中国天文大项目与大学物理教学的有效结合

朱春花①

（新疆大学 物理科学与技术学院，新疆 乌鲁木齐 830046）

物理学是研究宇宙间物质基本结构、运动基本规律和相互作用的自然科学，它是一门古老的基础性学科.高等学校开设的大学物理课程主要以物理学为基础内容.目前，大学物理中所教授的知识主要是经典物理体系下的内容，基本上都是百年以前的成果.然而，21世纪的人才培养模式发生重要变化，高等教育走向大众化、普及化［1］.面对青年学生日益多元化的兴趣和志向，作为从事大学物理教学的教师需要深入思考一个课题：如何适应新形势，激发学生学习物理知识的兴趣，培养学生的探索精神和创新意识.

近年来，这一课题的研究引起很多关注.有学者提出，在大学物理教学中融入天文学知识能有效提高学生学习物理的兴趣，激发学生的学习潜能［2-3］.像很多其他学科一样，天文学这门古老的基础学科与某些邻近学科也会互相借鉴、互相渗透.譬如1970年、1974年、1978年、1983年、1993年、2006年和2011年7个年度的8项诺贝尔物理学奖授予14位天文学家，这就是天文学与物理学学科交叉的很好例证.天文学可以说是一门以物理学为基础的自然科学［4］.天体物理学是天文学和物理学高度交叉融合的分支学科.因此，在大学物理教学中很自然可以穿插许多相关的天文学知识，也容易吸引学生注意力.

当前，中国经济实力不断增强，科技发展迎来崭新的局面.中国天文学的发展也进入一个新的时代，中国已经建成或正在筹建一些天文大项目，例如，大天区面积多目标光纤光谱望远镜（LAMOST）、近地目标巡视望远镜（NEOST）、500 m口径球面射电望远镜（FAST）、110 m全可动射电望远镜（QTT）等.在高校大学物理教学过程中，由于课时和地域限制，学生对这些天文大项目进行实地考察的机会很少.因此，课堂教学依然是大学物理教学最重要的一个环节，课堂的教学效果直接影响学生的学习效果.笔者发现，在课堂上利用相关资料，借助多媒体教学方式介绍这些天文大项目能极大地激发学生的民族自豪感和成就感，提高学习物理知识的兴趣，培养学生学习的主动性和创造性，活跃课堂气氛，达到很好的教学效果.下面，举例来说明中国天文大项目对大学物理教学的促进作用.

1 LAMOST

我国自主设计研制的大天区面积多目标光纤光谱望远镜（LAMOST，郭守敬望远镜）突破望远镜大口径与大视场难以兼得的瓶颈，是目前世界上最大的大视场望远镜，是世界上光谱获取率最高的望远镜［5］.

在大学物理教学过程中可以穿插介绍LAMOST及其一些研究成果.这些介绍不仅能丰富教学内容，增强师生互动，而且也能拓宽学生视野，满足学生求知欲望，对学生学习能力、创新意识和探索精神的培养具有积极意义.

在大学物理波动光学部分，会介绍光学仪器的分辨本领.由于光的衍射现象，光学仪器的分辨能力将受到限制.根据Rayleigh判据，光学仪器的最小分辨角与入射光波长成正比，与仪器的透光孔径成反比［6］.光学仪器的分辨本领即最小分辨角的倒数.因此，光学仪器的分辨本领与透光孔径成正比.在讲到这部分内容的时候，可以利用多媒体教学方式给学生介绍LAMOST，让学生在熟悉所学知识点的同时拓展知识面，了解天文望远镜大口径与大视场的矛盾.这些介绍很容易吸引学生关注，让学生充分认识到，利用合理的设备原理和创新的技术方法，中华民族能够在相对较低成本下独辟蹊径，做出杰出的科技创新.学生会深受鼓舞，激发学习潜力和创新意识.

通过高中物理的学习，学生对第一、第二、第三宇宙速度的概念已有所了解.在大学物理力学部分讲授能量守恒定律时，可以重提宇宙速度，并加以扩展，让学生思考是不是可以获得飞出银河系的宇宙速度.Hills于2008年预言超高速星，这就是一类速度高到能脱离银河系引力束缚的恒星［7］.通常认为，超高速星起源于双星系统中的一颗被银河系中心超大黑洞俘获，根据机械能守恒定律，另一颗将以很高的速度被向外抛出，后者即为超高速星.利用LAMOST巡天的光谱数据，天文学家发现迄今为止距地球最近的一颗超高速星［8］.这颗超高速星相对于银河系中心的移动速度是477 km/s.结合多普勒效应的学习，可以给学生简单介绍如何利用光谱数据来确定恒星的视向速度.多普勒效应指出，当波源和观察者相对运动时，观察者接收到的频率与波源发出的频率不同.恒星光谱线的位移显示恒星的视向速度，远离银河系的恒星发射的光线频率变低，即移向光谱的红端，称为红移，恒星离开银河系的速度越快红移越大.

2 射电天文望远镜

学习大学物理经典电磁理论之后，学生了解到电磁波的波长范围很广，按照波长由长到短依次为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线，可见光只是电磁波谱中很窄的一段.射电天文学通过观测天体的无线电波来研究天文现象.由于无线电波可以穿过光波通不过的尘雾，射电天文观测成为光学天文观测之外的一种探测宇宙的重要窗口.

我国正在建造的500 m口径球面射电望远镜（FAST），是采用中国科学家独创设计，利用贵州喀斯特地形条件和极端安静的电波环境建造的射电天文望远镜.FAST建成以后将成为世界上最大的单口径射电天文望远镜，预计在未来20-30年内保持世界领先地位.正在筹建的新疆110 m射电望远镜（QTT），是口径为110 m全方位可转动射电望远镜.该项目建成后，将与美国的100×110 mGBT（Green Bank Tele⁃scope）、德国的埃费尔斯贝格（Effelsberg）100 m射电望远镜并列成为世界最大的地面可动射电望远镜.

在大学物理课堂上，利用多媒体教学方式介绍中国这些代表世界先进水平的天文大项目，学生的民族自豪感油然而生，极大地增强学习科学文化知识的积极性和主动性.射电天文观测得到的很多研究成果（比如关于中子星的相关物理知识）也可以在大学物理课堂上结合相应知识点加以介绍，能拓展学生知识面，活跃课堂气氛，提高教学效果.

国际单位制中以非常稳定的原子时定义的s作为时间的标准单位.在大学物理教学中可以给学生介绍，宇宙中也有相当精准的时钟——脉冲星.脉冲星是高速自转的强磁场中子星，不停地发出无线电脉冲［9］.研究发现，脉冲星的两个脉冲之间的间隔十分稳定，特别是毫秒脉冲星（自转周期在1-30毫秒范围内的脉冲星），其准确度与原子钟相媲美［10］.那么，脉冲星的自转周期为什么如此短，甚至达到毫秒量级呢？角动量守恒定律的学习可以帮助学生解决这一问题.根据恒星演化理论，中子星是大质量恒星演化晚期超新星爆发后中心核塌缩的产物.如果假设恒星为质量均匀分布的球体，则其转动惯量J与恒星半径的平方成正比.在塌缩过程中，恒星系统角动量守恒，即Jω=恒量，其中ω为恒星自转角速度.因此塌缩后形成的中子星很容易可以获得极高的自转速度，自转周期甚至能够达到毫秒量级.另外，关于自然界中的磁场，中子星也是首屈一指的，其磁场一般高达108到109特斯拉，而太阳表面的磁场约为10-2特斯拉，地球磁场约为10-5特斯拉.

3 中国的深空探测计划

深空探测是21世纪人类航天活动的一大热点，是指对月球及月球以外的天体或空间开展的探测活动.深空探测能力是衡量一个国家综合国力和科技水平的重要标志.2004年1月，中国的探月计划——“嫦娥工程”正式立项.月球探测的开展，标志着我国迈出深空探测的第一步.火星将是我国深空探测的第二颗星球.中国与俄罗斯合作共同探索火星.2011年11月中国火星探测计划中的第一颗火星探测器与俄罗斯的采样返回探测器一起发射升空.遗憾的是，探测器变轨失败.尽管在深空探测方面中国迈出可喜的第一步，但是未来的深空探测任重而道远.

在大学物理教学中，可以在讲解宇宙速度时给学生介绍运载火箭的发射，或者在学习万有引力定律及能量守恒和转化等知识点时引入以上深空探测项目的介绍.此外，如果条件允许，还可以做相关的专题报告.例如2014年5月，中国月球探测工程首席科学家欧阳自远院士来到新疆大学，为广大师生做了题为《中国的探月梦》的报告.欧阳院士的报告引起强烈反响，满足了学生求知欲望，增强了民族凝聚力，激发了学生学习科学的热情.

综上所述，在大学物理教学中，借助多媒体教学方式穿插介绍中国天文大项目相关资料及研究成果，能起到很好的教学效果，拓展学生知识面，激发学生学习兴趣，培养其进行科学研究的探索精神和创新意识.

［1］中央教育科学研究所比较教育研究中心.世界教育发展的新趋势［J］.比较教育研究，2002，7：7-12.

［2］陈文聪，刘伟民.大学物理教学与现代天体物理的有机结合［J］.大学物理，2008，27（12）：57-59.

［3］雷卫华.在大学物理教学中结合天文学的教学尝试［J］.教育教学论坛，2013，41：72-73.

［4］王绶琯. 天文学的基本性质与发展规律［J］. 邯郸学院学报，2007，17（3）：6-13.

［5］王绶琯.LAMOST之旅［J］. 邯郸学院学报，2007，17（3）：14-18.

［6］马文蔚，周雨青，解希顺.物理学教程［M］.2版.北京：高等教育出版社，2006：210-213.

［7］HILLS J G.Hyper-velocity and tidal stars from binaries disrupted by a massive Galactic black hole［J］.Nature，1988，331：687-689.

［8］ZHENG Zheng，CARLIN J L，BEERS T C，et al.The first hypervelocity star from the LAMOST survey［J］.The Astrophysi⁃cal Journal Letters，2014，785（2）：23-27.

［9］RUDERMAN M A，SUTHERLAND P G.Theory of pulsars-Polar caps，sparks，and coherent microwave radiation［J］.As⁃trophysical Journal，1975，196：51-72.

［10］MATSAKIS D N，TAYLOR J H，EUBANKS T M.A statistic for describing pulsar and clock stabilities［J］.Astronomy and Astrophysics，1997，326：924-928.