不可忽视基本物理常数的教学

　　不可忽视基本物理常数的教学
　　
　　作者/王朝辉
　　
　　摘 要：基本物理常数具有不可忽视的教育价值，重视基本物理常数的教学有助于学生对物理知识的理解，更能让学生受到科学方法的熏陶，扩大视野，对培养学生的科学素养、综合能力起到积极的推动作用。
　　
　　关键词：基本物理常数；教学；教育价值
　　
　　高中物理中会出现一些被称为“常数”的特殊数值，这些特殊数值所表示的物理量是科学家在科学探究过程中发现的自然恒量。基本物理常数在物理学的发展史上起着极其重要的作用，不论是理论的建立，还是实验的验证，甚至到单位制的确立都与基本物理常数有关。因此，重视对基本物理常数的教学，让学生在物理学习中感受到物理常数的魅力，将有助于对物理学的过去、现在和将来的认识，更能让学生受到科学方法的熏陶，扩大视野，提高学生的科学素养。
　　
　　一、基本物理常数的教育价值
　　
　　基本物理常数是物理领域中与具体物质特性无关的一些普适常数。最基本的有真空中光速с、引力常量G、普朗克常数h、基本电荷e、电子静止质量me和阿伏伽德罗常数NA等。基本物理常数大约有25个，加上其组合量则有40～50个，它们之间有着深刻的联系，并不是彼此独立的。
　　
　　1.基本物理常数的内在价值
　　
　　一些重大物理现象的发现和物理理论的创立，常常同基本物理常数的发现或准确测定有着密切的联系。例如，电子的发现是通过对电子的荷质比e/m的测定获得的；普朗克建立量子论的同时，发现了普朗克常数。基本物理常数定量描绘和反映了客观世界的基本性质和特征，决定了物质结构的层次，为不同领域的区分提供了定量的标准。基本物理常数的测定和精度提高经历了漫长而艰辛的历史时期，生动地反映了测量技术和测量方法的发展和人类创造力的提升。
　　
　　2.基本物理常数的人文价值
　　
　　每一个基本物理常数的发现都标志着人类在物理学领域又前进了一步，正所谓：“一花一世界，一叶一菩提。”例如，万有引力常数G、光速c、普朗克常数h这三个基本物理常数可以分别标志近代物理学史三个时代的特征。第一个时代以牛顿的动力学为主线，可以用万有引力常数G来标志这一时代的特征；第二个时代以麦克斯韦的电动力学为主线，可以用光速c来标志这一时代的特征；第三个时代以狄拉克的量子电动力学为主线，可以用普朗克常数h来标志这一时代的特征。基本物理常数不仅能帮助学生从物理学史的角度更深刻地理解物理知识的传承和发展，还能在科学家对其求真、求准的过程中了解科学家的科学态度和人文精神，激发学习热情，对学生情感、态度与价值观的培养有着积极的推动作用。
　　
　　3.基本物理常数的哲学意义
　　
　　基本物理常数中蕴含着普遍联系的思想。例如，万有引力常数G，使得天地间引力归于一式，阿伏伽德罗常数则架起了宏观物理量和微观物理量的桥梁。再如，光的电磁波学说，通过光速c这个桥梁，把原先彼此孤立的光、电、磁理论统一起来，并反映三者之间深刻的联系。普朗克常数h将微粒的粒子性（能量、动量）和波动性（频率、波长）联系起来，即E=hv，p=h/λ。基本物理常数往往是物理框架中的重要关节点，这些关节点就是事物保持自身质的限度和幅度的临界点，即事物的度。因此，基本物理常数还折射了量变和质变的思想。基本物理常数包含的唯物辩证法思想内容还有：稳定与变化、连续与不连续、部分与整体、微观与宏观、有限与无限等。
　　
　　二、如何进行基本物理常数的教学
　　
　　基本物理常数不仅是物理规律、物理本质的深刻揭示，更是创造性思维的集中反映。然而在应试背景下的教学中却易受忽视，往往只讲数值和单位，匆匆而过。基本物理常数的提出、测量、意义及背后隐含的物理思想和物理学史基本都忽略了，这不仅影响了学生对基本物理常数的基础地位和作用的认识，也降低了课堂教学的趣味性，制约了学生的综合能力发展。
　　
　　1.基本物理常数的“5W”教学法
　　
　　对于一个基本物理常数的教学，一般要解决五个问题：（1）What？就是要明确这个常数的大小、单位、特征、意义及作用。（2）Why？为什么要引入这个常数，即引入的历史背景和动因。引入这个常数给物理学的发展带来怎样的变化。（3）When？即要说明为什么在这个时候出现？有没有历史的必然性？（4）Who？分析物理学家的特点，他的生平及成功要素。为什么会作出这个成果？（5）How？即要说明物理学家怎样确立基本物理常数，包括所经的曲折和奋斗历程
　　
　　以及从中可以得到的启示。
　　
　　2.基本物理常数的教学要点
　　
　　（1）展现创造性特征，让学生敢于“异想天开”
　　
　　人们通常认为违背“常规”就是荒谬的，其实不然。历史上几乎所有有关基本物理常数的科学突破，都是在正常和反常的相互转化中实现的。例如，h最早是普朗克在推导黑体辐射公式时引进的，普朗克最初对此也深感不安，认为自己是错误的。后来爱因斯坦运用量子的观点和常数h，很好地解释了光电效应。接着玻尔又把量子论假说应用于卢瑟福的原子模型，很好地解释了氢原子光谱的实验规律。量子论的成就一个接着一个，凡是用到量子论的地方就出现h，这时人们开始认识到，普朗克引进的这个常数非同寻常，它反映了自然界的一种不连续性，即能量辐射的量子性。
　　
　　（2）结合物理学史提炼科学轨迹，让学生感受常数探索的“高难性”和“曲折性”
　　
　　确定基本物理常数的恒常性或建立基本物理常数的解释理论并不容易。主要原因有：①获得难。具体表现在测量难和精确测量难。②解释难。阿佛伽德罗最初提出阿佛伽德罗分子假说时，也不知道NA究竟有多大，所以并没有得到科学界的承认。要准确地量度出阿伏伽德罗常量的值，需要在宏观和微观尺度下，用同一个单位，去量度同一个物理量，这样做在早年并不可行。直到1910年，密立根成功测量到一个电子的电荷，才借助单个电子的电荷来做到微观量度。把一摩尔电子的电荷，除以单个电子的电荷，可得阿伏伽德罗常数。随着X射线晶体学运用，NA测量更加精确，1971年摩尔成为国际单位制基本单位。
　　
　　（3）了解基本物理常数的著名测定实验，让学生体会物理实验的“美”与“妙”
　　
　　在基本物理常数教学中，结合教学内容介绍一些著名物理实验具有重大意义。要说明实验的背景、条件、手段、方法和过程，要阐明这些著名实验的设计思想和研究处理问题的方法、实验与理
　　
　　论的关系以及实验所做出的重大历史贡献。如，对卡文迪许扭秤和库仑扭秤的比较分析使学生认识到物理实验是物理实践活动的最重要手段，深切感受实验设计的创造性，体会物理学习的最高境界。
　　
　　（4）介绍基本物理常数的最新研究成果，拓宽视野，让学生看到物理学的发展
　　
　　现代利用精确测定的NA可将宏观意义上的质量单位定义在微观粒子的质量上，这种定义方式具有稳定性和恒定性，符合基本单位的重新定义方向。例如，新的千克定义可描述为：“千克是质量单位，处于基态的碳12原子静止质量的{NA}倍/0.012为1千克，其中碳12原子的摩尔质量准确等于12g/mol。”常数“不常”的观点如果被证明是正确的，会给当前物理学前沿带来怎样的冲击？这一类问题能较好打开学生的思路，锻炼学生的思辨能力。
　　
　　通过人类探索基本物理常数的历史，可以看出：基本物理常数的测定是随着科学技术的发展，特别是物理学的发展而发展的，反过来，由于这些常数在测定上的日益精确，也促进了科学技术特别是物理学的迅速发展。如果在教学中，将基本物理学常数的发现、测定和物理学家的思想、个人品质、贡献这些丰富的史料有机地融合在一起，对学生进行教育，必将激起学生浓厚的兴趣，对培养学生的科学品质、综合素质起到积极的推动作用。
　　
　　参考文献：
　　
　　［1］杨建平，李兴鳌。基本物理常数与物理学史［J］。现代物理知识，2004（01）：19.
　　
　　［2］杜仲。关于物理常数［J］。大科技，2009（12）：44.
　　
　　［3］彭双艳。基本物理常数教学探讨［J］。高等函授学报：自然科学版，2009（04）：20-21.
　　
　　［4］郭玲。基本物理常数教学潜科学分析探索［D］。四川师范大学，2002：15-36.