挖掘演示实验的物理内涵充分发挥演示实验在文科物理教学中的作用

刘丽妹 王凤鸣 魏 环 莫文玲

(河北理工大学,信息学院,河北唐山 063009)

挖掘演示实验的物理内涵充分发挥演示实验在文科物理教学中的作用

刘丽妹 王凤鸣 魏 环 莫文玲

(河北理工大学,信息学院,河北唐山 063009)

结合大学物理演示实验教学实践中的具体实例——真实的镜子引入反物质世界、有趣画面阐释波粒二象性问题.以挖掘演示实验物理内涵,充分发挥演示实验在文科物理教学中的启发作用为主题,就如何以演示实验室为依托,抓住学生感兴趣的点,切入文科物理教学,引领文科生走入大学物理课堂进行简单的讨论.

文科物理;演示实验;启发教学

1 引言.

随着教学改革的不断推进,在各高校中开展文科物理教学已势在必行.给文科生讲解物理,使其受到一定的科学文化素养的培养,是全面提高其文化科学素养的有效途径.文科物理的教学在一些重点高校已开始教学实践,一般院校也积极探索,纷纷开设了此类课程.

经过几轮的教学实践发现:文科生的特点在于他们有丰富的想象力,他们有对自然科学的好奇心,他们想了解什么是黑洞,什么是核能,但他们缺少系统的物理知识功底,缺少了解基础物理知识的耐心.一些学生并没有认识到给他们开设物理课的深远意义,只是被动的选修学分;一些学生习惯于高中物理的题海,对于文科物理的讲授方式并不适应,觉得文科物理课程四不像;另外远高于他们认知能力的物理知识使他们对这门课望而却步.如此看来,激发学生的学习兴趣,带领文科生走进物理课堂成为文科物理教学的前提条件,也是待解决的关键问题.

实验教学是大学物理教学过程中不可或缺的一个实践环节,考虑到文科物理的教学特点,适当地给学生开设演示实验是比较合理的.演示实验在激发学习兴趣、开发创新思维、启发心智方面的作用在大学物理教学改革的思潮中已得到充分论证[1～8].这源于演示实验的特点:把有趣的实验呈现给学生以激发学生的学习兴趣,如电学中的“怒发冲冠”实验、雅各布天梯实验等;或把一些巧妙的实验设计重现给学生以开发学生的创新思维,如光纤温度传感、光学全息等实验;或把难懂的物理原理通过易观察的实验展现给学生以启发学生心智,如一系列的光的干涉、衍射实验等.总之,演示实验的特点就在于表观现象多姿多彩、生动有趣,且极具物理内涵.

结合文科物理教学,以演示实验室为依托,搭建趣味创新物理实验平台,有效激发学生学习物理的兴趣和对自然知识的好奇心以及最原始的求知欲.这样既可以激发学生学习大学物理的学习兴趣,也可以加深学生对物理知识的理解,还可以使学生们体会到物理实验在物理学发展史中的重要地位.

本文将结合大学物理演示实验教学实践中的具体实例,以挖掘演示实验物理内涵,充分发挥演示实验在文科物理教学中的启发作用为主题,就如何更好地激发文科生学习物理知识的兴趣和勇气,自然切入物理知识,浅谈一下这方面的工作.

2 平面镜背后的反物质世界,真实的镜子背后的正物质世界——简单的演示实验可以挖掘出近代前沿的物理知识,从而激发文科生的学习兴趣

在演示实验教学中,学生能接触到“真实的镜子”这一演示实验项目,原理是简单的平面镜成像,空间反演,但利用此实验可以有效地启发学生对天文学关于反物质世界的思考.

所谓真实的镜子就是两个平面镜夹角成90°,如图1(a)所示放置.根据平面镜成像特点,此现象很容易理解,问题的启发点不在于此,而在于两面普通的平面镜成90°角放置,为什么就是真实的镜子?普通的平面镜成像不真实吗?

电子和反电子的质量相同,但有相反的电荷.质子与反质子也是这样.那么中子与反中子的性质有什么差别?其实粒子实验已证实,粒子与反粒子不仅电荷相反,其他一切可以相反的性质也都相反.

这里真实的镜子所成的像3(像3′)和物体之间左右手的关系是一致的,就像物直接绕到镜3后边,这就是它的“真实性”所在.而如果物体直接通过平面镜3成像,如图1(b)所示,物与像4的左右手关系是不一致的,这正是正物质与反物质相反的性质之一.从宇称的角度来看,普通平面镜背后所成的像(像4)是反物质世界的像,其左右的概念是相反的;而真实的镜子所成的像(像3或像3′)是正物质世界的像,其左右的概念是一致的.通过启发学生看物与像之间的左右宇称对应关系,进而讲解有关近代物理中天文学关于反物质世界的思考,自然而然地引入了反物质、基本粒子等近代物理知识.

有一个有趣的问题:如果有一天,真的发现了地球外的人类文明,如何用最简单的办法判断他是否是由反物质组成?最简单的办法是看他所认可的左右手关系和地球人是否一致.

人们对物质的本源,对宇宙的发展充满好奇,学生对天文现象、基本粒子等近代物理知识渴望了解,与近代物理知识的好的衔接点也是每个物理教育工作者所苦苦寻觅的.通过真实的镜子引入学生们感兴趣的反物质世界,一方面可以很好地激发学生学习大学物理的学习热情,另外也可以为近代物理知识的切入找到一个很好的突破口,教学实践显示教学效果很好.

3 MY GIRL AND HER MOTHER,DO YOU SEE BOTH?——通过一幅有趣的画,加深学生对量子力学中“波粒二象性”问题的理解,激发学生接触近代物理知识的兴趣和勇气

工科大学物理中量子力学部分是教学难点,对文科生更是难点中的难点.学生有兴趣了解这方面的知识,尤其是一些科幻电影涉及到量子话题,使学生愿意了解这方面的知识,但如果教学方法不当,学生很快会失去学习兴趣.

关于波粒二象性问题,不论是光的波粒二象性还是实物粒子(如电子)的波粒二象性,在初讲量子力学时,学生是很容易接受的.这主要是由于通过光电效应实验引入了光的粒子性;而德布罗意通过对比给出电子的波动性后,大部分课本也会随之讲解电子波动性的实验验证,电子经金多晶薄片形成的漂亮衍射环给学生留下了深刻的印象.但若谈及对波粒二象性的理解,大部分学生会感觉有困难.正如在早期,波粒二象性刚刚提出的时候,当时的某些教授中也流传着嘲弄之辞:(按照大学的课表安排)“在星期一、星期三、星期五,电子像粒子那样运动,而在星期二、星期四、星期六,电子又像一种波那样运动.”问题在于学生惯于从经典出发去理解近代物理,致使物理图像不清晰.

出现在演示实验室中的有趣画面“MY GIRL AND HER MOTHER,DO YOU SEE BOTH?”(如图2所示),能够帮学生理解波粒二象性问题.波动性、粒子性是物质属性的两个不同面,它们共同属于物质.不是什么时候是波,什么时候是粒子,而是什么情况下显示波动性,什么情况下显示粒子性的问题.正如此画,它本身就是一个矛盾的统一体,当集中注意力看 GIRL,就看见了一个漂亮的女孩;当集中在“大鼻子,缩脖子”时,就看见了“HER MOTHER”(女孩的耳朵是妈妈的眼睛,女孩的颈圈是妈妈的嘴).学生最初看到画面,会惊叹设计者的构思巧妙,当提及波粒二象性问题,觉得茅塞顿开.

通过这幅有趣的画来阐释波粒二象性问题,使得学生能够正确、清晰地理解问题,很好地激发了学生接触近代物理知识的兴趣和勇气.

4 结语

教学实践表明,文科物理教学的关键是首先要抓住学生某一个感兴趣的点,带他们走入到物理课堂.这正如看球赛,如果学生根本不懂比赛规则就不会有兴趣去看比赛,兴趣源于初步的了解.也许对于物理专业的学生来说,诸如上面提到的这些物理话题非常简单,如此讲解有些画蛇添足,甚至有点误导学生对概念的深入理解,这正如我们初中刚引入电压概念时经常与水压概念对比,也许大家认为电压与水压概念相去甚远,但不可否认,这一对比使初接触电压的学生对电压有了初步的认识.这是知识继续深入的一个基础,随着学习的深入,学生们自然而然地了解到电压的概念与水压不同.

[1] 兰明乾,李玲.谈大学物理教学中的演示实验,科技创新导报,2008,10,213

[2] 耿爱丛,赵慈,黄英群.浅谈大学物理演示实验的作用及改进措施[J].中国电力教育,2008,11,97

[3] 赵志洲,张晓春,李富全,赵庆年.充分发挥物理演示作用的几点尝试[J].大学物理实验,1997,10(4),62

[4] 路俊岭,汪荣宝,杨红.讨论课中引入演示实验的尝试[J].大学物理,2003,22(10),42

[5] 梁秀萍,李叶芳.素质教育从这里开始——物理演示实验[J].大学物理实验,2002,15(2),82

[6] 王秀泽,马轩文.演示——启迪思维的钥匙[J].大学物理实验,1997,10(3),63

[7] 韩长明.如何使物理演示实验取得更好效果[J].大学物理,1993,12(3):38～39

[8] 周亮,席丽霞.当代物理演示与技术在物理教学中的应用[J].大学物理,1998,17(10):30～31

PLAYING THE INSPIRED ROLE OF DEMONSTRATION EXPERIMENTS IN ART PHYSICS TEACHING

Liu Limei Wanɡ Fenɡminɡ Wei Huan Mo Wenlinɡ
(Information Institute of Hebei Science and Technology University,Tangshan,Hebei 063009)

In order to arouse art students’interest in studying of physics,the rich connotation of demonstration experiments should be explored.In this paper,a topic on the inspired role of demonstration experiments in art physics teaching is discussed,combined with the examples in teaching experiences such as antimatter world is introduced by the real mirror and the problem of wave-particle duality is explained by an interesting painting.

art physics;demonstration experiments;inspired teaching

2010-03-07)

河北理工大学教学改革资助项目.