有许 多类似之处，于是他大胆地假设静电力的规律与万有引力力定律仃万=GMm/F)有类似的形 式，即F库= GqIq2/F。静电力的规律和万有引力定律显然是相互独立的，将两者类比，使 人对白然界隐含的奥秘，产生探求的欲望。后來经过大量科学家实验的证实，于1785年确 定了库仑定律F库ukqlql/r2。通过对库仑定律发现的介绍，引导学生明白：类比法是山两个(或两类)对彖Z间在某些 属性丄相同或者相似，推出它们另一个属性也可能相同或者相似的一种逻辑思维方法。类比 推理可用下列公式表
9、示：A对象具有属性a, b, c, ch B对象具有属性a, b, c；所以,B对象也具有属性d。类比推理所得的结论是不确定的，即它可能为真，也可能为假。山类比推理推出来的结 论是或然的，它必须通过实践去检验。止如库仑定律要经过大最科学家实验证实Z后才最终 被确定。3伦琴射线的发现观察与分析在赫兹和勒纳徳发表了论阴极射线的穿透力的论文后，德国物理学家伦琴准备对这一问 题进行进一步研究=1895年11月8日晚，伦琴在实验时，为了防止外界紫外线和可见光的 影响，把实验室的窗户用黑布遮好，为防止克鲁克斯管内的可见光露出管外，他乂用黑色硬 纸板把放电管的侧療严密地套封起來。当接上高压电流进行实验时,他
10、意外地发现一米以外 的荧光屏上出现了微弱的闪光，把屏一步步地移远，发现至两米左右，屏上仍有荧光出现。 而口,把涂有荧光粉的光屏反过來照射,也有荧光产生。他敏锐地意识到，这绝不是阴极射 线，而是一种具有穿透能力的不知名的新射线。后经进一步实验,伦琴发现这种射线穿透本 领很强，可穿透近千页的书，23cm厚的木板，15cm的铝板等。他述意外地在用铅片实验 时发现了自C手骨的图像，从而首次为人类的“透视”捉供了有效的手段。伦琴把这种新射 线称为“X射线”，人们为了纪念他，又把它称为伦琴射线”。其实在伦琴发现X射线之前，1燹7年克鲁克斯发现过未知射线使他的底片变黑，但他 却以为是底片的质量有问题，没有进行分析研究。止是克鲁克斯的一念之差，导致他错过了 发现X射线的机会。通过伦琴发现X射线与克魯克斯错过发现X射线的对比，更能使学生 认识到观察与分析的重要。在物理学史中，述有很多史料体现着研究方法，如：牛顿在实验基础上的分析一-综合法、 公理化方法；爱因斯坦的追求简化方法；徳和罗意的类比法、假说法等。如果教师善于挖 掘物理学史料，那么在很大程度上能够弥补教材中研究方法的不足之处。同时学生也会在H 积月累的印象中，逐步勾画出-般研究方法的轮廓，対研究方法有深入透彻的理解。摘自物理教学探索2009o 12 (69-71)
