中学物理教学是以实验为基础的,我们不仅要培养学生实验发现的精神,更重要是要培养学生的理论创新精神。如何让学生学会总结理论,发现理论是关键的问题。下面就以中学物理为基础,如何引导学生发现半个多世纪以来的科学难题吧:地球引力是什么?地球的磁场是如何产生的?原子构成分子的结合力是什么?月球有磁场吗?为什么小天体在巨大天体附近会被撕裂?

关键字:原子、分子结构,电子,电场,磁场。

物理教学要重视理论研究

我们在多年的物理教学中发现,中学物理教学只重视实验结果和定律的应用,忽略了理论推导和创新教学的内容。虽然能培养出学生的实验操作能力,但由于不重视理论的引导、判断和推理的培养。学生的科学观就难以形成,科学研究和科学发现就更谈不上了。

初中物理学说过,世界是由物质组成的。地球是由物体组成的,物体是由分子组成,分子由原子组成,原子由电子和原子核组成,原子核由中子和质子组成。但是,原子与原子能结合成分子其结合力是什么呢?初中物理忽略了它的理论推导。下面就以异性电荷相吸引,同性电荷相排斥为理论基础来推导:

电子与原子核的结合力是电场吸力,电子带负电,原子核带正电。具体表现在电子高速绕原子核旋转,向心力和离心力平衡,因而构成原子。电子旋转意会着电子的电场发生了变化,从而产生磁场,即电子转动有部分电场能转化为磁能,这个磁场能提供了两个原子之间的结合力(这也是一般原子不稳定的原因,因为它总想找到其它原子来结合),例如,电子绕原子核旋转,假如电子绕转有40%电场能转化为磁场能(作为两个原子之间的结合力),电子剩下的60%的电场能与原子核60%的电场力(当然也有偏差)产生吸力,维持电子高速绕原子核旋转,原子核剩下的40%电场力只能用于原子核之间的斥力了。由于分子的电场或磁场都是中性。从而可知,分子内原子之间的结合力由磁场吸力提供,原子之间的斥力由原子核之间的电场斥力提供。

用实际例子验证理论的正确性

上一理论是否正确?我们还需要让学生学会用实际例子来验证理论的正确性。

比如:1、在自然界中,为什么有些元素可以以单一元素存在呢(稳定态)?原因是在他们的原子结构中,绕原子核的电子当中,有些电子是“反向”旋转的,能使原子的磁性为中性。

2、在所有分子结构中,为什么氢分子的结构最不稳定呢?因为氢原子只有一个电子,它绕原子核旋转产生的磁场吸力是最小的,提供两个氢原子之间的结合力也是最小的。

3、为什么固体分子结构比较稳定呢?是因为,当原子之间的距离较近时,斥力产生,当原子之间有一定的远离时,吸力产生。具体原因是:当两个原子靠近时,两个原子之间的磁场和电场就会发生变化,与通电的螺线管的电磁场变化类似,因而产生阻止这种变化的反作用力,具体表现在,两个原子之间的原子核斥力变大,因此,原子核对周围的电子引力就会变小(上面已证明),从而电子绕原子核旋转半径增大,虽然电子绕原子核旋转的线速度不变,但是,单位时间内电子绕原子核旋转的圈数变少了,因而,电子旋转产生的电场力变化变小,也就是说,提供给两个原子的磁场吸力也跟着变小了。这就是两个原子靠近斥力增大的原因。同理可证,两个原子远离时吸力增大。这就是分子结构稳定的原因。

中学物理也能科学发现

中学物理虽然是物理学的基础,但是,科学发现并非是大学或以上物理学的专利,中学物理研究也能科学发现。

上面分析,从原子结构到分子结构,自始自终只发现两种力:一种是磁场力,另一种是电场力。

在地球上,地球引力处处可见,但是引力究竟是什么呢?莫非就是磁场力或电场力中的一种。显然,地球引力不是磁场力,只能是电场力了。我们生存地球是由数量极其庞大的分子构成的,因而可见,其引力是非常大的。

; 引力究竟是不是电场力,我们还得用大量的事实来验证:

事实一:如果引力就是电场力,那么当两个分子靠近时,两个分子之间的电场就会发生变化,因而产生阻止这种变化的反作用力。具体表现在,两个分子之间的原子核产生斥力,同时,两个分子之间的电子也产生同等的斥力。这两个斥力构成了分子之间的斥力。因而分子内的原子结构几乎没有发生变化(除非压力超过一定的限度)。同理,当两个分子离开(一定距离)时吸力增加。科学观察得出的现象的确如此。

事实二:如果引力就是电场力,那么地球自转就会产生磁场,并且磁场极性方向要符合右手判定定理。实事的确如此。

有人提出,地球有时候磁极性与地球自转的极性方向有偏离。那是因为,地球内部有熔岩,地核是固态的,地壳自转产生的磁场表现在高空;地核转动产生的磁场表现在地表,当地核转动速度大小和方向有变化时,都会导致地表的磁场的变化或极性变化现象。但地球总的磁场(或高空磁场)保持不变。

事实三:由于黑洞引力非常巨大,并且高速旋转,如果电场力就是引力,那么,黑洞在高速旋转作用下产生的电流和磁场的巨大是无法估量的。由于电场旋转方向和磁场方向垂直,由此可知,黑洞的两个吸盘除了有巨大引力外,还有无法估量的巨大磁场。事实验证的确如此。

推论:月球上有磁场,大约是地球磁场总和的2430分之一。原因:(1)月球旋转一周,大约要30天;(2)地球的质量是月球的81倍,由于引力和质量成正比,所以地球引力强度(即电场引力大小)是月球的81倍。但磁场产生的大小与电场力的变化大小有关。如果不考虑地球或月球内部结构的话。地球电场变化的大小就是月球电场变化大小的30×81=2430倍,所以地球磁场力的总和大约是月球的2430倍,足见月球磁场相对于地球磁场是相当小的,没有精密仪器难以测到。

中学物理不能脱离实际,以事实发挥学生的想象力

在中学教学中,有些教师讲课本的内容多,与日常生活的实际应用联系得少。这是不正确的,要培养学生的创造发明的科学观,就必须从日常生活中见到的现象研究开始。对每一件事情和物质现象都要探求出理论依据和实事依据。总结、归纳、推理,并上升为理论。

比如,上面说到,地球引力就是电场力,还不够完满,其具体表现是怎么样的呢?是如何达成的呢?这个还得必须讲清楚。

其实,电场引力说得更具体一些就是:地球分子内的原子核对物体分子内的电子之间的吸引;地球分子内的电子与物体分子内的原子核之间的吸引。即是这两个双向吸引,构成地球引力。

另外,从实际的天体之间的引力观察分析可知,天体内部分子的原子核(或电子)都“喜欢”超距离找对方(天体)相应的电子(或原子核)相互吸引。正因为这个原因,在巨大天体面前,小天体内部的电子的电场力和原子核的电场力都“喜欢”往外“跑”(当然巨大天体的也同样),这情形就造成了小天体内部分子之间、原子之间的结合力减弱,最后就被撕裂了(天文观察的确有这种现象)。

由于人体也是由分子、原子构成的,由于分子内部的原子核或电子的上述这种“喜欢”,也反映到人们的生活之中,人们对外界的吸引力往往大于对内的吸引力。比如:人们总喜欢旅游(对外面有吸引力);总觉得外面的东西比自己的东西好(对外有吸引);外面的风景比自己家乡的风景好(对外有吸引);有好奇心,新鲜感,特别对异性,这种心理更为明显(有对外的心理)等等,数不胜数。