一本影响了全世界物理学教育的奇书

科学的故事 2024-11-18 16:37:45

Eric Rogers是20世纪最杰出的物理教师之一,是物理教学领域几个最高奖的大满贯得主。他的《面向爱探究的头脑的物理学》,是物理教育历史上的一个里程碑。

这本近800页的厚书,由普林斯顿大学出版,内容是基于Rogers在哈佛大学的讲课。本书内容不局限于具体的物理知识,这从书的副标题可以看出:物理科学的方法,本质,与哲学。(我的物理书单中列有这本书)

书中的插图全部是手绘的,虽然很简略,但常常生动有趣。

这个图是表示运动的合成(把两个不同方向的运动相加),这家伙试图一条腿向东走,另一条腿向北走,然后就尴尬了。

下图中上一个图画的是三个力的平衡,三个人用力拉绳子,左边那家伙都快坐到地上了,右边那人眼看不支了。下一个图接上图,拉着滑轮的那个人来了帮手,右边那人果然气力不支,向前摔趴了。这图表示三个力不平衡。

这本书内容太丰富,无法全面介绍。给大家来个简单粗暴的吧!

物理学中一个最美妙的发现是,能量具有许多种不同形式,能量可以从一种形式转化为其它形式。可惜的是,有些物理课本好像不太欣赏这一发现,仅仅是在给出能量守恒定律时,顺带提一句能量的转化,或者在其它场合,零星提一下某个过程中,能量从哪种形式转化为哪种形式。结果就是,学生虽然能答出问题,但是对于不受触动。

Rogers采取的做法是什么呢?

他集中给出多种多样、范围极其广泛的过程,指出每种过程中涉及的能量转化。

这些过程都用图表示,为了增强对心灵的冲击性,他把这些图不留空隙地排在一起,中间不插入图号,只在最后写道:图26-32. 能量的变化。

这就像在晚会上,许多节目一个接一个上台,主持人只集中报一次幕。

上面的图太小,看不清,所以我这里再依次进行介绍。

1.

人通过滑轮把物体拉起来,化学能转化为重力势能

绳子断掉,重力势能转化为动能,物体落到地面后停止运动,动能转化为热(内能)2.

人推车,化学能变为动能

放手后,车撞到弹簧上,动能转化为弹性势能3.

单摆,能量在重力势能与动能之间来回转化4.

物体从桌子掉下去,把弹簧拉紧,重力势能变为弹性势能(经过动能)5.

物块掉下来,压缩活塞,活塞压缩封闭空气,重力势能变为动能,动能变为内能6.

把酸溶液与碱溶液倒在一起,化学能变为内能

烟花,化学能变为内能(与少量光能)

爆炸,化学能变为碎片的动能与声能,最后都变为内能7.

发射炮弹,化学能变为内能,接着变为动能与势能,炮弹落地后,又都变为内能8.

射击,子弹击中靶(或墙壁),化学能变为动能,接着变为内能9.

拉铃铛,化学能变为振动能,变为声能,最后变为内能10.

波的能量变为轮船的重力势能11.

汽车匀速行使时,大量化学能快速转化为空气和路面的内能,上坡时,动能变为重力势能12.

本生灯,化学能变为内能变为辐射能(主要是红外辐射)13.

阴极射线管,化学能变为电能,变为电子的动能,然后变为内能(大部分电子)或辐射能(X射线)(少量电子)14.

放射性衰变,核能变为动能15.

电池与电容器连接,化学能变为电能。电池与螺线管连接,化学能变为磁能16.

电池与白炽灯泡连接,化学能变为电磁能,变为内能和辐射能17.

无线广播,机械能与化学能变为辐射能,变为内能、声能等这就是Rogers的搞法。有些高中物理课本,更喜欢采用像下面这种讲法:机械能守恒定律告诉我们,做机械运动的物体具有动能和势能,相互之间可以转化;在电路中,电源将其他形式的能转化为电能,负载又将电能转化为内能、光能和机械能……能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到别的体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。这个规律叫作能量守恒定律。它似乎认为,不同形式能量的相互转化,不值得作为一个专门主题,只要在介绍能量守恒定律时,顺带提一下能量的转化,也就够了。不知道是不是我错了,我认为,Rogers的大规模集中展示,与后面这种捎带式的讲法,对学生大脑产生的作用,恐怕会有很大的差别。如果您是学生,希望本文对您的学习有帮助。如果您是物理教师,希望本文对您的教学有帮助。这样我的辛苦就没有白费。

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