滲透物理學史 突出探究過程

陶聰燕??

1引入

物理是一門令許多高中生望而卻步的學科，其主要原因在于教科書只寫出理論推導的定理和實驗探究的定律，隱去了物理學數(shù)千年的發(fā)生和發(fā)展過程.學生不容易了解它的過去和未來，只看成一堆概念和公式，雖然客觀正確，但枯燥僵硬.大多物理教學則是精講多練，把重點放在公式的講解和練習上，表面上清晰利落的手法，讓學生看到的只是技巧的堆砌和邏輯游戲.

物理學并不是一個天衣無縫的完整體系.那些看似令人生畏的概念、公式，并不是輕而易舉取得的，都是經(jīng)過不斷變化而成長過來的，其間充滿了科學家有聲有色的鮮活經(jīng)歷.在教學中有機穿插這些學史，將規(guī)律公式的產(chǎn)生、發(fā)展、演變過程暴露在學生面前，可以消除學生對物理的神秘感.不僅使學生得到知識，深刻了解科學探究的方法和過程，更能感受科學家嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和不屈不撓、堅持真理的意志品質(zhì).這樣的課堂拉近了物理與學生之間的距離，是學生感興趣的，其效果是事半功倍的.2結(jié)合“光的反射定律”，滲透學史教育

目前學史教育較為普遍的實踐教學都是寫入教材的一些經(jīng)典案例，如牛頓第一定律、行星的運動等.而閉合電路歐姆定律、光的反射和折射等沒有寫入教材的則很少被開發(fā).在“光的反射和折射”教材中，僅僅出現(xiàn)了“直到1621年，荷蘭數(shù)學家斯涅耳在分析了大量數(shù)據(jù)……”，一句帶過，留給學生一筆糊涂賬.科學史上對于光折射規(guī)律的研究是漫長的.所面臨的困難和科學家的探究精神是情感教育的關(guān)鍵.下面就以學史在“光的折射定律”教學實踐為例，著重定量研究光的折射規(guī)律.

2.1設計實驗，獲得數(shù)據(jù)

如圖1所示，以激光為光源，以空氣和半圓形玻璃磚兩種介質(zhì)使光線發(fā)生折射，并用量角器量取角度.為了能夠得到精確的數(shù)據(jù)，做了10組實驗，其入射角分別為50、100、150、200、250、300、400、500、600、700.要求一半學生用量角器量出入射角為0～25°之間對應的折射角，另一半學生測量入射角為30°～70°之間的折射角，如圖2所示，測量結(jié)果保留1位小數(shù)，填入表1.

2.2提出問題，滲透學史

excel處理1：作出0～25°入射角與折射角的關(guān)系

如圖3所示，折射角與入射角的圖象大致是一條直線，可以得出初步結(jié)論：折射角與入射角成正比.學史引入：今天我們利用精確量角器量取數(shù)據(jù)，利用excel快速的得到正比圖象，然而早在2000多年前古希臘天文學家、地理學家和光學家托勒密用當時的儀器，就已經(jīng)獲得這部分數(shù)據(jù)，得出這個結(jié)論.

質(zhì)疑：這個結(jié)論就正確了嗎？少量的實驗數(shù)據(jù)無法說明普遍的規(guī)律！讓我們擴大范圍，把另一半同學測量的數(shù)據(jù)放進去再作檢驗.

excel處理2：作出所有入射角與折射角的關(guān)系

如圖4所示，不是直線卻又接近直線，用一根直線進行對比，可以發(fā)現(xiàn)當入射角較小時符合直線，角度較大時明顯不是直線，而且角度越大偏離越大.學史引入：我們必須用一根標準的直線進行對比才能發(fā)現(xiàn)這條規(guī)律線與直線偏離多少，所以在公元二世紀時托勒密所做的規(guī)律線很難體現(xiàn)與直線的區(qū)別，從而誤導了偉大的托勒密.而發(fā)現(xiàn)這一誤區(qū)的是德國天文學家開普勒，他指出：折射角由兩部分組成，一部分正比于入射角，另一部分其正割正比于入射角的正割.所謂“正割”是指在單位圓里圓心角θ的對邊d，如圖5所示.

開普勒解決了入射角較大時折射角與入射角的關(guān)系，更重要的是他給我們帶來了思維的轉(zhuǎn)換，當我們很難從角度得出規(guī)律時，轉(zhuǎn)而研究角度的對邊，角度的對邊與角度有著相同的定性規(guī)律，由此用對邊的定量規(guī)律來反映角度的規(guī)律.

質(zhì)疑：看來折射角與入射角之間的關(guān)系是比較復雜的.能夠?qū)⑿〗嵌鹊恼凵浜痛蠼嵌鹊恼凵浣y(tǒng)一起來嗎？折射角與入射角之間是否存在簡單的關(guān)系？對于自然界，我們有一個堅定的信念，我們相信，自然界是簡單的，自然界的規(guī)律也是簡單的.對于折射現(xiàn)象，一定有一個更為隱蔽的簡單關(guān)系存在.這個關(guān)系是什么呢？是拿前面的角度正比關(guān)系統(tǒng)一整段還是以后面正割對比關(guān)系統(tǒng)一整段？顯然整段的角度正比關(guān)系是不成立的，那么整段的正割對比關(guān)系成立嗎？我們需要驗證、需要實驗數(shù)據(jù).

根據(jù)數(shù)學知識，在圖5中，正割d2與d1是不是成正比，實質(zhì)上就是sinθ2與sinθ1是不是成正比.將表1的角度轉(zhuǎn)為角度的正弦，如表2.

excel處理3：作sinθ1-sinθ2圖象，如圖6所示.

得出結(jié)論：折射角的正弦值與入射角的正弦值成正比.由此可見，當入射角比較小時折射角與它的關(guān)系并不是正比關(guān)系，是一條無限接近直線的曲線，我們可以由角度和角度正弦值數(shù)據(jù)表3中發(fā)現(xiàn)理由：

當角度較小時，角度遞增的倍數(shù)與其正弦值遞增倍數(shù)非常相近，因此出現(xiàn)一條非常接近直線的曲線；隨著角度的增加，正弦值遞增的趨勢越來越慢，導致后面出現(xiàn)一條越來越偏離直線的曲線.

學史引入：在科學研究過程中，若能抓住微小的偏差，有時能夠發(fā)現(xiàn)重大的規(guī)律，而歷史上發(fā)現(xiàn)這么微小偏差的是荷蘭物理學家斯涅兒.繼開普勒之后，我們所進行的規(guī)律探索都是源于斯涅兒的貢獻，他發(fā)現(xiàn)了微小的偏差，將分段規(guī)律進行統(tǒng)一，得到現(xiàn)在的折射定律.折射光線與入射光線、法線處于同一平面內(nèi)；折射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè)；入射角的正弦與折射角的正弦成正比.

為了引出托勒密的結(jié)論，數(shù)據(jù)首先是采用角度較小部分進行作圖，然而這里必須指出，偉大的托勒密肯定不是從少量數(shù)據(jù)得到結(jié)論，他是進行大量的實驗和數(shù)據(jù)采集，由于當時儀器的粗糙，一條非常接近于直線的曲線誤導了他.利用一條直線進行對比，非常明顯的展示出與直線的區(qū)別.開普勒研究過程中最珍貴之處在于思維的轉(zhuǎn)換，用角度的正割關(guān)系表示角度關(guān)系.然而科學研究繼續(xù)的原因是科學家本著規(guī)律統(tǒng)一的信念進行不斷的探索，最終由斯涅兒發(fā)現(xiàn)了其中非常微小的差異，統(tǒng)一了規(guī)律.

2.3概括歸納，建立概念

數(shù)學處理：給出角度正弦正比關(guān)系的函數(shù)表達式

sinθ2=ksinθ1，即sinθ1sinθ2=1k

當光在同種均勻介質(zhì)中傳播時，兩只角度相等；當光線發(fā)生折射時，偏折越厲害，兩只角度相差越大，比值1k越大.因此該比值反映光線從真空到某種介質(zhì)的偏折程度，比值越大，偏折越厲害，我們定義該比值為這種介質(zhì)的折射率，符號n，即

n=sinθ1sinθ2

θ1表示光線在空氣中與法線的夾角，θ2表光線在某種介質(zhì)中與法線的夾角，n表示該介質(zhì)的折射率.

3結(jié)束語

這節(jié)課是我將物理學史與規(guī)律講解相結(jié)合的一次嘗試，在探究過程中有機穿插學史教育，意在突出科學規(guī)律探究的艱辛和曲折.按照科學史的發(fā)展，還原規(guī)律發(fā)展過程，展現(xiàn)每一次的成功和不足，一步一步由最初的角度正比得到現(xiàn)在角度正弦值正比的演變.當然對于這里的學史仍存有兩點疑惑：（1）托勒密為什么沒有去測量大角度關(guān)系？（2）開普勒既然用“正割”來解釋大角度關(guān)系，為什么沒有進一步解釋小角度？不管怎樣，合理的穿插學史教育可以讓學生見證一個規(guī)律的成長過程，通過案例認識“真實”的物理.從中可以學習科學家們對于探究的執(zhí)著，他們在遇到問題時會做怎樣的思考，會提出怎樣的質(zhì)疑，會通過什么樣的途徑去解決自己的疑問.當然，更多的案例還需要我們教師在實踐中不斷地開發(fā).