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读《物理学史》有感
作者:于健 发布日期:2013/4/9 0:00:00

 

    物理学史是人类对自然界中各种物理现象的认识史,它研究的是物理学发生、发展的规律,说明了物理学中的基本概念、定律和理论体系的酝酿、产生和发展的辩证过程。它是一座知识财富的宝库,不仅展示了物理学理论形成的前因后果、来龙去脉,而且深刻的揭示了物理学的研究方法;它也是一块精神财富的宝地,物理学的发展极大地改变着人们的自然观、世界观,升华了人们对人与自然,人与社会的认识。与此同时,物理学家在探求真理的过程中展现出的人格魅力,不畏艰险献身科学的高尚品格,也给后人增添了无穷的榜样力量。物理学不仅以其知识、方法和思想极大的促进了自身的发展,而且在更广阔的领域深刻的影响着人类文明的进程,成为人类文化的一部分。

    学习物理学史就是为了了解物理学所走过的道路,它将有助于我们更深刻地认识物理学,更有效地应用和发展物理学。过去很多人总是在说“以史为鉴”,但我们认为对物理学史的学习仅仅“以史为鉴”还远不能满足时代的要求,更应该在“以史为鉴”的基础上“以史为器”去发展、去创新。物理学史和自然科学史告诉我们,历史上的一些发明、创造并不是前人研究内容的简单重复,而往往是前人研究方法、思维特征的重现,并且它更是螺旋形上升的。
在物理教学中适当引入物理学史教育,让学生更多的了解科学发展的历程,并从前人的经验中受到启发、教益,从而感悟科学方法,提升人文素养,培养创新意识,是素质教育全面发展观的基本要求,也是落实新课标“三维目标”的必然选择。
下面,从几个方面简述物理学史的作用:

一、感悟科学方法

    物理学的发展史是一部物理学方法论的发展史,物理学在发展过程中,不仅产生了宝贵的理论成果,更留给后人值得深思的物理学的研究方法。物理发展的历史证明,每一次重大科学理论的突破,往往都伴随着新的科学方法的诞生,而新的科学方法又反过来促进物理学的发展。

    力学是物理学中发展最早的一个分支,机械运动是力学中最直观、最简单、也是最便于观察因而也最早得到研究的一种运动形式。然而,和物理学的其他部门相比,力学的研究却经历了更为漫长的过程。从古希腊时代算起,这个过程几达二千年之久。只所以会如此漫长,一个很重要的原因就是人类缺乏经验,缺乏正确的科学研究方法,因而也就难以得出正确的科学结论。亚里士多德是古希腊时代人类历史上少数百科全书式的大哲学家,而且是通过观察自然,运用形而上学的哲学思想方法试图解释自然,奠定物理学思想萌芽的人。然而,由于历史的局限,亚里士多德对自然的研究仅仅停留在“观察”和“思辩”的层面上,致使像“力是维持物体物运动的原因,重的物体下落得快,轻的物体下落得慢”等错误长期统治着人们的思想。

    但是,伽利略没有仅仅停留在逻辑思辩上,而是继续做了斜面实验。他发现,落体的速度越来越快,是一种匀加速运动,而且加速度与重量无关;他还发现,斜面越陡,加速度越大,斜面越平,则加速度越小,在极限情况下,斜面垂直,相当于自由下落,不同物体的加速度是一样的。当斜面完全水平时,加速度为零,这时,一个运动着的物体就应该是沿直线永远运动下去。斜面实验表明,物体运动的保持并不需要外力,需要外力的是物体运动的改变。伽俐略最终用“理想实验”由斜面的情形推到自由落体和水平运动的情形。

    伽俐略逻辑推理与实验验证相结合的思维方式,为后人找到了研究物理的正确科学方法。从此,“一门博大精深的科学已经出现”(伽俐略语),物理从此从哲学中分离出来并得以迅速发展。纵观物理学三百余年的发展史,可以看出,实验在检验已知理论,探索未知规律等方面起到了不可替代的作用。早在1687年,牛顿在其出版的《自然哲学的数学原理》一书中就已经正式提出了万有引力定律,可直到一百多年后的1798年,英国科学家卡文笛许利用扭称这一巧妙的实验装置测出引力常数后,万有引力定律才得以全面的展示在世人面前;麦克斯韦对电磁波理论进行了长达十年的研究,并以一组简洁的数学方程把电磁波理论概括得十分优美对称,但当年却难以令人信服,直到二十多年后他预言的电磁波被赫兹的实验所证实,他的学说才成为举世公认的电磁理论基础;1905年,爱因斯坦用光电子假说总结了光的微粒说和波动说之间长期的争论,能很好的解释光电效应的实验结果,但是直到1916年,当密立根以其严密的实验全面地证实了爱因斯坦的光电方程后,光的粒子性才被人们所接受……可以说:实验,只有实验,才是物理学的基础。

 

    将物理学史引入课堂,不仅能使学生有身临其境之感,而且能领略前辈大师的研究方法,得其精髓,有所借鉴。


 

二、提升人文素养

 

    物理学史是一部人文史,物理学家们在从事科学活动的过程中,不仅揭示了自然界基本运动形式的诸多真理,同时也为后人树立了一座座道德丰碑。科学家们在探索自然的过程中展现出的人格魅力、人文素养,对科学事业的执着追求精神,都会使学生的情感升华,对引导学生确立正确的人生观和价值观,实现人格的完美化具有积极的促进作用。牛顿是经典物理的奠基人,但他却谦称自己“站在巨人的肩膀上”;居里夫妇是镭元素的发现者,然而他们却没有居功自傲,“镭只是一种元素,它属于世界所有,科学应当为大众服务,它应当属于全人类。”她说过的这句话一定会给学生留下深刻的印象。

 

    物理学史也是一部美学史,对称、和谐、统一等美学要素在物理学的发展中起着非常重要的文化导向作用。当先人们对天体的运动还充满着神秘与未知时,却能直观的感受到其运动轨道应该是圆周,因为“圆是美的”。物理之美是直观的,比如彩虹是极美的表面现象,人人都可以看到;物理之美也是深刻的,电荷之间的引力与物体之间的万有引力都遵循平方反比率,电子绕核运动的模型和星体之间的模型相仿等等无一不显示着物理学深刻的统一美。

 


    物理学是一门与自然、生活、技术进步和社会发展有着最广泛联系的科学。它可以揭开大千世界的奥秘,使学生志向高远,憧憬未来,本应该是学生最为钟情的一门课程。然而,有时它竟成为学生最为头疼和恐惧的课程。这不能不说是单一课程目标与僵化教学模式的一个苦果,我们有理由相信,充分重视物理课程中的人文素养资源,坚持三维课程目标,就一定能够焕发物理课程的魅力。

 

三、培养创新意识


 

    物理学的发展史本身就是怀疑、批判、求真、创新的发展史。通过物理学史的教学展现物理学发展的历程, 展现在这个历程中,物理学家们对真理的追求,不同理论观点的冲突、纷争与批判,有助于培养学生的怀疑和批判精神。而怀疑和批判精神对于科学发展是不可或缺的,是创新意识和创新能力的重要特征。

    从亚里士多德“力是维持物体运动的原因”到牛顿“惯性是物体的根本属性”;从牛顿的“绝对时空观”到爱因斯坦的“广义相对论”;从热质说到能量说;从光的微粒说、波动说到波粒二象性和光子说,物理学史展现的知识是一种动态的、变化的知识,呈现出人类对物理现象的认识不断深化的过程。这种过程既突显了科学家们不迷信权威,不迷信书本,敢于怀疑的创新精神,同时也隐喻着人类对自然的认识是无止境的,从而深刻的促进着人们的思想解放。

    19世纪末,物理学已经有了相当的发展,几个主要部门——力学、热学、电磁学以及光学,都已经建立了完整的理论体系,在应用上也取得了巨大的成果。这时一部分物理学家认为,物理学已经发展到顶,伟大的发现不会再有了,以后的任务无非是在细节上作些补充和修正,使常数测得更精确而已。然而,也正是这个时候,伦琴发现了X射线,并导致了电子的发现。X射线一旦发现,立即取得了广泛的应用,迅速打破了物理学界沉闷的空气,极大的促进着人们思想的解放,带来了一场深刻的物理学革命,把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地,从而揭开了现代物理学革命的序幕。

 


    物理课程不应该把人类认识自然的历史擦去,不能被公式和逻辑的面纱掩盖。把动态的、进化的物理学理论异化为机械的公式、定律,繁、难、偏、旧的习题呈现给学生,在传统教学中是司空见惯的。其结果必将使学生对原本不断深化的物理学理论教条化、神圣化,不自觉地剥夺了学生的怀疑精神、批判精神,丧失培养学生创新能力的极好机会,模糊了物理学习的最终目的。

    现有的物理知识,都是人类与物理世界的长期对话中,经过无数的曲折与反复,进行抽象概括而获得的。只有考察物理学的过去,才能理解它的现状,把握它的未来,对物理学史相关知识的探究,必将潜移默化地提升学生的科学素养和人文素养,对学生的全面发展起到积极的促进作用。