大学普通物理的学生常常要问:为什么量子概念注定要从热辐射这一领域首先产生 适当地作些说明也许是有必要的.这是因为热辐射是经典物理学中充分发展的两个分支——热力学和实验光谱学的结合点,可以说是"光学与热力学结合生出来的婴儿",它既有热力学普遍性的品格,又有光谱学测量精密的特点.红外和热辐射测量经过赫谢尔,兰利,卢梅尔和鲁本斯几代实验物理学家的努力,达到空前的精确度,可以跟理论在宽广的波长和温度范围内精确地进行比较,终于在1899年证明理论和实验在长波方面有系统性的偏差,迫使普朗克引进能量子假设.这一事件可以作为阐明物理学基础是实验的一个有力例证.
玻尔原子理论也有其实验基础,除了上述量子论的诞生以外,还有光谱学的发展和原子核的发现,玻尔适时地将这三方面的成果作了综合,才取得划时代的成果.
爱因斯坦的狭义相对论也有其实验基础.试问:如果没有光速的测定,爱因斯坦怎么会去作"追光"的思考;如果没有对电磁现象(包括单极感应)进行过大量实验研究,怎么会发现电磁感应的不对称性 如果没有人们对以太的长期探索,怎么能肯定不存在绝对坐标系
总之,实验是物理理论的基础,这一点在物理教学中应充分体现.中学教学也许难以充分展示这些内容,但是作为物理教师,应该在这些方面有正确的认识.
(2)通过实例反复阐明,理论和实验的相互作用是推动物理学发展的动力.
实验是理论的基础,并不等于说理论可以直接从实验得到.例如.简单地把爱因斯坦相对论的产生归结于迈克耳孙-莫雷实验的零结果,不但不符合历史的本来面目,也缺乏逻辑的说服力.理论的产生和发展不能用一个简单公式来表示,但它在发展过程中必须不断从实验得到事实的补充和航向的修正.理论源于实验,却高于实验,具有高度概括性和普遍性,但它不能违反直接经验,必须接受实验的检验.实验可以否定旧理论,支持新理论,对相互抗衡的理论作出判决.当物理学的现有理论与新的实验结果发生矛盾时,或者当建立在不同实验基础上的不同领域的理论相互冲突时,靠理论的演绎和修补往往不能解决问题,这时摆在物理学家面前的任务就是要审查理论的立足点,提出新的假设,建立新的理论体系,于是物理学就发展了.这种发展是跳跃式的,往往不能靠逻辑来说明.新的理论建立之后,最重要的事情是寻求实验的支持,以判定理论是否符合实际.实验-理论-实验,这就是物理学发展的基本模式.(参看吴大猷教授在《物理学的历史和哲学》一书中的精辟论述,见附录:吴大猷:物理学发展中实验与理论的相互作用)
(3)有目的地选择几个著名实验,介绍其设计思想,实验结果和历史沿革,籍以增强对实验的认识.
如上所述,物理学本来就是在理论与实验相辅相成,互相促进的矛盾运动中前进的.几十年前的教材,往往比较系统地介绍历史上的重要理论和著名实验.现在物理学发展了,教学内容不断更新,不断提炼.在有限的学时里,不可能,也没有必要重温历史上走过的道路.但是完全把实验排除在外,会给学生造成错觉,以为物理学就是一门纯理论的科学.
我认为,教材和讲课中如果能保留某些实验,重点加以介绍,既可以增进学生的认识,也可以使物理教学更有生气.所谓介绍,当然不是轻描淡写地提提实验名称,而是要阐述这些实验的构思,设计者的匠心,技术之精湛,方法之巧妙和结果之精确,让学生对实验的设计思想和所起的作用,确实有所体会.这些介绍留给学生的印象也许会远远超出知识性的内容.例如:佩兰的布朗运动实验.可以介绍当时的理论背景.佩兰如何筛选颗粒,如何统计数据,用了多少种方法,解决了什么问题 为什么授给他诺贝尔物理学奖 密立根的光电效应实验极为精彩.这个实验有什么意义 密立根解决了什么技术关键 他如何处理数据 还可以讲讲他对待实验结果的态度.
在讲到某些基本常量时,可以介绍测定这些常量的历史和最新方法.
例如:里德伯常量的测定.当年玻尔就曾利用这个常量为其理论找到令人信服的证据.几十年过去了,这个常量越测越精,由于激光光谱学的发展,消除了多普勒效应本底,测量精确度达到10-12的量级,1998年给出了14位数字.
讲到普朗克常量时,可以介绍叶企孙1921年的工作.他得到的结果是20年代最精确的数值.
库仑定律的实验验证,也是意义深远的课题.从卡文迪许的同心球实验和麦克斯韦的改进,到当代的测量结果,如果再讲讲平方指数偏差的理论含义,更会使学生感到内容丰富,眼界开阔.
(4)在讴歌理论家的功绩的同时,不要忘记也对实验家的事迹作些说明.
物理学史中著名理论家在作出里程碑贡献时思想上的飞跃,会给后人留下发入深省的启示,众多实验家创造性劳动和艰苦奋斗的科学生涯也会产生巨大的反响.焦耳测热功当量,历经三十余年;迈克耳孙测定光速,精益求精;卢瑟福研究α射线,知难而进,由此发现了原子核;法拉第研究电磁现象;昂纳斯建立低温实验室;盖德发明多种真空泵,这些都是脍炙人口的历史佳话,可以用来作为课堂上的插曲.讲课的系统性当然必须保证.在不影响课堂进度的前提下,适当作些锦上添花,难道不好吗 当然,要谨防生搬硬套.我认为,关键在于教师本人对实验是否有深刻的认识和体会.

上一页下一页