1 引言
在中國傳統文化中,教育一直被形象地描述為“傳道、授業、解惑”.在素質教育被廣泛提倡的今天,教育工作者們越來越認識到,現代教育在傳授學生豐富知識和技術的同時,更應該教會學生研究方法和創新思維,培養科學的素養,以形成科學的研究觀.
物理教育在現代素質教育中有不可替代的作用,物理學史則在培養學生科學素養方面有獨特的功能.物理學史是人類對自然界各種物理現象的認識史,關注物理學概念和思想發展和變革的過程.一般來說,普通物理具有很高的專業性和學理學史教育有效地融入物理教學過程中,不僅能提高學生的學習興趣,加深記憶,而且能使學生在學習物理知識的同時,瞭解科學發現、科學爭論和科學重大實驗中所孕育的科學思想和方法,學習科學家的探索創造精神、邏輯思維能力、創造性思維能力,有助於理解科學的社會角色和人文意義,使學生樹立科學的研究觀.
當前,物理學史在物理教學中的獨特作用越來越受到廣泛重視,但是如何在課堂教學中將其有效融入,目前尚缺乏具有普遍可操作性的教學模式.庫侖定律是電磁學的基本定律之一,本文以庫侖定律的建立為例,通過點評挖掘出其中蘊涵的科學精神、方法,揭示物理基本觀念的產生、發展的原因和規律性;得出一些指導性的教學建議和方法,對物理學史的教育功能進行簡要述評.
2 物理學史中的庫侖定律
1760年,伯努利首先猜測電力會不會與萬有引力相似,服從平方反比定律.這一想法非常具有代表性.同一時期,富蘭克林的空罐實驗表明帶電金屬空腔內部不帶電,對電力規律產生了重要啟示.富蘭克林的英國友人普利斯特利專門重複了這個實驗,也設想電的吸引服從平方反比定律,並且在書中明確寫出論斷.遺憾的是當時尚無學者對此進行明確論證.
最終,現今所公認的庫侖定律是由法國物理學家庫侖在1785年發現的.但是在此期間,還有兩位學者曾做過定量的實驗研究,並得到同樣的實驗結果.
1769年,羅比遜設計了一個轉臂裝置來改變電力的力矩和重力的力矩,並使之達到平衡.然後他從支架的平衡角度推算出電力F與距離r的關係,用公式F∝1/r2+ 表示,根據實驗結果推算得出δ=0.06,這個δ叫做指數偏差.羅比遜認為,指數偏大的原因應歸於實驗誤差,由此得出平方反比定律的結論.但是,該實驗結果僅限於同性電的斥力,至於異性電的吸力,他的裝置難以得出結論.有資料說後來羅比遜得到的異性電的吸力的指數略小於2,因此,平均取2次冪,從而得到電力反比於距離平方的結論,現在看來是依據不足的.
1773年,卡文迪許用兩個同心金屬殼做實驗,外球殼由兩個半球裝置而成,兩半球合起來正好形成內球的同心球.通過一根導線將內外球連起來,外球殼帶電後,取走導線,開啟外球殼,檢驗內球殼是否帶電.結果顯示內球沒有帶電,電荷完全分佈在外球上.卡文迪許重複了多次實驗,確定電力服從平方反比定律,指數偏差不超過0.02.
1785年,庫侖用他本人發明的電扭秤得出了庫侖定律.帶電球相互接觸,使電荷均分,兩球帶同性電互相排斥,然後藉助銀扭絲恢復兩球到原始位置,從銀扭絲的轉角測知電力的大小.1787年庫侖又進一步指出了電扭秤方法的欠缺:由於不穩定平衡,測量異性電荷的吸引力時實驗會遇到困難.同時還設計了第二種測量方法———電擺實驗,其原理與萬有引力作用下的單擺實驗相似.如果電引力也遵從平方反比規律,則他設計的電擺週期也應與兩電荷距離成正比.庫侖的實驗資料通過修正,與理論值基本符合.於是他得出結論,“正電與負電的相互吸引力也與距離的平方成反比”.庫侖定理由此為世人所知.
3 案例分析及點評
3.1 從理論猜想到科學定律,類比在科學研究中 的作用
庫侖定律是典型的由萬有引力定律引發猜想再經檢驗確定的實驗定律.在該定律的建立過程中,科學家們從牛頓著作中得到了啟示.因為牛頓早在1687年就證明過,如果萬有引力服從平方反比定律,則均勻的物質球殼對殼內物體應無作用.由這個證明就可以推想到,凡是遵守平方反比定種特性的作用力都應服從平方反比定律.從各位科學家的猜想與實驗的過程中可以看出,平方反比的關係始終起指導作用.因為平方反比定律在牛頓的形而上學自然觀中是很自然的觀念,如果不是平方反比,牛頓力學的空間概念就要重新修改 ( 後來發現的許多自然現象都服從平方反比關係,這從幾何關係就能得到證明) .
與很多科學家一樣,庫侖執著地認為自己得出的指數偏差是由於系統誤差造成的,進而積極地研究誤差原因.正是因為有牛頓力學理論的支撐,否則庫侖有可能得出冪指數不是2的情況 ( 在律的物理量都應遵守這一論斷;或者,凡是表現這當時的條件下,實驗裝備精度有限,庫侖得出的指數偏差達到0.04) .別的科學家又得出另外一個指數,究竟是誰的實驗誤差比較大呢?
可以看到,在科學研究中,學者們總是習慣於首先從公認的體系出發去猜測結論,然後用實驗去檢驗.幸運的是,這是物理學史中應用類比相當成功的例子 ( 當然,類比方法也有它的侷限性,在電磁學的歷史中就有許多教訓) .試想如果不是由於這樣的猜想,單靠實驗資料的積累,不知到何年何月才能得出靜電力的表示式.相反地,若實驗結果與主流不符,那麼質疑也是必然的.當然我們不是懼怕質疑舊體系,建立新體系.
3.2 卡文迪許實驗中的間接測量啟示
由前文可知,卡文迪許用最原始的電測儀器,獲得了相當可靠而且精確的結果,這個實驗設計非常巧妙.該實驗成功的關鍵在於通過數學處理,將直接測量轉變為間接測量,並且用示零法 ( 只要結果是零,理論就成立) 來對結果作出精確判斷,最終獲得了電力的平方反比定律.卡文迪許實驗對物理研究的啟示作用是巨大的.當研究物件是一些不可測的或不容易測準的物理量時,通過相關物理量之間的數學和物理關係,轉而研究容易測量的物理量,最後返回到初始問題的解決.在相當多的實驗當中,都有用數學推導配合間接測量的例子.而且,轉換測量物件的前提條件是要有正確的理論指導,否則只能在錯誤的路上越走越遠.卡文迪許就是掌握了牛頓萬有引力定律這一理論武器.
遺憾的是,卡文迪許的同心球實驗和他的許多看法都沒有公開發表.羅比遜的`論文1822年發表時,庫侖的工作早已得到公認.他們把自己的研究成果捂得如此嚴實,沒有及時發表而未對科學的發展起到應有的推動作用,使電學的歷史失去了其本來的面目.
3.3 從猜想到決斷,物理實驗的重要作用
庫侖定律是一個實驗定律,驗證平方反比律的一種方法是假定作用力按F∝1/r2+ 變化,然後用實驗測出δ的值.庫侖定律的發現過程中,關鍵的實驗不是電扭秤實驗,而是電擺實驗.因為同性電荷的斥力早已有普利斯特利的論斷和羅比遜的實驗說明,而異性電荷的吸引力則是第一次出現在文獻中.雖然人們公認庫侖定律是庫侖在1785年發現的,但實際上直到1787年發明了電擺實驗,異性電力得到證實後,庫侖定律才算是真正的塵埃落定.隨著實驗裝置精度的不斷提高,至今精度最高的是1971年威廉姆斯等人所做的實驗,他們測出的δ≤6×10 -16 .由此可知,完整的實驗應有的驗證和決斷作用,在科學研究中無論如何都是不能抹煞的.
4 結束語
“宇宙不是由原子而是由故事組成的.”在大學物理教育中,灌輸給學生科學知識和技術方法固然是至關重要的,但是培養學生正確的科學研究觀,提高學生的科學素養,也教學命題.本文正是基於這一教育思想,以庫侖定律為例,進行了一個物理學史教育的例項分析.教師精選物理學史案例,引導學生點評,使學生對科學發現的過程有完整的認識,可以有效發揮物理學史對科學素質和創新素質的培養功能.
參 考 文 獻
[1] 郭奕玲,沈慧君.物理學史.北京:清華大學出版社,2005.8
[2] 全林.科學史簡編.北京:科學出版社,2002
[3] 喬際平,劉甲珉.物理創造思維能力的培養.北京:首都師範大學出版社,1998