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读《物理学的进化》有感

作者:方东石 来源: 发布时间:2015年05月06日 点击数:

《物理学的进化》是20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦与英费尔德合著的一本物理读物。该书一共四章:1、机械观的兴起 2、机械观的衰落 3、场,相对论 4、量子。著作者在其序言中写道:我们的目的在于用粗线条描绘出人类智力如何寻找观念世界和现象世界的联系。人教版高中物理教科书在其书尾课外读物中几次推荐《物理学的进化》(以下简称该书),阅读中可以看出教材的编写专家们深入研究了该书。译者在其内容提要中写道:本书作为中学物理教师的补充读物也很相宜。的确,作为一个高中物理教师,阅读该书,对于培养自身的科学素养、提高把握高中物理教材的能力是非常有益的。本文谈谈笔者在阅读该书后,跟高中物理教学密切相关的五点粗浅感受与看法,并且尽量引用该书及教材中的原话进行阐述,希望能起到抛砖引玉的作用。

一、教材中的爱因斯坦名言  人教版高中物理教材中引用了不少爱因斯坦名言,这些名言全部源于该书。例如:必修1《伽利略对自由落体运动的研究》一节中有三处引用。分别是:有一个基本问题,几千年来都因为它太复杂而含糊不清,这就是运动的问题。”“提出一个问题往往比解决一个问题更重要,因为解决一个问题有时仅仅是一个数学上或实验上的技巧,而提出新的问题、新的可能性,从新的角度去看旧的问题,却需要创造性的想像力,而且标志着科学上的真正进步。”“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法,是人类思想史上最伟大的成就之一,而且标志着物理学的真正开端。另外,必修1〈牛顿第一定律〉一节开篇写道:爱因斯坦曾把一代代科学家探索自然奥秘的努力,比做福尔摩斯侦探小说中警员破案的过程。这个比喻也源于该书。通过阅读该书,我们可以知道这些名言的来龙去脉,可以对这些名言有更深刻更全面的理解,在教学中能更好地落实三维目标。

二、机械决定论的形成  该书有很多有关机械决定论的形成方面的论述。比如:力学在其各个分支部门中所取得的伟大成就,在天文学发展上的惊人成功,力学观念在那些显然不具有力学性质的问题上的应用,所有这些都使我们确信,用不变的物体之间的简单作用力来解释所有的自然现象是可能的。”“在力学中假如知道一个运动物体现在的运动状态和作用在它上面的力,那么它的未来的路径是可以预测的,而它的过去也是可以揭发的。经典力学的伟大成果暗示着机械观可以无例外地应用于物理学的任何分支部门,所有的现象都可以用引力或斥力来解释,而这些力只与距离有关,并且作用于不变的粒子之间。”“物质动力论(即分子动理论)的发展是一个最伟大的科学成就,而它就是直接受到机械观的影响的。”“我们已经看到运用机械观来描写静电学的基本论据是可能的。同样,用机械观来描写磁的现象也是可能的。”“亥姆霍兹约在十九世纪中叶把它表达得特别清楚:因此,物理科学的任务,在我们看来,归根结蒂在于把物理现象都归结为不变的引力或斥力,而这些力的强度只与距离有关。要完全了解自然,就得解决这个问题。等等。通过阅读该书,我们对机械决定论的形成以及机械决定论如何严重束缚人们的思维会有更深刻的理解。的确,力与运动的关系是贯穿高中物理教学的一条主线,但显然不是物理学的全部。

三、奥斯特实验与机械决定论的衰落  奥斯特实验是高中生非常熟悉的一个重要实验。关于奥斯特实验,该书这样写道:这个实验之所以重要,第一方面是因为它表明了在两种外观上完全不同的现象,即磁和电流之间的关系。还有一方面更重要,磁极和通过电流的导线的一小部分之间的作用力,不是在沿连接金属线和磁针的直线上,也不是在沿连接流动的电流体的粒子和基本磁偶极子的直线上。力是与这些直线垂直的。按照机械观,我们应该把外在世界的一切作用力都化成一种类型,而现在我们已经第一次发现到有一种力跟以前所发现的力不同了。之后,书中写道:罗兰作了一个很精巧的实验,把这种困难显示得更厉害了。设想一个小的带电圆球,再设想这个圆球沿着圆形轨道很快地运动,在圆的中心放一个磁针。在原则上这个实验和奥斯特的是一样的,唯一不同的是他不用通常的电流,而用一种带电体使它发生机械运动。罗兰发现这一结果和电流通过圆形导线时所观察到的结果相同。使带电体运动得更快些,磁针从原来的位置偏转得更显著了。这个观察产生了另一种严重的困难。不仅力不在连接磁针与电荷的直线上,而且力的强度与带电体的速度有关。整个机械观是建立在一个信念上的,即认为一切现象都可以用只与距离有关而与速度无关的力来解释的。罗兰的实验结果推翻了这个信念。通过上述内容的学习,使我们能更深刻地体会到看似很简单的奥斯特实验其实太不简单了。的确,从18204月奥斯特发现电流的磁效应,到18318月法拉第发现电磁感应现象,再到1865年麦克斯韦建立足以跟牛顿力学体系相媲美的电磁场理论,都充分体现了人类智力在寻找观念世界和现象世界的联系过程中的艰苦努力。笔者认为,阅读该书,可以提高教师驾驭教材的能力,可以帮助教师更好地落实教学目标。之后该书进一步写道:把能归结到场是物理学发展中向前迈进的一大步,场的概念显得愈来愈重要,而机械观中最重要的物质的概念则愈来愈遭到抑制了。

四、引力质量与惯性质量  简单地说,牛顿运动定律中涉及的质量就是惯性质量,即F=ma式中的m就是惯性质量。惯性质量是物体惯性大小的量度。惯性质量的测定跟重力没有任何关系。我们知道,通常我们都是用天平测定质量的,这种方法测质量是全靠重力的存在的,这种方法所决定的质量叫做引力质量。该书指出:在人们最初研究力学的时候,他们会有这么一种印象,认为在这个科学分支中,一切都是简单的、基本的并且是永恒不变的。几乎没有人怀疑到还存在着一个重要的线索,这个线索三百年来谁也没有注意过它。这个被人们所忽略了的线索与力学的基本概念之一――重量有关。之后,该书告诉我们:在我们的世界中它们(引力质量与惯性质量)刚巧相等。根据经典物理学的观点,这两种质量的相等是偶然的,再也没有更深远的意义可寻了。但是现代物理学的回答恰恰相反:这两种质量的相等是根本性的,它并且构成了新的、非常重要的线索,这个线索将我们引导到更深远的理解领域。事实上,这是由此而产生所谓广义相对论的非常重要的线索之一。  

必修1第四章第三节《牛顿第二定律》说一说栏目提出这样一个问题:质量不同的物体,所受的重力不一样,它们自由下落时加速度却是一样的。你怎样解释?对此,教参中是这样建议的:教科书中说一说栏目,让学生说。学生一般都会由G=mg=ma,得出这一结论。建议教师给予肯定后,作出以下说明:上式中其实包含一个理论问题,左边的质量m,物理学上称为引力质量,而右边的质量m则称为惯性质量这节内容最后的科学漫步栏目中阅读材料——用动力学方法测质量,介绍道:大家都知道,质量可以用天平来测量。可是在宇宙空间,怎样测质量?…1966年曾在地球的上空完成了以牛顿第二定律为基础的测定质量的实验。实验时,用双子星号宇宙飞船去m1接触正在轨道上运行的火箭组m2(发动机已熄火)。接触以后,开动飞船尾部的推进器,使飞船和火箭组共同加速。推进器的平均推力F等于895N,推进器开动时间为7s。测出飞船和火箭组的速度变化是0.91m/s。双子星号宇宙飞船的质量是已知的,m1=3400kg,我们要求的是火箭组的质量m2。实际上,火箭组的质量m2已经事先测出,为3660kg,与动力学方法测得的结果相差不到5%,正在预期的误差范围之内。显然,这段材料所说的事先用天平测量得到的质量就是引力质量,而太空中用动力学方法测量得到的质量就是惯性质量。2012年月日,我国首次太空授课中,聂海胜演示了利用动力学方法测量他自己的质量,这就是惯性质量。

基于教材对引力质量与惯性质量上述处理方式,笔者认为,教师在教学教科书中这段阅读材料之后,完全可以对引力质量与惯性质量作一个简单的交待与说明。比如:用天平测量得到的质量是引力质量,而用动力学方法测量得到的质量是惯性质量。现代物理学认为这两种质量的相等是根本性的。这样处理的理由有三个:一是话到嘴边不吐不快,二是可以扩大学生的视野,三是质量是物理学发展中的一条重要线索。

五、科学没有永恒的理论  爱因斯坦对这个问题始终有非常清醒的认识和非常精辟的论述。比如:科学没有永恒的理论。任何一个理论都有它的逐渐发展和成功的时期,经过这个时期以后,它就很快地衰落。差不多科学上的重大进步都是由于旧理论遇到了危机,通过尽力寻找解决困难的方法而产生的。”“说新理论毁灭了旧理论的成就,那是不公正的若用一个比喻,我们可以说建立一种新理论不是象毁掉一个旧的仓库,在那里建起一个摩天大楼。它倒是象在爬山一样,愈是往上爬愈能得到新的更宽广的视野,并且愈能显示出我们的出发点与其周围广大地域之间的出乎意外的联系。但是我们的出发的地点还是在那里,还是可以看得见,不过显现得更小了,只成为我们克服种种阻碍后爬上山巅所得到的广大视野中的一个极小的部分而已。

必修26章第6节《经典力学的局限性》有类似的论述:然而,历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定,而是作为某些条件下的局部情形,被包括在新的科学成就之中相对论与量子力学都没有否定过去的科学,而只是认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形。紧接着用一句非常坦诚、非常有激励作用的话作为本节内容的结束语:相对论和量子力学是哪一种更广泛理论的特殊情形呢?我们现在还不知道笔者认为,教材中的上述观点、态度与爱因斯坦是一脉相承的。而这些内容是教师实施“情感态度与价值观”教学目标的极好的素材。

选修3415章第1节《相对论的诞生》中,介绍了汤姆孙1900年新年庆祝会上的一个论断:科学的大厦已经基本建成,未来的物理学家只要做一些修修补补的工作就可以了。不过他也承认,明朗的天空中还有两朵小小的、令人不安的乌云。事实上,正是这两朵乌云,引发了物理学的两场暴风骤雨式的革命——建立了量子力学与相对论。基于科学没有永恒的理论这一理念,笔者认为,在这里也加入爱因斯坦的相关名言,诸如:科学没有永恒的理论。”“任何一个理论都有它的逐渐发展和成功的时期,经过这个时期以后,它就很快地衰落。等等。进行一个这样的鲜明的对比,对培养学生的科学素养应该大有益处。

 

 参考文献:

1、[]爱因斯坦、[]英费尔德 物理学的进化[] 周肇威译,上海科学技术出版社出版,1979. 1,3,4,24-26,40-41,47,53,56,63-64,66,102,109,216-217.

2、人教版高中物理必修1. 5, 46,47,49,77.

3、人教版高中物理必修2.  46-47.

4、人教版高中物理选修34.  98.

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