物理學(xué)史在大學(xué)物理實驗中的應(yīng)用

胡瑋通

摘 要：隨著大學(xué)物理實驗的不斷改革和發(fā)展，物理學(xué)史的作用突顯。但在實際教學(xué)中往往因為教學(xué)設(shè)計時間分配等原因沒有深入挖掘總結(jié)性概括，很難讓學(xué)生體會到物理學(xué)史的重要性。因此，筆者在查閱了大量物理書籍后，總結(jié)出密立根油滴實驗的物理學(xué)史，并創(chuàng)造性的利用“時間抽”教學(xué)方式將其應(yīng)用到課堂講授中，起到了很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史;大學(xué)物理實驗;密立根油滴實驗

1引言

大學(xué)物理實驗是學(xué)生進入大學(xué)后，接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端，對提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)起到了重要作用。隨著大學(xué)物理實驗改革的不斷深入，物理學(xué)史的地位逐漸顯現(xiàn)，但由于受課堂時間的限制，很多物理學(xué)史教師在教授時作為引課只進行總結(jié)性的概括，無法深入的展開，剖析其所蘊含的物理思想、設(shè)計思想、發(fā)展歷史、人文精神等，學(xué)生也無法感受到物理學(xué)史在整個學(xué)習(xí)過程中的重要性，往往就忽視對此部分的學(xué)習(xí)。而且此部分的講授通常與后面的實驗原理存在脫節(jié)的現(xiàn)象，不能融入其中，無法充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，只知其然不知其所以然。因此，為了將物理學(xué)史這份寶貴的資源充分利用，最大化地將其融入到實際教學(xué)中，筆者通過多年的實踐總結(jié)出了“時間軸”教學(xué)方法，即按物理概念和規(guī)律發(fā)展的年代，代表人物所做出的貢獻遇到的問題等用講故事的方式逐步展開，并充分融入到實驗原理中。下面詳細介紹一下此方法在密立根油滴實驗中的應(yīng)用。

2應(yīng)用

密立根油滴實驗堪稱是物理實驗的楷模。它采用了經(jīng)典力學(xué)的方法，證明了任何帶電體所帶電量都是不連續(xù)的，而是某一數(shù)值的整數(shù)倍，這一特殊的電荷量實際上就是基本電荷值。科學(xué)家為了測量這個基本電荷值做了大量科學(xué)實驗探索工作，從研究電子開始逐步發(fā)展。電子是人類所認識的第一個基本粒子。1897年英國物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子的存在并測定出荷值比，而電子電荷值是多少無法用直接測量法得到，因此科學(xué)家們采用的是間接測量的方法，哪間接測量的話需要測量那些物理量呢？經(jīng)過研究只需要測量的是某一帶電體所帶的電量q，那某一帶電體選擇什么作為電量的載體合適呢？又利用了什么測量方法呢？1898年湯姆孫的“膨脹云室法”，1903年湯姆孫的學(xué)生威爾遜的“水平極板法”，這兩位科學(xué)家所使用的帶電體是由X射線電離的云霧，1909年3月密立根重復(fù)了威爾遜的“水平極板法”實驗，并進行了兩點改進。一是將電離劑由X射線改變?yōu)殍D，二是為了防止云霧頂端的蒸發(fā)，密立根將水平極板的電壓加到1萬伏以上，當合上電閘的那一瞬間，奇跡發(fā)生了，云霧散開了，在極板間只留下了幾顆帶有合適電量的水滴，密立根以其敏銳的科學(xué)判斷力抓住了這一現(xiàn)象，將帶電體改為水滴。同年8月密立根受邀參加由英國科學(xué)促進會在加拿大舉行的年會，當時數(shù)學(xué)物理分會的主席正是赫赫有名的盧瑟福，盧瑟?？隙嗣芰⒏呢暙I，并建議他一定要努力防止水滴的蒸發(fā)。同時，科學(xué)家拉曼建議密立根注意斯托克斯定律的有效性。密立根參加完會議以后，倍受鼓勵，信心大增，在從加拿大回到芝加哥的火車上，密立根遙望著窗外，靈感上身，自言自語道“我好笨呀！為什么不使用鐘表油呢，它幾乎是不會蒸發(fā)的呀！回到芝加哥大學(xué)以后，他立刻和他的學(xué)生雷切爾開始使用油滴的實驗，利用實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后，他發(fā)現(xiàn)e值會隨著油滴的減小而增大，他認為產(chǎn)生這一謬誤的原因就是油滴的半徑太小了，已經(jīng)可以和空氣的間隙相比擬，此時空氣已經(jīng)不能看成是連續(xù)的介質(zhì)了，因此密立根第三次對斯托克斯定律進行了修正，最終得到了滿意的測量結(jié)果。利用“時間軸”的教學(xué)方法學(xué)生對整個歷史的發(fā)展清楚明了，學(xué)習(xí)熱情也被充分帶動，非常自然的就和后面的實驗原理及實驗儀器的設(shè)計思想部分緊密地聯(lián)系起來。學(xué)生普遍感到受益匪淺，以史為鑒，使其知其然更知所以然，創(chuàng)造力被充分激發(fā)，而且也體會到了科學(xué)家身上那種不畏艱難險阻一直向前的精神，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的科學(xué)素養(yǎng)。這是一位學(xué)員上完本次課后寫下來的一段話“對于本次實驗課我收獲很多，特別是物理學(xué)史的部分，解決了困擾我多年的疑惑，比如最早的帶電體竟然是被電離的云霧。同時我要成為實干家，而不是成為只說不干的思想家，用思想和雙手去創(chuàng)造。謝謝教員的提醒，最后感謝教員的耐心指導(dǎo)”。

3.總結(jié)

通過密立根油滴實驗，可以明顯的感受到物理學(xué)史的重要性，學(xué)生對于物理學(xué)史的興趣。而且利用“時間軸”的教學(xué)方式符合思維過程，很容易和后續(xù)環(huán)節(jié)銜接，相互連通。在有限的課堂時間內(nèi)使學(xué)生以史出發(fā)，以年代為軸，一針一針連線，將發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題貫穿其中，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)實驗素養(yǎng)，并使學(xué)生體會到了科學(xué)發(fā)展的不易及科學(xué)家身上的科學(xué)實驗精神，對培養(yǎng)學(xué)生的情感態(tài)度價值觀等都起到了積極的促進作用。

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（作者單位：空軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院基礎(chǔ)部，吉林 長春130022）