基爾霍夫的科學研究經(jīng)歷及其對待科學的態(tài)度

　　在物理學史教學過程中，激發(fā)學生的學習興趣，激勵其科學創(chuàng)新性，是非常重要的口的，下面是續(xù)保搜集的額一篇相關(guān)論文范文，歡迎閱讀借鑒。

　　早在科學史學科建立之初，眾多學者就指出科學史融入科學教育中的重要性，目前科學史的教育功能是人家所公認的。而將物理學史融入物理學教育，從而提高學生對物理學的接受程度和興趣，則是其中一個重要內(nèi)容。20世紀初，法國科學家皮埃爾·迪昂(P.Duhem 1861一1916)，他本身也是一位著名的禾手學史學家，認為通過物理學史讓學生接受物理假說是一種合法而且富有成效的教學方式。物理學家玻恩(Max Born 1882一1970)認為好的科學課程教學中應該有科學史的滲透，并且讓學生感受和了解科學家研究過程中的細竹。玻恩曾為HS·格林《x巨陣力學》書所作的序言中寫道‘我印象中現(xiàn)在存在這樣一種傾向，即(人們在教學中)忽視歷史根由，而將理論建立在事實上是后來才發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)之上。這種方法毫無疑問能夠迅速接近現(xiàn)代問題，也很適合培養(yǎng)能夠應用這些知識的專家。但是，我懷疑這是否培養(yǎng)做原創(chuàng)性研究的好的教學方法，因為這種方法不能展示先驅(qū)者，在成堆的無序事實以及隱晦含糊的理論嘗試中，是如何發(fā)現(xiàn)他的(正確)道路的。”顯然，這些物理學家對物理學史的重視和呼吁，都為物理學史課程的建設提供了良好的經(jīng)驗。本文通過介紹基爾霍夫兒個重要的科學貢獻，重現(xiàn)其發(fā)現(xiàn)過程以及對待科學研究的嚴謹態(tài)度，以期在物理教學中引導學生了解科學的奧妙與樂趣，使他們對科學研究產(chǎn)生興趣，并逐步愛好科學。

　　一、青年人具有科學創(chuàng)造的潛能

　　以基爾霍夫及其發(fā)現(xiàn)第一和第_電路定律為例，可向?qū)W生展現(xiàn)青年人具有的科學創(chuàng)新性。

　　占斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫(Gustav RobertKirc;hhoff > 1824一1887)中學畢業(yè)后，以優(yōu)異成績考入柯尼斯堡人學，并在人學里受到了良好的數(shù)理教育。19世紀40年代的歐洲，電氣技術(shù)迅猛發(fā)展，促進了人們生活條件的改善。但是，這導致當時的簡單電路變得愈來愈復雜，在一些重點地方的電路甚至呈現(xiàn)出蜘蛛網(wǎng)絡的形狀。此時，人們所熟悉的串聯(lián)、并聯(lián)電路，在一些由三條乃至三條以上支路形成的電網(wǎng)，并不能用已有的物理學公式求解。當時，許多電學家試圖攻破這一難題，但是都未取得令人滿意的結(jié)果四。

　　1845年，當時年僅21歲的基爾霍夫在德國柯尼斯堡人學課堂上，詳細介紹其發(fā)表的第一篇論文，其中提出了適用于復雜電路計算的兩個定律，即著名的基爾霍夫第一定律和第一定律。借助這兩個定律，土作人員能夠求解任何復雜的電路，從而成功地解決了電氣技術(shù)中的人難題�；鶢柣舴蚨�律至今是求解復雜電路的電學基本定律，被列入物理學和電土學教科書中。

　　基爾霍夫定律建立在電荷守恒定律、歐姆定律及電壓環(huán)路定理的基礎(chǔ)之上，在穩(wěn)恒電流條件下成立，并且基爾霍夫定律的應用范圍可擴展到交流電路之中，導出其他一些簡便而有效的定理。當電路中各電動勢及電阻給定時，根據(jù)這兩個電路定律可以唯一地確定各支路的電流值。因此，基爾霍夫第一定律和第_定律立即被電學家所采用。

　　基爾霍夫能夠在人學期間提出電磁學基礎(chǔ)理論之一，一方而是基爾霍夫受到其老師諾埃曼( Neu-mann CarlGottfried 1832一1925)的影響，諾埃曼把先進的法國數(shù)學物理學派的思想和方法引進德國并加以進一步發(fā)展;另一方而是年輕的基爾霍夫敢于挑戰(zhàn)電磁學未知領(lǐng)域。雖然基爾霍夫電路定律本質(zhì)上只是歐姆定律的推廣應用，但一個年輕人學生要把它完整的歸納出來，確實顯現(xiàn)出不同尋常的數(shù)學技巧和思維水平。

　　二、培養(yǎng)對科學執(zhí)著追求和及時總結(jié)的態(tài)度

　　基爾霍夫在證明光譜線不僅是外部宇宙世界的向?qū)�，而且也是物質(zhì)原子內(nèi)部微觀}日_界的向?qū)У耐磷髦�，具有�?zhí)著的追求精神和高度的總結(jié)能力，這對于人學生來說，是很重要的科研素質(zhì)。

　　1859年秋，基爾霍夫用放人鏡和兩根望遠鏡鏡筒，還有一塊三棱鏡，組成了一個攝譜儀。這種攝譜儀的色散能力和分辨力人人提高了分辨不同顏色火焰和不同物質(zhì)的本領(lǐng)，而且方便、易行、準確。基爾霍夫以他的經(jīng)典實驗，使當時許多困惑的光譜學問題完全弄清楚了。他從純經(jīng)驗的摸索和光譜記錄(圖畫)的積累，過渡到嚴格的理論描述與對被觀察的事實之分析，丙過渡到事先就能預見結(jié)果的實驗。如此，靈敏(依據(jù)火焰光譜可發(fā)現(xiàn)少于3x10mg的食鹽)地對物質(zhì)進行定性化學研究的新方法一光譜分析法正式誕生。

　　1860年，利用攝譜儀，基爾霍夫分析發(fā)現(xiàn)了新元素一艷。1861年，他依據(jù)化學處理后的某種云母溶液的沉積物產(chǎn)生的未知的暗紅色光譜線，又發(fā)現(xiàn)了一種新元素一鉚。這兩種堿金屬對可見光特別敏感，光電效應很強烈，光電管里常使用它們�；鶢柣舴虻难芯亢桶l(fā)現(xiàn)公布后，立即引起了強烈的反響，光譜分析法被稱為“化學家的神奇眼睛”。

　　基爾霍夫在實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)出光譜分析的三條定律:一切自熾固體、液體或氣體在常壓狀態(tài)下所發(fā)的光的光譜為連續(xù)光譜。(2)處于低壓下的熾熱氣體的光譜為明線光譜或稱發(fā)射光譜，由暗背景上的一些亮線組成，每種元素都有自己特定的、波民固定的譜線。(3)來自常壓下的熾熱固體、液體或氣體的連續(xù)光譜，丙通過溫度較低的低壓氣體時，則產(chǎn)生吸收光譜。它由熱光源產(chǎn)生的連續(xù)光譜上加上若干條低溫氣體產(chǎn)生的暗線組成。這些暗線稱為吸收線。

　　每種元素都有固定的吸收線，其波民與其發(fā)射線相同。這三條定律構(gòu)成了光譜分析的理論基礎(chǔ)>100多年來對這門學科的發(fā)展和應用(原子發(fā)射光譜和原子吸收光譜)起著重要的指導作用。

　　基爾霍夫在《拼白林科學院月刊》上發(fā)表的《夫瑯霍費譜線》一文中詳細敘述和討論了其發(fā)現(xiàn)各特定波民光線被輝汽吸收的實驗過程。最后指出:‘這樣看來，有色火焰光譜研究已經(jīng)具有新的和巨人的重要性了;我將與本生一道竭盡全力繼續(xù)這種土作。在這方而，我們將研究我們的觀察已經(jīng)確定的那種火焰光線的減弱現(xiàn)象。關(guān)于這一課題，我們初步的研究，業(yè)已出現(xiàn)了一種在我們看來頗為重要的效應。當使用德拉蒙德光時，為了使暗線D出現(xiàn)，我們必須用加入低溫鹽的火焰。含水酒精的火焰頗合此用，本生燈的火焰則否。在用本生燈時，少許鹽可以在其影響稍微顯著時，使用亮的鈉線自行出現(xiàn)。我們建議從這種影響中去找它的結(jié)果�；鶢柣舴�?qū)�科學執(zhí)著追求，最終成為光譜分析法的創(chuàng)立一者。1854年基爾霍夫轉(zhuǎn)任海德堡人學教授以來，常與本生(Bunsen)一起進行火焰方而的實驗。經(jīng)過無數(shù)次的實驗，使其擁有了科學上不朽的成績。通過給學生丙現(xiàn)基爾霍夫光譜實驗的成功與失敗全過程，可以培養(yǎng)學生堅持和及時總結(jié)的良好素養(yǎng)。

　　三、要重視多學科交義研究

　　在光的衍射問題中，我們可以設想，有一不透明屏將整個空間分隔為左右兩部分，屏上有一小孔或狹縫，在屏的左側(cè)空間某點處有一光源(光源當然就是一種電磁波源)。但是該波源在屏的右側(cè)空間各點處所激發(fā)的電磁場是如何分布的呢?

　　1882年，基爾霍夫的學生赫茲發(fā)現(xiàn)，只要利用數(shù)學物理學家格林在19世紀初導出的一個普遍定理(格林定理)，就可以把電磁場的波動方程化為積分形式。積分的'物理意義表明，波源在有小孔或狹縫的屏的另一側(cè)所激發(fā)的場，相當于把小孔或狹縫而上的每一點都看作次級波源，而任一點的場便等于所有這些次級波源所激發(fā)的子波的疊加。這個結(jié)論正是在兩個半世紀之前提出的惠更斯原理的內(nèi)容。

　　基爾霍夫衍射積分，是惠更斯原理的數(shù)學基礎(chǔ)，討論光和電磁波衍射問題的出發(fā)點。從它可以導出光學中的單縫衍射、雙縫衍射、圓孔衍射公式。

　　當然應注意的是，基爾霍夫衍射積分公式是從電磁場的波動方程而來，而這種波動方程又來自麥克斯韋方程組。所以，由法國物理學家菲涅耳(AJeanFresnel 1788一1827)和夫瑯和費(Joseph von Fraunhofer 1787-1826)在19世紀初建立的衍射理論與基爾霍夫衍射積分公式聯(lián)系了起來。

　　基爾霍夫?qū)�光學、電磁學、數(shù)學歷史及其發(fā)展現(xiàn)狀的熟悉和有效運用，使其發(fā)現(xiàn)了光學、電磁學、數(shù)學學科交義點的基爾霍夫衍射積分。因此，了解多學科、掌握學科發(fā)展史是培養(yǎng)學生創(chuàng)新研究的基石。

　　科學方法、科學精神、科學研究的技巧及科學研究興趣的激起與保持等諸多方而的內(nèi)容，利用物理學家的傳記來豐富課堂教學內(nèi)容，從而加深學生對科學研究的興趣，達到在知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀這三個維度上的要求。

　　四、結(jié)語

　　基爾霍夫的科學研究的經(jīng)歷和對待科學的態(tài)度告訴我們，在高校物理學教學中融入物理學史內(nèi)容，融入科學家科學研究經(jīng)歷，具有重要的教育意義。

　　它將有利于培養(yǎng)學生學習興趣、科學精神以及發(fā)現(xiàn)科學研究創(chuàng)新點。提高人學物理教學有效性一直以來受到學界和物理教師的關(guān)注。將物理學史融入人學物理教學決不是簡單的史料的穿插，物理學史教學也不能簡單地向?qū)W生傳輸物理發(fā)展的歷程，而是要求人物理、物理學史教師在備課時應進一步查閱資料，對一些物理學史上典型人物進行細致分析，深入挖掘科學家在從事科學研究過程中所體現(xiàn)出的科學方法、科學精神、科學研究的技巧及科學研究興趣的激起與保持等諸多方而的內(nèi)容，利用物理學家的傳記來豐富課堂教學內(nèi)容，從而加深學生對科學研究的興趣，達到在知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀這三個維度上的要求。

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