渗透物理学史 突出探究过程

陶聪燕��

1引入

物理是一门令许多高中生望而却步的学科，其主要原因在于教科书只写出理论推导的定理和实验探究的定律，隐去了物理学数千年的发生和发展过程.学生不容易了解它的过去和未来，只看成一堆概念和公式，虽然客观正确，但枯燥僵硬.大多物理教学则是精讲多练，把重点放在公式的讲解和练习上，表面上清晰利落的手法，让学生看到的只是技巧的堆砌和逻辑游戏.

物理学并不是一个天衣无缝的完整体系.那些看似令人生畏的概念、公式，并不是轻而易举取得的，都是经过不断变化而成长过来的，其间充满了科学家有声有色的鲜活经历.在教学中有机穿插这些学史，将规律公式的产生、发展、演变过程暴露在学生面前，可以消除学生对物理的神秘感.不仅使学生得到知识，深刻了解科学探究的方法和过程，更能感受科学家严谨的科学态度和不屈不挠、坚持真理的意志品质.这样的课堂拉近了物理与学生之间的距離，是学生感兴趣的，其效果是事半功倍的.2结合“光的反射定律”，渗透学史教育

目前学史教育较为普遍的实践教学都是写入教材的一些经典案例，如牛顿第一定律、行星的运动等.而闭合电路欧姆定律、光的反射和折射等没有写入教材的则很少被开发.在“光的反射和折射”教材中，仅仅出现了“直到1621年，荷兰数学家斯涅耳在分析了大量数据……”，一句带过，留给学生一笔糊涂账.科学史上对于光折射规律的研究是漫长的.所面临的困难和科学家的探究精神是情感教育的关键.下面就以学史在“光的折射定律”教学实践为例，着重定量研究光的折射规律.

2.1设计实验，获得数据

如图1所示，以激光为光源，以空气和半圆形玻璃砖两种介质使光线发生折射，并用量角器量取角度.为了能够得到精确的数据，做了10组实验，其入射角分别为50、100、150、200、250、300、400、500、600、700.要求一半学生用量角器量出入射角为0～25°之间对应的折射角，另一半学生测量入射角为30°～70°之间的折射角，如图2所示，测量结果保留1位小数，填入表1.

2.2提出问题，渗透学史

excel处理1：作出0～25°入射角与折射角的关系

如图3所示，折射角与入射角的图象大致是一条直线，可以得出初步结论：折射角与入射角成正比.学史引入：今天我们利用精确量角器量取数据，利用excel快速的得到正比图象，然而早在2000多年前古希腊天文学家、地理学家和光学家托勒密用当时的仪器，就已经获得这部分数据，得出这个结论.

质疑：这个结论就正确了吗？少量的实验数据无法说明普遍的规律！让我们扩大范围，把另一半同学测量的数据放进去再作检验.

excel处理2：作出所有入射角与折射角的关系

如图4所示，不是直线却又接近直线，用一根直线进行对比，可以发现当入射角较小时符合直线，角度较大时明显不是直线，而且角度越大偏离越大.学史引入：我们必须用一根标准的直线进行对比才能发现这条规律线与直线偏离多少，所以在公元二世纪时托勒密所做的规律线很难体现与直线的区别，从而误导了伟大的托勒密.而发现这一误区的是德国天文学家开普勒，他指出：折射角由两部分组成，一部分正比于入射角，另一部分其正割正比于入射角的正割.所谓“正割”是指在单位圆里圆心角θ的对边d，如图5所示.

开普勒解决了入射角较大时折射角与入射角的关系，更重要的是他给我们带来了思维的转换，当我们很难从角度得出规律时，转而研究角度的对边，角度的对边与角度有着相同的定性规律，由此用对边的定量规律来反映角度的规律.

质疑：看来折射角与入射角之间的关系是比较复杂的.能够将小角度的折射和大角度的折射统一起来吗？折射角与入射角之间是否存在简单的关系？对于自然界，我们有一个坚定的信念，我们相信，自然界是简单的，自然界的规律也是简单的.对于折射现象，一定有一个更为隐蔽的简单关系存在.这个关系是什么呢？是拿前面的角度正比关系统一整段还是以后面正割对比关系统一整段？显然整段的角度正比关系是不成立的，那么整段的正割对比关系成立吗？我们需要验证、需要实验数据.

根据数学知识，在图5中，正割d2与d1是不是成正比，实质上就是sinθ2与sinθ1是不是成正比.将表1的角度转为角度的正弦，如表2.

excel处理3：作sinθ1-sinθ2图象，如图6所示.

得出结论：折射角的正弦值与入射角的正弦值成正比.由此可见，当入射角比较小时折射角与它的关系并不是正比关系，是一条无限接近直线的曲线，我们可以由角度和角度正弦值数据表3中发现理由：

当角度较小时，角度递增的倍数与其正弦值递增倍数非常相近，因此出现一条非常接近直线的曲线；随着角度的增加，正弦值递增的趋势越来越慢，导致后面出现一条越来越偏离直线的曲线.

学史引入：在科学研究过程中，若能抓住微小的偏差，有时能够发现重大的规律，而历史上发现这么微小偏差的是荷兰物理学家斯涅儿.继开普勒之后，我们所进行的规律探索都是源于斯涅儿的贡献，他发现了微小的偏差，将分段规律进行统一，得到现在的折射定律.折射光线与入射光线、法线处于同一平面内；折射光线和入射光线分别位于法线两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比.

为了引出托勒密的结论，数据首先是采用角度较小部分进行作图，然而这里必须指出，伟大的托勒密肯定不是从少量数据得到结论，他是进行大量的实验和数据采集，由于当时仪器的粗糙，一条非常接近于直线的曲线误导了他.利用一条直线进行对比，非常明显的展示出与直线的区别.开普勒研究过程中最珍贵之处在于思维的转换，用角度的正割关系表示角度关系.然而科学研究继续的原因是科学家本着规律统一的信念进行不断的探索，最终由斯涅儿发现了其中非常微小的差异，统一了规律.

2.3概括归纳，建立概念

数学处理：给出角度正弦正比关系的函数表达式

sinθ2=ksinθ1，即sinθ1sinθ2=1k

当光在同种均匀介质中传播时，两只角度相等；当光线发生折射时，偏折越厉害，两只角度相差越大，比值1k越大.因此该比值反映光线从真空到某种介质的偏折程度，比值越大，偏折越厉害，我们定义该比值为这种介质的折射率，符号n，即

n=sinθ1sinθ2

θ1表示光线在空气中与法线的夹角，θ2表光线在某种介质中与法线的夹角，n表示该介质的折射率.

3结束语

这节课是我将物理学史与规律讲解相结合的一次尝试，在探究过程中有机穿插学史教育，意在突出科学规律探究的艰辛和曲折.按照科学史的发展，还原规律发展过程，展现每一次的成功和不足，一步一步由最初的角度正比得到现在角度正弦值正比的演变.当然对于这里的学史仍存有两点疑惑：（1）托勒密为什么没有去测量大角度关系？（2）开普勒既然用“正割”来解释大角度关系，为什么没有进一步解释小角度？不管怎样，合理的穿插学史教育可以让学生见证一个规律的成长过程，通过案例认识“真实”的物理.从中可以学习科学家们对于探究的执着，他们在遇到问题时会做怎样的思考，会提出怎样的质疑，会通过什么样的途径去解决自己的疑问.当然，更多的案例还需要我们教师在实践中不断地开发.