清华大学物理系教授郭奕玲沈慧君Guoyl@tsinghuaeducn

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1、清华大学清华大学 物理系教授物理系教授 郭奕玲郭奕玲 沈慧君沈慧君G物理学史与物理教育钱三强教授的物理学史序为我们提供了指导思想物理学发展史是一块蕴蕴藏藏着着巨巨大大精精神神财财富富的的宝宝地地这块宝地很值得我们去开垦，这些精神财富很值得我们去发掘。如果我们都能重视这块宝地，把宝贵的精神财富发掘出来，从中吸取营养，获得教益，我相信对我国的教育事业和人才培养都会是大有益处的。钱三强教授在物理学史序中讲到：n科科学学上上没没有有平平坦坦的的大大道道。我我们们要要通通过过物物理理学学史史的的介介绍绍，向向学学生生讲讲清清楚楚，科科学学经经历历的的是是一一条条非非常常曲曲折、非常艰难的道路。折、非常艰

2、难的道路。n 然然而而，我我们们的的教教师师在在对对学学生生进进行行教教育育的的时时候候往往往往是是应应用用经经过过几几次次消消化化了了的的材材料料来来讲讲授授，或或者者经经过过抽抽象象的的理理论论体体系系，这这当当然然是是必必要要的的，但但是是这这样样的的教教学学方方法法，往往往往会会使使学学生生对对概概念念的的产产生生和和发发展展引引起起误误解解，以以为为什什么么结结论论都都可可用用数数学学推推导导出来，失去了对观察和实验的兴趣。出来，失去了对观察和实验的兴趣。n 这这样样的的结结果果使使学学生生们们不不了了解解科科学学是是怎怎样样来来的的，时时间间长长了了，等等到到他他自自己己从从事事教

3、教学学时时就就很很容容易易把把科科学学当当作作一一门门死死科学来教。科学来教。n今今天天我我们们科科学学界界有有一一个个弱弱点点，这这就就是是思想不很活泼，这也许跟大家过去受的教育有一定关系。这也许跟大家过去受的教育有一定关系。钱三强教授在演讲物理学史物理学史第二版第二版钱三强教授：物理学史序的第二点看法 通过物理学史可以阐明理论与实践的关系理论与实践的关系。物理学是实验科学，实验工作是基础。强调实验的意义，并不是否定理论的重要性强调实验的意义，并不是否定理论的重要性，只有在实验的基础上建立了正确的、经得起实践检验的理论，才能由表及里达到对客观事物的规律性认识。如果能在系统地介绍理论发展线索的

4、同时，更多地介绍实验工作的经过和所起的作用，以及理论理论与实验的相互依赖关系与实验的相互依赖关系，就更有教育意义。物理学是以实验为本的科学n在物理学的发展中，实验起了重要作用。在物理学的发展中，实验起了重要作用。n什么叫实验？什么叫实验？实实验验是是人人们们根根据据研研究究的的目目的的，运运用用科科学学仪仪器器，人人为为地地控控制制、创创造造或或纯纯化化某某种种自自然然过过程程，使使之之按按预预期期的的进进程程发发展展，同同时时在在尽尽可可能能减减少少干干扰扰的的情情况况下下进进行行观观测测，（定定性性的的或或定定量量的的），以以探探求求该该自自然然过过程程变变化化规规律的一种科学活动。律的一

5、种科学活动。实验在物理学发展中的地位和作用n发现新事实，探索新规律发现新事实，探索新规律n检验理论，判定理论的适用范围检验理论，判定理论的适用范围n测定常数测定常数n推广应用，开拓新领域推广应用，开拓新领域我国著名物理学家张文裕指出：u科科学学实实验验是是科科学学理理论论的的源源泉泉，是是自自然然科科学学的的根根本本，也也是是工程技术的基础。工程技术的基础。u基基础础研研究究、应应用用研研究究、开开发发研研究究和和生生产产四四个个方方面面要要紧紧密密结结合合在在一一起起，必必需需有有一一条条红红线线，这这条条红红线线就就是科学实验是科学实验。高能物理所原所长张文裕教授1984年的照片吴大猷教授

6、对实验和理论的关系作过深刻的分析和总结，他写道：n实验发现和研究与理论实验发现和研究与理论探索是互补的，它们共探索是互补的，它们共同或交替促成了物理学同或交替促成了物理学的进步。的进步。n有的时候，是某些实验有的时候，是某些实验发现导致了理论工作的发现导致了理论工作的巨大发展，而有的时候，巨大发展，而有的时候，则是某项理论工作导致则是某项理论工作导致了重要的实验结果。了重要的实验结果。李政道教授1987年曾经精辟地提出物理学家的两个定律：n第一定律：第一定律：没有实验家，没有实验家，理论家趋于浮泛。理论家趋于浮泛。n第二定律：第二定律：没有理论家，没有理论家，实验家趋于摇摆。实验家趋于摇摆。两

7、个车轮，相辅相成实 验理 论理论实验30%70%理论实验10%90%物理教学应该重视实验物理教学应该重视实验 让学生都有机会做实验让学生都有机会做实验为什为什么？么？n经历科学过程，体会科学方法，经历科学过程，体会科学方法，树立科学的价值观树立科学的价值观n更加热爱科学，体验科学工作的更加热爱科学，体验科学工作的乐趣乐趣n学习科学知识，提高操作技能学习科学知识，提高操作技能 （人教版新课本）（人教版新课本）补充三点补充三点 n认识物理学的精髓n体验科学精神n树立科学态度为什么要引进经典实验？为什么要引进经典实验？n了了解解前前人人的的科科学学过过程程，可可以以生生动动地地说说明明科学是怎样来的

8、。科学是怎样来的。n了了解解科科学学家家的的工工作作，他他们们是是怎怎样样想想的的、怎怎样样提提出出问问题题、发发现现问问题题和和解解决决问问题题，由此可以学习前人的探索精神。由此可以学习前人的探索精神。n经经典典实实验验都都是是一一些些开开创创性性的的工工作作，都都经经过过历历史史检检验验，学学习习它它可可以以领领会会科科学学方方法法的精髓。的精髓。经典实验有一定的时代局限性经典实验有一定的时代局限性n方法原始，仪器简陋n设计奥涩，想法古怪n曲折复杂，难以理解麦克斯韦的电量单位比实验麦克斯韦的电量单位比实验例如，麦克斯韦的电量单例如，麦克斯韦的电量单位比实验装置何其复杂！位比实验装置何其复杂

9、！引用历史题材的双刃剑引用历史题材的双刃剑n著名的经典实验何止成百上千，我们总不能像著名的经典实验何止成百上千，我们总不能像19世纪以前的物理世纪以前的物理教科书那样教科书那样“从猿到人从猿到人”百科全书式的讲授；因此，精选和提炼百科全书式的讲授；因此，精选和提炼是必要的。是必要的。n前人面临的情况和我们不一样，他们的探索活动往往经历过后人前人面临的情况和我们不一样，他们的探索活动往往经历过后人难以想象的艰难困苦，有时还有些盲目，在后人看来甚至有些可难以想象的艰难困苦，有时还有些盲目，在后人看来甚至有些可笑和愚蠢。没有必要让同学们都去实际体验笑和愚蠢。没有必要让同学们都去实际体验“万里长征万里

10、长征”的艰辛；的艰辛；但是正是这些过程体现了追求真理的伟大力量，正是这些科学精但是正是这些过程体现了追求真理的伟大力量，正是这些科学精神有待我们学习、继承和发扬。他们的某些神有待我们学习、继承和发扬。他们的某些“古怪古怪”想法，也许想法，也许正是我们缺少的；他们使用的正是我们缺少的；他们使用的“简陋仪器简陋仪器”和和“原始设备原始设备”很可很可能给我们很多难得的启示，给我们学习的好机会，有的还特别适能给我们很多难得的启示，给我们学习的好机会，有的还特别适合初学者。合初学者。n运用历史题材当然要占用有限的学习时间，但是那是值得的。只运用历史题材当然要占用有限的学习时间，但是那是值得的。只要经过适

11、当处理加工，取其精华，去其糟粕，就会成为宝贵的精要经过适当处理加工，取其精华，去其糟粕，就会成为宝贵的精神财富。神财富。运用历史题材，值得提倡n要忠实于历史事实，不可捏造杜撰要忠实于历史事实，不可捏造杜撰n要恰如其分，不可过分夸大要恰如其分，不可过分夸大n不要喧宾夺主，不能代替主课学习不要喧宾夺主，不能代替主课学习n不要死记硬背，不应当成知识点不要死记硬背，不应当成知识点n不要照本宣科，避免千篇一律不要照本宣科，避免千篇一律n老师首先要有深入认识老师首先要有深入认识n要努力发掘资料，开展科学研究要努力发掘资料，开展科学研究n如何运用，希望一起探讨如何运用，希望一起探讨n我们愿意抛砖引玉，给大家

12、尽可能我们愿意抛砖引玉，给大家尽可能地提供一些有用的可靠资料。地提供一些有用的可靠资料。伽利略的斜面实验伽利略正在演示斜面实验伽利略正在演示斜面实验伽利略的斜面实验数据伽利略的斜面实验数据 （详见光盘）伽利略的平抛实验伽利略斜面实验示意图伽利略斜面实验示意图伽利略的平抛实验数据伽利略的平抛实验数据 高中课本中的平抛实验装置高中课本中的平抛实验装置（详见光盘）库仑的滑动摩擦实验伽库仑研究滑动摩擦的实验装置伽库仑研究滑动摩擦的实验装置库仑对摩擦起因的说明库仑对摩擦起因的说明 库仑的滑动摩擦实验库仑的滑动摩擦实验n我们可以仿照库仑的思路，分析滑动摩擦我们可以仿照库仑的思路，分析滑动摩擦与哪些因素有关

13、？有什么关系？与哪些因素有关？有什么关系？n还可以追问为什么有关？也可以进一步对还可以追问为什么有关？也可以进一步对凹凸说和粘合说作出判断，看看那一种说凹凸说和粘合说作出判断，看看那一种说法更高明，从而把探究活动延伸到分子力法更高明，从而把探究活动延伸到分子力的作用。的作用。n如果同学们对这一课题发生了兴趣，还可如果同学们对这一课题发生了兴趣，还可以引导他们了解摩擦学的进展。现代摩擦以引导他们了解摩擦学的进展。现代摩擦学是工程技术上不可或缺的一门专业，涉学是工程技术上不可或缺的一门专业，涉及到机械工程、材料科学、表面物理，从及到机械工程、材料科学、表面物理，从宏观到微观，从静态到动态，内容极其

14、丰宏观到微观，从静态到动态，内容极其丰富。富。n如果取其中一个小问题，例如润滑的作用，如果取其中一个小问题，例如润滑的作用，让学生们试着作为课外小作业，按照科学让学生们试着作为课外小作业，按照科学家的思路，进行力所能及的探究，应该会家的思路，进行力所能及的探究，应该会得到相当多的收获。得到相当多的收获。雷尼研究摩擦与雷尼研究摩擦与压力的实验装置压力的实验装置 德萨居利斯的实验装置德萨居利斯的实验装置 伽利略的“单摆”实验物体从物体从C点向左摆动，点向左摆动，1如无障碍，将止于同一高度的如无障碍，将止于同一高度的D点点2E处加一钉子，止于同一高度的处加一钉子，止于同一高度的G点点3F处加一钉子，

15、止于同一高度的处加一钉子，止于同一高度的I点点 p请问：伽利略请问：伽利略通过这个实验想通过这个实验想说明什么观点？说明什么观点？p 如何证明如何证明C，I，G，D各各点高度相同？点高度相同？伽利略的温度计伽利略的温度计伽利略的温度计 伽利略用他的温度计测伽利略用他的温度计测定了不同地方和同一地定了不同地方和同一地点在不同时间和不同季点在不同时间和不同季节的相对温度。但是，节的相对温度。但是，伽利略的空气温度计要伽利略的空气温度计要受大气压强变化的支配，受大气压强变化的支配，因此在两只温度计之间因此在两只温度计之间无法进行比较。读者们无法进行比较。读者们能否帮助伽利略改进他能否帮助伽利略改进他

16、的温度计？的温度计？牛顿的碰撞实验牛顿的碰撞实验牛顿的牛顿的自然哲学数学原理自然哲学数学原理封面封面 牛顿详细讨论了两球对心碰撞前后牛顿详细讨论了两球对心碰撞前后空气阻力的影响以及测量的改进办法空气阻力的影响以及测量的改进办法 A A，B B两球用平行线两球用平行线CACA，DBDB悬挂在同一水平线下，如图所示。倘若拿开悬挂在同一水平线下，如图所示。倘若拿开B B，将，将A A移至水平线上的移至水平线上的E E，放手后，放手后，A A应荡至同一高度应荡至同一高度F F；倘若拿开；倘若拿开A A，将，将B B移至水平移至水平线的线的G G，放手后，放手后B B也应荡至同一高度的也应荡至同一高度的

17、H H。但实际上，由于空气阻力的影响，。但实际上，由于空气阻力的影响，总要略微低些。总要略微低些。A A球如从球如从R R点放下，经过一个来回后只能回到点放下，经过一个来回后只能回到V V点，可见，点，可见，RVRV是由于空气阻力造成的阻滞。在是由于空气阻力造成的阻滞。在RVRV的中间取四分之一，并令的中间取四分之一，并令RSRSTVTV，则，则RSSTRSST3232。于是将近似地代表。于是将近似地代表A A球从球从S S降到降到A A所受的阻力。所受的阻力。胡克的弹性实验胡克的弹性实验 在在力力学学的的应应用用中中弹弹性性定定律律占占有有重重要要地地位位，弹弹性性定定律律是是1678年年首

18、首先先由由胡胡克克提出的。提出的。斯梯芬的串球链斯梯芬的串球链 p荷荷兰兰人人斯斯梯梯芬芬1586年年的的静静力力学学基基础础，是是从从这个理想实验开始。这个理想实验开始。p将将14个个等等重重的的小小球球均均匀匀地地用用线线穿穿起起组组成成首首尾尾相相连连的的一一串串球球链链，放放在在斜斜面面上上，他他认认为为球球链链的的运运动动没没有有尽尽头头是是荒荒谬谬的的，所以两侧应平衡。所以两侧应平衡。p扉扉页页插插图图上上方方写写着着：“神奇其实并不神奇神奇其实并不神奇”。运动没有尽头是荒谬的运动没有尽头是荒谬的n斯梯芬：斯梯芬：15861586年：年：静力学基础静力学基础：“运动没有尽头是荒谬运

19、动没有尽头是荒谬的的”。（详见光盘）拉瓦锡和拉普拉斯的冰卡计拉瓦锡和拉普拉斯的冰卡计 拉瓦锡和拉普拉斯用冰卡计测量物质在化学反应过程中所放出的热量以及物体燃烧和动物呼吸时所散发的热量，证明 烛焰放出的热量烛焰放出的热量：放出的二氧化碳放出的二氧化碳 动物呼吸放出的热量动物呼吸放出的热量 ：呼出的二氧化碳呼出的二氧化碳两个比值近似相等。这个结果对能量转化与守恒定律的建立有两个比值近似相等。这个结果对能量转化与守恒定律的建立有重要意义。重要意义。冰卡计 把豚鼠放在冰卡计里做实验焦耳的电热当量实验焦耳的电热当量实验 1841年年焦焦耳耳为为了了确确定定金金属属导导线线的的热热功功率率，让让导导线线穿

20、穿过过一一根根玻玻璃璃管管，再再将将它它密密缠缠在在管管上上。然然后后将将玻玻璃璃管管放放入入盛盛水水的的容容器器中中，通通电电后后用用温温度度计计测测量量水水产产生生的的温温度度变变化化。实实验验时时，他他先先用用不不同同尺尺寸寸的的导导线线，继继而而又又改改变变电电流流的的强强度度，结结果果判判定定“在在一一定定时时间间内内伏伏打打电电流流通通过过金金属属导导体体产产生生的的热热与与电电流流强强度度的的平平方方及及导导体体电电阻阻的的乘乘积积成成正正比比。”这这就就是是著著名名的的焦焦耳耳定定律律，又又称称i2R 定律。定律。（详见光盘）奥斯特的磁效应实验奥斯特的磁效应实验 奥斯特信奉康德

21、哲学,认为自然界各种基本力是可以相互转化的。早在1812年,奥斯特就发表过一篇论文,论证化学力和电力的等价性,文中写道：“我们应该检验的是：究竟电是否以其最隐蔽的方式对磁体有类似的作用”。在奥斯特的头脑里,经常盘据着这个疑问。他深信电和磁有某种联系,只是不知道应该怎样来实现它。当时,电流的研究早已揭示导体通过电流时会发热,甚至会发光。他推测,既然电流通过细导体会发热,通过更细的导体甚至会发光,进一步减小导体的直径,为什么不能指望激发出磁来呢?于是他拿一根细白金丝,让它接到电源上,在它前面放一根磁针,他和别人一样,企图用白金丝的尖端吸引磁针。然而,尽管白金丝灼热了,烧红了,发光了,磁针也纹丝不动

22、。奥斯特没有灰心,边思考,边试验。他从发热和发光的现象推测,既然热和光都是向四周扩展的,会不会磁的作用也是向四周扩展?（详见光盘）阿拉哥的铜盘实验阿拉哥的铜盘实验 p18241824年阿拉果把磁针当作单摆，让年阿拉果把磁针当作单摆，让它在铜盘上方摆动，发现磁针的摆动它在铜盘上方摆动，发现磁针的摆动会很快衰减；如果让磁针停下不动，会很快衰减；如果让磁针停下不动，转动下面的铜盘，就会发现磁针也跟转动下面的铜盘，就会发现磁针也跟着转动。着转动。p当时阿拉果无力对自己的实验作出当时阿拉果无力对自己的实验作出解释，只是如实地向公众宣布了实验解释，只是如实地向公众宣布了实验结果。结果。p奥认为铜盘在运动中

23、产生了磁性。奥认为铜盘在运动中产生了磁性。p安培提出铜盘在运动中产生了电流。安培提出铜盘在运动中产生了电流。塞贝克则认为是塞贝克则认为是“磁雾磁雾”的阻尼作用。的阻尼作用。（详见光盘）法拉第的电磁感应实验法拉第的电磁感应实验 法拉第和奥斯特一样,笃信自然力的统一,很早就开始寻找“磁生电”的迹象。从1824年到1828年,法拉第多次进行电磁学实验。他仔细分析了电流的磁效应,认为电流与磁的相互作用除了电流对磁、磁对磁、电流对电流,还应有磁对电流的作用。他想,既然电荷可以感应周围的导体使之带电,磁铁可以感应铁质物体使之磁化,为什么电流不可以在周围导体中感应出电流来呢?于是就开始了一系列的探索。（详见

24、光盘）牛顿的分光实验牛顿的分光实验 自古以来，人类对雨后的彩虹有着强烈的兴趣。亚里士多德认为各种颜色的产生是由于光受到不同阻滞所引起。阳光进入媒质（例如水），从表面区域折射回来的是红色或黄色，从深部折射回来的是绿色或蓝色。1648年，布拉格的马尔西用三棱镜演示色散成功。不过他解释错了。他认为红色是浓缩了的光，蓝色是稀释了的光；之所以会出现五颜六色，是由于光受物质的不同作用，因而呈现各种不同的颜色。究竟各种色彩的产生是由于光与物质的作用，还是光所具有的本性，牛顿用一系列实验作出了回答。（详见光盘）电影片段托马斯托马斯杨的双缝干涉实验杨的双缝干涉实验 1807年托马斯杨描述了他的双缝实验.他写道：

25、“使一束单色光照射一块屏，屏上面开有两个小洞或狭缝，可认为这两个洞或缝就是光的发散中心，光通过它们向各个方向绕射。在这种情况下，当新形成的两束光射到一个放置在它们前进方向上的屏上时，就会形成宽度近于相等的若干条暗带。图形的中心则总是亮的。”（详见光盘）丁铎尔的全反射实验丁铎尔的全反射实验 p 光光的的全全反反射射可可以以导导光光，18701870年年英英国国物物理理学学家家J.J.丁丁铎铎尔尔就就已已经经提提出出来来了了。他他做做过过一一个个演演示示实实验验如如左左图图。这这正正是是纤纤维光学的基本原理。维光学的基本原理。p 同同学学们们可可以以从从这这个个实实验验进进一一步步探探讨讨如如何何

26、利利用用全全反反射射传传输输光光线线，看看看要有什么条件看要有什么条件。赫兹的电磁波实验赫兹的电磁波实验 p18871887年年赫赫兹兹用用多多种种方方法证实了电磁波的存在法证实了电磁波的存在引自人教版高中物理（详见光盘）赫兹的光电效应实验赫兹的光电效应实验 石英片无效石英片无效为了便于观察，赫兹偶然把接收器用暗箱罩上，结果发现接受电极间的火花变短了。赫兹工作非常认真，用各种材料放在两套电极之间，证明这种作用既非电磁的屏蔽作用，也不是可见光的照射，而是紫外线的作用。当紫外线照在负电极上时，效果最为明显，说明负电极更易于放电。（详见光盘）J.J.J.J.汤姆生的阴极射线荷质比实验汤姆生的阴极射线

27、荷质比实验（详见三大发现）结论：经典实验是科学家智慧的结晶结论：经典实验是科学家智慧的结晶p我我们们有有目目的的地地从从不不同同领领域域里里选选择择2020个个经经典典实实验验，介介绍绍其其设设计计思思想想、实实验验结结果果和和历历史史沿沿革革，不不仅仅可可以以增增强强对对实实验验的的认认识识，而而且且可可以以使使物物理理教教学学更更有有生生气气，使使学学生生领领会会这这些些实实验验的的构构思思，设设计计者者的的匠匠心心，技技术术之之精精湛湛，方方法法之之巧巧妙妙和和结结果果之之精精确确，让让学学生生对对科科学学思思想想、科科学学方方法法和和科科学学精精神，确实有所体会。神，确实有所体会。p这这些些介介绍绍留留给给学学生生的的印印象象也也许许会会远远远远超超出物理知识的范畴。出物理知识的范畴。谢谢大家谢谢大家