基尔霍夫的科学研究经历及其对待科学的态度

更新时间:2017-06-27 17:44:06     文章来源:www.sarababy.com.cn     作者:森然论文代笔网

 

在物理学史教学过程中,激发学生的学习兴趣,激励其科学创新性,是非常重要的口的,下面是续保搜集的额一篇相关论文范文,欢迎阅读借鉴。

早在科学史学科建立之初,众多学者就指出科学史融入科学教育中的重要性,目前科学史的教育功能是人家所公认的。而将物理学史融入物理学教育,从而提高学生对物理学的接受程度和兴趣,则是其中一个重要内容。20世纪初,法国科学家皮埃尔·迪昂(P.Duhem 1861一1916),他本身也是一位著名的禾手学史学家,认为通过物理学史让学生接受物理假说是一种合法而且富有成效的教学方式。物理学家玻恩(Max Born 1882一1970)认为好的科学课程教学中应该有科学史的渗透,并且让学生感受和了解科学家研究过程中的细竹。玻恩曾为HS·格林《x巨阵力学》书所作的序言中写道‘我印象中现在存在这样一种倾向,即(人们在教学中)忽视历史根由,而将理论建立在事实上是后来才发现的基础之上。这种方法毫无疑问能够迅速接近现代问题,也很适合培养能够应用这些知识的专家。但是,我怀疑这是否培养做原创性研究的好的教学方法,因为这种方法不能展示先驱者,在成堆的无序事实以及隐晦含糊的理论尝试中,是如何发现他的(正确)道路的。”显然,这些物理学家对物理学史的重视和呼吁,都为物理学史课程的建设提供了良好的经验。本文通过介绍基尔霍夫儿个重要的科学贡献,重现其发现过程以及对待科学研究的严谨态度,以期在物理教学中引导学生了解科学的奥妙与乐趣,使他们对科学研究产生兴趣,并逐步爱好科学。

  一、青年人具有科学创造的潜能

以基尔霍夫及其发现第一和第_电路定律为例,可向学生展现青年人具有的科学创新性。

占斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫(Gustav RobertKirc;hhoff > 1824一1887)中学毕业后,以优异成绩考入柯尼斯堡人学,并在人学里受到了良好的数理教育。19世纪40年代的欧洲,电气技术迅猛发展,促进了人们生活条件的改善。但是,这导致当时的简单电路变得愈来愈复杂,在一些重点地方的电路甚至呈现出蜘蛛网络的形状。此时,人们所熟悉的串联、并联电路,在一些由三条乃至三条以上支路形成的电网,并不能用已有的物理学公式求解。当时,许多电学家试图攻破这一难题,但是都未取得令人满意的结果四。

1845年,当时年仅21岁的基尔霍夫在德国柯尼斯堡人学课堂上,详细介绍其发表的第一篇论文,其中提出了适用于复杂电路计算的两个定律,即著名的基尔霍夫第一定律和第一定律。借助这两个定律,土作人员能够求解任何复杂的电路,从而成功地解决了电气技术中的人难题。基尔霍夫定律至今是求解复杂电路的电学基本定律,被列入物理学和电土学教科书中。

基尔霍夫定律建立在电荷守恒定律、欧姆定律及电压环路定理的基础之上,在稳恒电流条件下成立,并且基尔霍夫定律的应用范围可扩展到交流电路之中,导出其他一些简便而有效的定理。当电路中各电动势及电阻给定时,根据这两个电路定律可以唯一地确定各支路的电流值。因此,基尔霍夫第一定律和第_定律立即被电学家所采用。

基尔霍夫能够在人学期间提出电磁学基础理论之一,一方而是基尔霍夫受到其老师诺埃曼( Neu-mann CarlGottfried 1832一1925)的影响,诺埃曼把先进的法国数学物理学派的思想和方法引进德国并加以进一步发展;另一方而是年轻的基尔霍夫敢于挑战电磁学未知领域。虽然基尔霍夫电路定律本质上只是欧姆定律的推广应用,但一个年轻人学生要把它完整的归纳出来,确实显现出不同寻常的数学技巧和思维水平。

  二、培养对科学执著追求和及时总结的态度

基尔霍夫在证明光谱线不仅是外部宇宙世界的向导,而且也是物质原子内部微观}日_界的向导的土作中,具有执著的追求精神和高度的总结能力,这对于人学生来说,是很重要的科研素质。

1859年秋,基尔霍夫用放人镜和两根望远镜镜筒,还有一块三棱镜,组成了一个摄谱仪。这种摄谱仪的色散能力和分辨力人人提高了分辨不同颜色火焰和不同物质的本领,而且方便、易行、准确。基尔霍夫以他的经典实验,使当时许多困惑的光谱学问题完全弄清楚了。他从纯经验的摸索和光谱记录(图画)的积累,过渡到严格的理论描述与对被观察的事实之分析,丙过渡到事先就能预见结果的实验。如此,灵敏(依据火焰光谱可发现少于3x10mg的食盐)地对物质进行定性化学研究的新方法一光谱分析法正式诞生。

1860年,利用摄谱仪,基尔霍夫分析发现了新元素一艳。1861年,他依据化学处理后的某种云母溶液的沉积物产生的未知的暗红色光谱线,又发现了一种新元素一铆。这两种碱金属对可见光特别敏感,光电效应很强烈,光电管里常使用它们。基尔霍夫的研究和发现公布后,立即引起了强烈的反响,光谱分析法被称为“化学家的神奇眼睛”。

基尔霍夫在实验的基础上,总结出光谱分析的三条定律:一切自炽固体、液体或气体在常压状态下所发的光的光谱为连续光谱。(2)处于低压下的炽热气体的光谱为明线光谱或称发射光谱,由暗背景上的一些亮线组成,每种元素都有自己特定的、波民固定的谱线。(3)来自常压下的炽热固体、液体或气体的连续光谱,丙通过温度较低的低压气体时,则产生吸收光谱。它由热光源产生的连续光谱上加上若干条低温气体产生的暗线组成。这些暗线称为吸收线。

每种元素都有固定的吸收线,其波民与其发射线相同。这三条定律构成了光谱分析的理论基础>100多年来对这门学科的发展和应用(原子发射光谱和原子吸收光谱)起着重要的指导作用。

基尔霍夫在《拼白林科学院月刊》上发表的《夫琅霍费谱线》一文中详细叙述和讨论了其发现各特定波民光线被辉汽吸收的实验过程。最后指出:‘这样看来,有色火焰光谱研究已经具有新的和巨人的重要性了;我将与本生一道竭尽全力继续这种土作。在这方而,我们将研究我们的观察已经确定的那种火焰光线的减弱现象。关于这一课题,我们初步的研究,业已出现了一种在我们看来颇为重要的效应。当使用德拉蒙德光时,为了使暗线D出现,我们必须用加入低温盐的火焰。含水酒精的火焰颇合此用,本生灯的火焰则否。在用本生灯时,少许盐可以在其影响稍微显著时,使用亮的钠线自行出现。我们建议从这种影响中去找它的结果。基尔霍夫对科学执著追求,最终成为光谱分析法的创立一者。1854年基尔霍夫转任海德堡人学教授以来,常与本生(Bunsen)一起进行火焰方而的实验。经过无数次的实验,使其拥有了科学上不朽的成绩。通过给学生丙现基尔霍夫光谱实验的成功与失败全过程,可以培养学生坚持和及时总结的良好素养。

  三、要重视多学科交义研究

在光的衍射问题中,我们可以设想,有一不透明屏将整个空间分隔为左右两部分,屏上有一小孔或狭缝,在屏的左侧空间某点处有一光源(光源当然就是一种电磁波源)。但是该波源在屏的右侧空间各点处所激发的电磁场是如何分布的呢?

1882年,基尔霍夫的学生赫兹发现,只要利用数学物理学家格林在19世纪初导出的一个普遍定理(格林定理),就可以把电磁场的波动方程化为积分形式。积分的物理意义表明,波源在有小孔或狭缝的屏的另一侧所激发的场,相当于把小孔或狭缝而上的每一点都看作次级波源,而任一点的场便等于所有这些次级波源所激发的子波的叠加。这个结论正是在两个半世纪之前提出的惠更斯原理的内容。

基尔霍夫衍射积分,是惠更斯原理的数学基础,讨论光和电磁波衍射问题的出发点。从它可以导出光学中的单缝衍射、双缝衍射、圆孔衍射公式。

当然应注意的是,基尔霍夫衍射积分公式是从电磁场的波动方程而来,而这种波动方程又来自麦克斯韦方程组。所以,由法国物理学家菲涅耳(AJeanFresnel 1788一1827)和夫琅和费(Joseph von Fraunhofer 1787-1826)在19世纪初建立的衍射理论与基尔霍夫衍射积分公式联系了起来。

基尔霍夫对光学、电磁学、数学历史及其发展现状的熟悉和有效运用,使其发现了光学、电磁学、数学学科交义点的基尔霍夫衍射积分。因此,了解多学科、掌握学科发展史是培养学生创新研究的基石。

科学方法、科学精神、科学研究的技巧及科学研究兴趣的激起与保持等诸多方而的内容,利用物理学家的传记来丰富课堂教学内容,从而加深学生对科学研究的兴趣,达到在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观这三个维度上的要求。

  四、结语

基尔霍夫的科学研究的经历和对待科学的态度告诉我们,在高校物理学教学中融入物理学史内容,融入科学家科学研究经历,具有重要的教育意义。

它将有利于培养学生学习兴趣、科学精神以及发现科学研究创新点。提高人学物理教学有效性一直以来受到学界和物理教师的关注。将物理学史融入人学物理教学决不是简单的史料的穿插,物理学史教学也不能简单地向学生传输物理发展的历程,而是要求人物理、物理学史教师在备课时应进一步查阅资料,对一些物理学史上典型人物进行细致分析,深入挖掘科学家在从事科学研究过程中所体现出的科学方法、科学精神、科学研究的技巧及科学研究兴趣的激起与保持等诸多方而的内容,利用物理学家的传记来丰富课堂教学内容,从而加深学生对科学研究的兴趣,达到在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观这三个维度上的要求。

参考文献:

[1]Green H S.Matrix Mechanic[M].P.Noordholf Ltd Groningen The Netherlands 1965:foreword。

[2]L.Rosenfeld.Gustav Robert Kirc;hhoff. Dictionary of Soi-entific; Biography(Vol.7)[M].New York:Charles Sc;ribner'、Sons}1981:379-383.

[3]李艳平,申先甲物理学史教程「M」北京:科学出版社,2003:138-141.

[4]刘筱莉,仲扣庄物理学史[M]南京:南京师范人学出版社,2001:24.

[5]曾铁19世纪伟人的德国数学物理学者田物理与工程,2008 (1) :57-61.

[6](美)威·弗·马吉物理学原著选读「M]蔡宾牟,译北京:商务印书馆,1986:374

    A+