带着物理大师走向学生

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  漫长的科学史长河中,耳熟能详之物理学家,璀若群星。其中有一些天生拥有高贵血统,而也有一些出身低微。我总感觉在初中物理的视野中,法拉第蛮拼的,是特别值得点赞的。如果能够带着他走向学生,那必定也是一件益事。
  历史中的法拉第
   迈克尔·法拉第,英国科学家。1791年9月22日生。1813年跟随大科学家戴维;1816年发表第一篇学术论文;1821年发明了历史上第一台电动机;1823年发现了加压液化二氧化碳等气体的 方法;1825年发现了苯;1831年发现电磁感应现象,随后就发明了世界上第一台发电机;1832年提出电与磁的传播需要时间;1834年发现自感现象;1845年发现磁的旋光效应;1851年正式发表《论磁力线》。其中,1824年被选为皇家学会会员,1825年被任命为皇家研究院实验室主任。
   童年法拉第刚刚学会了读书和写字后便失学了,1805年成为印刷厂的装订工,使得他有大量的机会翻阅所装订的书籍,1812年当他有机会听戴维的演讲时,他发现自己竟然全部得得懂。法拉第有着出色的实验天才,因此被誉为19世纪最伟大的实验科学家!19世纪40年代后,法拉第名声大振,但他对金钱与荣誉不屑一顾,在婉拒了皇家学会会长的职务和封给他的爵位之时,却将大量热情投入到给普通群众主办通俗科学讲座上,他希望科学能像当年他心中引起崇高的理想那样教育下一代年轻人。
   1867年8月25日,法拉第与世长辞。根据他的生前要求,葬礼尽量简朴,不立纪念碑。42年的科研生涯中,他坚持每天做实验情况记录,1932年,为了纪念他发现电磁感应100周年,这些日记结集出版,共七卷,3236页。(《科学的历程》(第二版,吴国盛著,清华大学出版社。)
  课堂上的法拉第
   在物态变化中经受过无数次沐泽的学生一定不知道,除了肉眼可见的物质之外,还有一种特殊的物质——场,它特殊就特殊在不具有物质常见的三态,更特殊在其根本就看不见、摸不着,我们却又身处其中。这样一种神奇的物质,是怎样被发现的呢?这当中有一段精彩的历史!
   众所周知的是,大科学家牛顿(1643.1 -1727.3)以万有引力定律而一举奠定经典力学的始祖地位,他(包括后来的安培等人)认为像天体这种不相互接触,但也能有力的作用的物体之间在发生相互作用的时候,既不需要时间,也不需要介质,即所谓的“超距作用”。但法拉第对此观点表示反对,其认为即使像天体、电荷、磁体之间的相互作用也是需要物质来传递的,只是他遇到的困难是证实这种物质的存在并描述之。
   仅仅着眼于磁场概念的讲授,那磁场被发现的这段精彩历史是无法呈现在学生面前的!可如果生硬地讲授历史,那学生也只能是一种机械的接受。怎样将历史镶嵌到教学中呢?几番琢磨之后,笔者的课堂上出现了一段形如“穿越”的讲授。
   第一阶段:两种观点及持有者的简单介绍。
   师:关于磁体与磁体之间不接触为什么能产生力的作用,今天我们非常感兴趣,历史上感兴趣的人也很多。三百多年前,人们发现除了磁与磁之间,天体与天体之间发生力的作用也不需要相互接触,人们还发现了摩擦过的物体吸引轻小的羽毛时也不需要相互接触。对于这些现象,以大科学家牛顿为首的一部分人认为,这些物体与物体之间发生的力的作用不需要时间,立即就能发生,且不需要媒介传递。牛顿当时是科学明星啊,是大腕儿!他这么一说,人们觉得有道理,很多人都附和他的观点,这一观点就持续了几十年……(停顿,让学生思考一会儿)。
   师:有另外一个人,家境贫寒,未受过什么正规教育,叫法拉第。此人不同意牛顿的观点,直斥超距作用“荒谬”,他认为这些物体之间发生力的作用时,需要物质来传递……(停顿)。
   生存疑,师解释:的确,对于我们所看到的而言,牛顿的观点更合理,毕竟天体之间多是真空,磁体与磁体之间除了空气之外别无它物,你总不能说是空气在传递磁极间的相互作用吧……于是,两人较上劲了……
   第二阶段:“关公战秦琼”——教师分饰三个角色,并在表述时变换所站的位置:牛顿在左,法拉第在右,解说在中。
   牛顿:那个什么小法,过来过来,你说需要介质,那介质在哪儿呢?我怎么看不到?(作东张西望状。)
   法拉第:这种介质就在磁体周围。
   牛顿:在哪儿,在哪儿?(作寻找状。)
   法拉第:别找了,人眼是看不见滴!
   牛顿:那不是胡说嘛(带点夸张的口气),你可以说有,我也可以说没有,那得争论到什么时候?
   法拉第:牛哥,您别急,我有办法让它“原形毕露”,让你心服口服。
   牛顿:你弄给我看看。
   师(解说):法拉第很聪明啊,他想,要让这种物质显现出来,只有在磁体周围放上能受它作用的东西。
   【演示1】:一蹄形磁铁固定于铁架台上方,一细线一端固定在铁架台底部,另一段系一回形针,并使之接近蹄形磁铁,此时回形针在蹄磁作用下拉直细线。当在回形针与蹄磁之间的空隙处插入铁片时,回形针落下。
   法拉第:牛哥你看,我插入铁片时,回形针就掉下了,看起来是不是铁片隔断了什么——要不然回形针怎么会掉下来呢?
   牛顿(思考了片刻):对呀,如果磁体周围无物质,那就不会受铁片的影响了,看来在磁体磁体周围真的有一种物质。
   法拉第:那是当然,当铁片切入时,这种物质就被阻断了,磁体就无法吸引回形针了,所以它就掉下来了。我把这种物质叫做“磁场”。
   牛顿:可法拉第兄弟,那磁场看不见、摸不着,它到底是个什么样子呢?
   法拉第:您别急,我再来做个实验。
   【演示2】:将铁屑洒在一块玻璃上,下面放一块磁铁,轻轻敲动玻璃,于是铁屑形成一个规则的图形。    法拉第:牛顿先生你来看看,铁屑所排成的形状就是磁场的样子。
   牛顿(点点头):哈哈,妙啊!
   法拉第:我们可以根据铁屑的分布画出一条条线,我称它们“磁力线”(现称“磁感线”),你看看,磁力线密的地方正是磁性强的地方,疏的地方是磁性弱的地方,所以磁力线的疏密可以表示磁性的强弱,而在磁感线上画上箭头,就可以表示磁场的方向……
   由此,“场”作为一种抽象的概念,在学生的头脑中便形象起来。常规的教学要求在此过程中几均可得到满足。
  我心中的法拉第
   法拉第首先存在于我的心中,这得益于我是物理教师的角色,得益于我对物理学史、物理大家的关注,自然也利益于我对法拉第的敬仰——虽不能至,心向往之!几乎可以肯定地说,如果我或者像我一样站在学生面前的教师不将“课堂上的法拉第”这段“历史”放到学生面前,那在学生的心中,法拉第就只是个抽象的符号。
   之所以在历史上面加上双引号,是因为我给学生呈现的这段历史并非真的历史。但是,科学发展史上,法拉第与牛顿的观点确实是不一致的,法拉第正是在对牛顿超距作用进行判断与否定的基础上,经由自己的不懈思考,才提出“场”的概念的。因此,尽管法拉第与牛顿的对话是虚构的,所演示的实验1也并非法拉第所做,但“形非”却不影响“神似”。
   四年的教学中,笔者都给学生讲这段穿越史,学生一样地听得有滋有味,尤其是在笔者略带夸张与逼真的角色转换中,学生既有会心的笑,也有为法拉第捏把汗的紧张。尤其是当分别呈现了演示实验1之后,学生仿佛看到了磁场被铁片阻断了似的,呈现了演示实验2之后,学生更是惊讶于磁场的神奇。
   直到学生理解了磁场、磁感线之后,笔者才告诉学生:很遗憾,历史上法拉第并没有与牛顿有真正的这段对话,因为法拉第是在牛顿去世三十多年后才出生的!实验1的引入也只是老师我的“杰作”——学生此时一片惊讶声,有学生说我讲了个假故事,竟也有学生连说“可惜,可惜”!
   但我会继续说:
   故事是虚拟的,但两个人观点的对立却是真实的,事实上物理发展所取得的每一个进步,几乎都是建立在后人对前人否定的基础上,但这种历史的更迭并不会让前人的光辉有所减弱,而后人的光辉却自然能够照亮人类前行的路……
   法拉第之所以用“磁感(力)线”来描述磁场,其实是一带着一点忧伤的,因为法拉第从小家境贫寒,求学两年便退学,此后多处谋生却时刻不忘自学。因为对科学有着强烈的兴趣加上机缘巧合,他有了一次聆听大科学家戴维演讲的机会,他将戴维的演讲整理成稿并送给戴维,并附了一封自荐信,表达了想献身科学的愿望。但戴维并没有立即答应,而只是在他的助手离他而去后才想到了法拉第,遂成为其随从——但做的却多是仆人的工作,但他并不以此为意,反而庆幸自己得到了一个更加亲近科学的机会。甚至是后来戴维妒嫉其成果时,他也对戴维依然尊敬有加。正是这种堪称伟大的人格,使得法拉第赢得了科学界几乎所有人的尊敬!然而也因为小时候没有接受过系统的教育,使得他不能从数学的角度去精确地用公式描述磁场(这项工作后来由麦克斯韦完成),但他凭着自身强大的形象思维能力,借助于铁屑在磁场中的分布,天才地提出场的概念并以磁力线描述之,从而为他在电磁学中的奠基人地位打下了坚实的基础。
   对于这段讲述,学生听得认认真真!无一次例外。而每到这个时候,我总感觉法拉第就在我们身边!
   显然,这是一段借助于我的形象化的改造,将我心中的法拉第传递给学生的过程,这四年的教学中,我一次都没有在讲完这些之后去追问学生懂得了什么,因为那是矫情且多余的。至于这段穿越史,用易中天的话说,“历史是可以酿酒的”,我只能凭着自己的理解,希望自己酿的是酒而不是醋;实在是醋,也希望是瓶好醋。
  (作者单位:江苏如皋市城北初级中学)
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