本站原创摘 要：在理论性较强的物理类课程中讲授一些人文历史知识,可达到提高上课效果、增强教学内容的吸引力、扩展学生的知识面、引发学生对科学问题的创新思考的作用.本文介绍了在《固体物理》课程教学中,所讲授的与课程内容有关的科学史及人文知识的两个案例.
关 键 词：固体物理；课堂教学；人文；历史
中图分类号：G640文献标志码：A文章编号：1674-9324（2014）15-0253-02
随着科学技术的迅猛发展,人类社会的历史已进入到了“信息时代”,电子信息技术空前发展,在人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用.电子信息技术的基础是微电子技术和光电子技术,它们同属于教育部本科专业目录中的一级学科“电子科学与技术”.
《固体物理》是电子科学与技术专业的基础课.作为物理学的一个分支,固体物理学侧重于用微观结构和微观世界的基本规律,特别是量子物理的规律来解释宏观的物质性质,是联结微观原子和宏观世界的桥梁.目前,绝大多数的高等院校在《固体物理》课程中重点讲授晶体的结构、晶体的结合力与结合能、晶体中的热振动、晶体中的缺陷、金属电子论与能带理论.通过对《固体物理》的学习,可帮助学生建立关于固体性质较完整的基础理论,为后续课程如《半导体物理》、《电介质物理》、《微电子器件》、《电子材料》等的学习打下基础,并帮助学生培养分析问题、解决问题的能力.
《固体物理》课程的理论性较强,为了对相关概念有较为透彻的理解,须从基本物理概念出发,联系固体的实际情况,应用简化的物理模型,经大段的推导后才能获得所需结论.此过程对于喜欢实用化内容的工科学生来说,却显得有些枯燥.但从另一方面考虑,固体物理是近100年才逐渐产生并发展起来的,相关理论的诞生,都有着特定的历史背景,而且往往不是一蹴而就的.如果在教学过程中能够把这些历史背景介绍给学生,对于提高上课效果、增强课堂吸引力、扩展学生知识面、引发学生对科学问题的思考是十分有利的.本人在《固体物理》的长期教学实践中引入了一些人文教育内容,获得了较好的课堂效果.现举两例如下.
一、X射线衍射
在晶体结构一章中,会涉及X射线衍射的知识.从某种意义上说,X射线的发现可被认为是现代物理的开端.1895年11月8日,时任德国维尔兹堡大学校长的伦琴在阴极射线的研究中,意外地发现了距阴极射线管一米外的荧光屏上闪耀着荧光.经过深入研究,伦琴确认了一种新的射线的产生,这就是X射线.1895年12月22日,他邀请夫人来到实验室,用夫人的手拍下了第一张人手X射线照片,照片中清晰地显示出了戴着戒指的手的骨骼.伦琴于1895年12月28日向德国维尔兹堡物理和医学学会递交了第一篇研究通讯《论一种新射线》.由于X射线在医疗和金属探伤等领域的重大应用价值,吸引了人们极大的兴趣,相关的研究竞相开展.伦琴的卓越成果使他获得了1901年首届诺贝尔物理学奖.
一般来说,从科学史的角度,关于X射线的历史知识至此可告一段落,但是,由于1895年这个年份对于中国来说是一个非常重要的年份,中国在中日甲午战争中战败,同年,天津大学的前身、中国第一所现代大学北洋大学宣告成立.由于1895年的特殊性,在《固体物理》的教学中我对相关做了介绍：
1895年3月,洋务运动的倡导者李鸿章在中国甲午战争战败后,受命前往日本的马关参加议和.在谈判过程中,李鸿章被日本浪人用所伤,其左颊中弹,伤口在左眼下一寸的位置.所幸的是虽然留在了颅内,但没有危及性命.李鸿章经急救后身体并无大碍,且其当时已有73岁高龄,所以未采用手术取出弹头.1895年4月17日,李鸿章与日本代表签订了丧权辱国的中日《马关条约》.消息传至国内,朝野激愤,深感兴学救国,刻不容缓.北洋大学的创始人盛宣怀先生在洋务运动的实践中也感到“自强首在储才,储才必先兴学”[2],在其上任津海关道后就开始筹备办学,并奏请朝廷设立一所新式学堂,光绪皇帝准旨.10月2日,天津创办了天津北洋西学学堂,第二年更名为北洋大学堂.同年底,伦琴发现了X射线,用X射线检察身体成为可能.1896年6月,李鸿章应邀访问德国,德政府建议他到医院拍X光检查身体,李鸿章欣然接受这一建议.李鸿章亲眼目睹了X光片所显示的颅骨影像与弹头所在,感到十分稀奇,特称之为“照骨术”.李鸿章因此也成为拍X光片检查身体的第一名中国人.
1895年,甲午战争中中国战败、北洋大学建校、X射线的发现这几件事最终以李鸿章为线索串了起来.这段历史的介绍,使学生深刻地感受到当时中国科技的落后以及国力的孱弱.北洋大学的建立仅仅是中国现代高等教育的开端,而欧洲高等学府已经发现了X射线.这段历史可以让学生深刻感受到自己所肩负的历史使命,增强学习动力,明确前进的方向.
二、固体比热
固体存在比热这一性质.对比热的讨论会涉及两个模型：爱因斯坦模型和德拜模型.爱因斯创造性地将量子力学的观点引入对固体比热的讨论中,初步解释了固体比热随温度的变化关系.但由于模型过于简化,固体比热与温度的关系最终由德拜完成.通过对比热认识过程的介绍,可以帮助同学更好地理解科学大师的思考方式,增强对科学方法论的认识.
早在18世纪初,人们对固体比热就有了初步认识.苏格兰的物理学家兼化学家J.布莱克发现质量相同的不同物质,上升到相同温度所需的热量不同,从而提出了比热的概念.1819年法国科学家P.L.杜隆和A.T.珀替测定了许多单质的比热之后,发现大部分固态单质的比热与原子量的乘积几乎相等,并据此提出了杜隆-珀替定律,认为1摩尔物质温度升高1度所需的热量相等,也就是摩尔比热相等,均为6卡/（摩尔℃）左右.这个结果后来通过经典物理的能量均分原理做出了解释.然而,有些物质如硼、铍、金刚石的摩尔比热却远低于6卡/（摩尔℃）.1872年,苏黎世联邦工业大学的物理学教授韦伯经过仔细实验,发现在高温（约1300℃）时,金刚石的摩尔比热竟达到了6卡/（摩尔℃）,正是杜隆-珀替定律的标准结果.以此类推,室温下摩尔比热接近正常值的物质在低温下应偏离杜隆-珀替定律,这引起了人们研究物质比热随温度变化关系的兴趣.韦伯的发现为许多低温下测量比热的实验所验证.温度越低,比热越小,已成为众所周知的事实.但该结果长期得不到理论解释.在人们开展固体比热与温度相关性研究的时候,爱因斯坦恰好在苏黎世联邦工业大学学习物理学（1896～1900）,爱因斯坦听过韦伯的课,并在韦伯的实验室工作过,韦伯的研究成果自然受到了他的重视.1900年,普朗克在对黑体辐射的研究中提出了量子力学的思想,认为能量的辐射是以能量子为基本单位的.这一思想给了爱因斯坦很大启发.1906年,爱因斯坦将量子力学的思想引入到晶格振动的讨论中,并检测定每一振动自由度的振子作为线性振子具有平均能量,而不是简单地应用能量均分原理.同时,为了能够简化,爱因斯坦检测设晶格的3N个振动的频率均相等.爱因斯坦模型由于创造性地将量子论引入了比热的讨论,对固体比热与温度的关系做出了相对正确的解释.但是,爱因斯坦模型在低温下与实验并不完全相符,相对于实验结果,爱因斯坦模型中固体比热以更快的速度趋近于0.为了解决这一问题,德拜将理论进一步发展,引入了频率分布函数的概念,最终成功地解释了低温下固体比热是按温度的三次方规律趋近于0的实验规律.
从固体比热的实验测定到杜隆-珀替定律被提出,从韦伯发现固体比热的温度效应到人们开展低温下固体比热的测量,从普朗克提出量子力学观点到爱因斯坦将其引入到固体比热,从爱因斯坦模型的低温失效到德拜模型的完全成功,这一系列的发展可以给学生以很大的启迪：科学的任何发展都不是一帆风顺的,从理论到实践,从实践再到理论,这个过程可能要经过多次反复.在此过程中,需要具备开放性的思维,只有不断地汲取他人的经验,多思考、多创新,才有可能取得最终的成功.
由于物理学的发展过程与现实生活密不可分的联系,使得物理类课程的教学对学生的培养有了得天独厚的优势.如果在物理类课程的教学过程中,适当地介绍某项理论的发现过程,以及科学家思考问题的方式,或将理论知识与现实生活相结合,引发学生的深入思考,对提高教学效果和帮助学生树立良好的人生观、世界观无疑将起到非常积极的作用.