学习物理学史 体会科学精神

金祎 郑卫峰

摘   要：将牛顿分解太阳光这一历史引入初中物理“光的色散”教学中，旨在引导学生通过对实验过程的学习，体会物理学科中的合作、质疑和探索等科学精神。在教材原有实验的基础上，增加了两个探究实验即“两个相同三棱镜是否能还原白光”和“比较不同色光的折射率”，体现了以学生为实验的主体，激发学生学习物理的兴趣，培养科学思维，提高探究能力。

关键词：牛顿;物理学史;科学精神;光的色散

引言

2011 版《全日制义务教育物理课程标准》提出：义务教育的物理课程，不仅要求学生具有物理知识和技能，实验探究能力，还要受到科学精神的熏陶，提高科学素质[ 1 ]。

在日常教学中，教师往往更加在意学生学习物理知识的能力，而忽略学生科学精神的培养。科学精神是人们通过长期的科学实践活动形成的共同信念和价值准则，它涵盖了合作精神、探索精神、求真务实精神、质疑精神等等。在物理教学中适当引入物理学史，能够鼓励学生向物理学家学习，从而培养学生相信科学，崇尚科学的态度和责任感，达到培养学生科学精神的目的[ 2 ]。本文在“光的色散”教学中通过对牛顿分解太阳光这一实验的学习，让学生体会牛顿坚持不懈的探索精神，既能开拓视野，又提高解决问题的能力并发现物理的魅力所在。

1  “光的色散”教学内容分析

在“光的色散”一节中色散实验由以下几部分组成（1）探究实验：让太阳光通过带狭缝的挡光板照射到三棱镜上，用白色的光屏呈接出射的光。（2）观察现象：白色

的太阳光通过三棱镜后，在光屏上形成了一条彩色的光带，由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色组成。（3）得出结论：白光是由各种色光混合而成的。此实验过程相对简单，在教学中若仅限于观察实验现象，不能有效体现“培养学生的核心素养”。因此在实验教学设计的过程中，结合牛顿分解太阳光这一物理学史，让学生感受实验过程中体现的探索精神，质疑精神等。通过实验探究充分锻炼学生分析推理和解决问题的能力，形成正确的物理观念、持之以恒的科学态度和责任感。

2  追随牛顿脚步，培养科学精神

2.1  了解先人思想，体会科学精神

在实验探究之前，教师通过介绍物理学家和哲学家们对光的思考，吸引学生的学习兴趣，为接下来的教学内容做好铺垫。教师以时间为轴简要介绍光的历史，引出牛顿分解太阳光的实验：古希腊哲学家柏拉图认为光束是从眼睛发射出来的，而他的学生亚里士多德却不同意这种观点，他认为颜色是通过白色和黑色混合得到的，不同的颜色是由于黑色，白色的混合比例不同。1637 年法國科学家笛卡尔在《屈光学》中解释道：以太颗粒的旋转产生了不同的颜色，以太转的越快，颜色越红。而笛卡尔的后辈胡克认为：白光是最基本的颜色，其他颜色都是在白光基础上的偏离。牛顿经过不断的探索研究，对前人的解释提出怀疑，他终于在1666 年成功通过棱镜分解太阳光的实验证明了光的本质，他所做的“棱镜分解太阳光”实验被后人称为最美的十大物理实验之一[ 3 ]。牛顿面对前人的结论大胆质疑不断实践，他的探索精神，质疑精神，以及求真务实的精神能够对学生的实验探究产生积极影响。

2.2  探究白光本质，培养合作精神

教师先介绍牛顿分解太阳光的实验过程[ 4 ]，即在窗上切一个圆形小孔，让太阳光通过小孔入射进来，并透过棱镜投射到房间另一边的墙上，现象是在墙上出现了蓝色、绿色、黄色、橙色、红色等颜色;再组织学生以小组的形式，利用三棱镜分解太阳光。学生通过预习受到牛顿所做实验的启发，能够想到直接用太阳光照射三棱镜和用手电筒代替太阳光这两种方式获取现象和结论。在小组活动中，学生能够各司其职，互相配合并得出结论：白光可以分解为不同颜色的单色光。

此实验是书中原有的实验，较为简单，适合学生进行自主探究。教师组织学生以小组的形式进行，可以培养学生的合作精神。

通过分组实验，学生能够积极表达自己，提高交流能力，学会乐于分享，提高实验效率。

2.3  尝试还原白光，培养质疑精神

在以往的教学中，教师直接告诉学生“两个相同的三棱镜不能还原白光”，然而学生对这一结论持怀疑态度，甚至觉得“两个相同的三棱镜可以还原白光”。针对这一

问题，设计实验探究二，引导学生先进行猜想，再带着疑问进行自主探究。学生使光束通过一块棱镜发生色散，并让第二块棱镜相对第一块倒置，位置关系如图1 所示。观察到的现象为：两块相同的三棱镜并没有还原白光，从第二块三棱镜出射的是平行的七种单色光。为了帮助学生理解，教师可以将两个三棱镜靠在一起，这样就可以看成一块玻璃砖。引导学生回顾所学知识，当单色光进入玻璃砖时，出射光线是平行于入射光线的。白光是由七种单色光组成，因此当白光进入玻璃砖时，出射光线应由七种不同颜色的单色光组成，且这七种单色光都平行于入射的白光。或者带领学生根据光的折射定律能画出如图2 的光路图，得出相同的结论[ 5 ]。

学生明白“两个相同的三棱镜不能还原白光”之后，再带领学生了解牛顿是如何还原白光的。如图3 所示，牛顿先用一棱镜将白光束分解为光谱，再使光谱通过另一个顶角较大的倒置棱镜。他猜想，由于第二个棱镜顶角较大，使不同色光的偏折大于第一个棱镜，所以不同色光又会在第二个棱镜后面的某一区域交汇，实验现象与预想的完全一致。

本实验设计旨在引发学生的认知冲突，通过动手实践，培养发散思维和质疑精神。在实验教学中，教师应给学生足够的空间思考和怀疑，不否定学生的想法，为学生提供帮助，鼓励学生去动手验证想法的准确性。在学生亲自验证“两个相同三棱镜不能还原白光”之后，引入牛顿还原白光的实验，消除学生心中的困惑，激发学生继续探索的欲望。怀疑是探究的开始，培养学生的怀疑精神，有利于发展学生个性，提高学生科学思维能力。

2.4  比较不同色光折射程度，培养探索精神

教师先介绍牛顿测定不同色光折射率的实验过程，为学生的自主探究提供新思路。牛顿让光束从窗外进入，经过一个棱镜，穿过房间，让光投射到一块木板上。牛顿在木板上钻了一个小孔，通過调节棱镜，让彩色光依次通过小孔，再透过第二块棱镜后，再投射到墙上，实验证明了从光谱末端的红光开始，光的偏折程度依次少量增加[ 6 ]。

教师随后抛出问题：“如何利用现有器材比较不同色光的折射程度？”学生能够想到利用红色激光笔和绿色激光笔做实验，光路如图4 和图5，让两只激光笔分别以相同

的角度照射三棱镜。实验比较两种光从三棱镜出射的偏折程度，绿光偏折程度更大，即绿光折射能力比红光强。教师也可以让学生在课后找寻多种方法继续探究不同色光的折射程度，培养学生科学探究的能力和探索精神。

牛顿在测七种光的折射率的过程中不断实践和改进，最终达到实验目的，这种探索精神值得学生学习。学生通过了解牛顿的实验过程，能够发散思维，根据已有器材进行探究实验。在不断尝试的过程中，得到科学规律，培养探索精神。

3  总结与反思

在“光的色散”实验教学中，引入牛顿分解太阳光的实验过程是有意义的，原因如下：（1）牛顿是学生最熟悉的物理学家之一，引入牛顿进行的实验，可以激发学生探究学习的欲望;（2）在分解太阳光的过程中他利用了最简单的器材和最直接的实验手段，操作简洁，现象直观，适合学生进行实验探究;（3）面对其他人对光的本质的探讨，牛顿坚持自我，不断尝试，体现的科学精神值得学生学习，并能对日后的物理学习产生积极影响。

在传统的物理实验教学中，教师往往更倾向于学生对实验所得规律和结果的掌握，而忽略对学生科学精神的培养。将物理学史带进实验课堂，学生可以从物理学家们的实验过程中提升思维逻辑，加强团队合作能力，怀有质疑态度，通过探索得出结论，提升科学精神。

参考文献：

[1] 刘世兴，佟辛妤，花巍，等.在“课程思政”思想指导下的物理学史教学探讨[J].辽宁大学学报（自然科学版），2021，48（1）：92-96.

[2] 陈懋.基于科学精神培养的初中物理教学实践与探索[J].中学物理教学参考，2020，49（16）：13-16.

[3] 季卫新，陈栋.“光的色散”国内外研究历史综述[J].中学物理教学参考，2019，48（12）：50-55.

[4] 牛顿.光学—— 关于光的反射、折射、拐折和颜色的论文[M]. 周岳明，舒幼生，邢峰，等，译.北京：科学普及出版社，1988.

[5] 王智勇.教材对牛顿光的色散实验的误读[J].中学物理，2013，31（24）：41-42.

[6] 蒋丽艳.渗透物理学史的“光的色散”教学设计[J]. 物理通报，2021（4）：156-158.