葫芦岛市初中物理教师学科专业素养三级培训

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1、33葫芦岛市初中物理教师学科专业素养三级培训模块二学科知识与技能（三）———物理学的进展和前沿葫芦岛市七中刘杰一、物理学实验的一场革命物理学作为一门科学，它的形成和发展是近四五百年的事，但是物理知识的形成可以追溯到人类文明之初。从早期人类社会的遗迹中，已经出现人类所形成的对物质运动认识具有最初的、不成系统的知识。随着生产的发展，社会的进步，物理知识逐步系统化、科学化，逐渐成为一门精密的科学。物理学研究的物质结构、运动及其规律的普遍性，是各门自然科学的基础，也是各门技术科学的基础。因此，我们不但要知道物理学的今天，

2、也应了解物理学的过去，还要预测物理学发展的将来。搞清一些物理学的概念、定律、理论、研究方法的来龙去脉，提高我们理解物理学的深度和广度，这对从事物理教学更为重要，也才能使我们的教育对象—学生更清晰地懂得物理学是如何发展的，物理学是如何探索大自然奥秘的，遇到问题应该怎样考虑去解决它，从而使学生逐步提高认识自然、改造自然的能力。首先,我们来了解一下19世纪—20世纪的一场物理学实验上的革命。到十九世纪以后，自然科学在收集大量科学材料的基础上，通过整理，分门别类的研究，使它的各门科学得到发展，物理学也不例外。在伽利略、牛

3、顿建立的经典力学的基础上，物理学的各门学科都得到发展。经过长达百年之久的争辨，对光的本性有了新的认识，光的波动说获得胜利，从而物理光学很快发展。经过好几个国家六七位科学家的努力，建立了能量守恒和转化定律，随之又诞生了热力学第二定律，使热学、分子物理学得到发展。经过奥斯特、法拉第等人的研究，使人们知道电和磁有密切联系，在一定的条件下可以相互转化，使电磁理论更加完善，使一些学者认为电磁理论是无懈可击的。面对物理学取得如此辉煌的成就，不少物理学家除了赞叹，还流露满足的无所作为的情感。著名德国物理学家基尔霍夫曾表示：“物

4、理学将无所作为了，至多只能在已知规律的公式的小数点后面加上几个数字罢了。”作为二十世纪量子物理学奠基人之一的普朗克曾向他的老师请教，进大学后学什么，是否还学物理学？他的老师挺有把握地表示：物理学将会很快地具备自己终极的稳定形式；虽然在这个或那个角落里，还可能发觉到或消除掉一粒尘土或一个小气泡，但作为整体的体系却足够牢固可靠了。理论物理学已明显地接近几何学100年来已经具有的那种完善程度。在刚刚跨入20世纪的第一天，英国著名的物理学家开尔文勋爵在《元旦献词》中也曾经说过：“在已经建成的科学大厦中，后辈物理学家只能做

5、一些零碎的修补工作了。”与众不同的是他又敏锐地发现，在物理学晴朗的天空里，还有两朵小小的令人不安的乌云。这两朵乌云指什么呢？为什么它们会引起这样著名的物理学家的不安呢？要回答这个问题，我们必须追溯一下历史。物理学进入19世纪80年代以后，与物理学经典理论不断完善的同时，物理学实验上却不断地发现一些重大的实验结果。正是这些重大的实验结果，使已有的物理学理论陷入困境，并显得无能为力。这些实验中间，至少有七个重大发现，不但旧理论无法解释，有的还导致观念上的更新。首先是1887年赫兹在验证麦克斯韦预言电磁波存在的实验中发

6、现光电效应。德国物理学家赫兹在研究电磁波发射和接收的实验中，当使发生火花的间隙产生的光与接收间隙隔绝时，接收间隙必须缩小，才能使它发生火花。赫兹进一步研究时发现，这一现象中起作用的是光的紫外部分。当这种光射到间隙的负电极时，作用最强，这表明紫外光照射负电极，负电极更容易放电。用其他的光照射时没有这种现象。按照经典理论从金属表面放电的强弱与光的强度有关，而没有提到与光的频率有关。赫兹无法解释这一矛盾，但是他仍以《论紫外光对放电现象的效应》为题发表自己的研究成果，描述了这一现象，向经典物理学理论发起了挑战。其次是18

7、87年的迈克耳逊—莫雷实验。19世纪初，经过托马斯·33杨和菲涅耳的研究，使光的波动说重新辉煌。但是根据经典力学的观点，认为波的传播必须要有介质。既然光是波，那么它也要通过某种介质才能传播。当时人们普遍认为由以太来传播光，并想利用各种方法检验以太的存在，确定它的属性。到80年代，根据天文学和物理学的知识，科学家们画出这样一幅图景：以太充满整个太阳系，地球在以太的海洋中运动，但又认为地球在这个以太海洋中运动不会扰乱以太原有的分布。基于这一物理图景，人们就希望利用实验测定地球相对于以太运动的速度，这就是我们通常所说的

8、以太漂移速度。美国物理学家迈克耳逊从1880年起研究这个课题。他设计和利用干涉仪来测量以太的漂移，以检验以太的存在。那时他提出一种设想，试图通过比较光在直射时的路径来发现地球相对以太的运动。当时他也意识到保持干涉仪的恒温将是一个主要的困难。后来他和美国化学家莫雷合作，继续研究这个问题。经过几年努力，于1887年12月发表《论地球运动和传光的以太》的论文，宣布得到否定结论的