普林斯顿经典 | 一本影响了全世界物理学教育的奇书

文摘   2024-11-19 18:17   北京  

。聚合

Editor's Note


埃里克·M·罗杰斯(Eric M. Rogers, 1902–1990)是英国著名物理学家和教育家,以其在科学教育领域的开创性贡献享有盛誉。他在20世纪60年代引领了英国中学物理教育的革新,推动了科学教学方法的现代化。罗杰斯曾在普林斯顿大学及英国多所著名学府任教,致力于将物理学理论以通俗易懂的方式传达给更广泛的受众,启发人们对科学本质的理解。

罗杰斯以独特的教学方法和启发式讲解风格闻名,他的经典著作 Physics for the Inquiring Mind 基于他在普林斯顿大学备受欢迎的讲座内容,首次出版于1960年。书中精选了物理学中的核心主题,展现了科学知识的形成路径,论述了如何通过阅读、讨论与实验培养科学思维,并以风趣而深刻的方式引导读者探讨物理学的本质。

*本文转载自公众号“科学的故事”,“普林斯顿读书汇”已获转载授权。(点击文末“阅读原文”查看原文链接)

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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)



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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?


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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Physics for the Inquiring Mind: The Methods, Nature, and Philosophy of Physical Science

对物理学的基础理解是全面教育的重要组成部分,在当今时代尤为关键。Physics for the Inquiring Mind 打破了关于物理学的常见误解,深入讲解了物理学家的思维方式与推理方法。该书最初于1960年出版,基于埃里克·M·罗杰斯在普林斯顿大学广受欢迎的讲座内容。这部经典之作历久弥新,不仅为科学的本质与方法提供了深刻的见解,还为新一代读者带来了科学发现的无限乐趣。


这本书以非科学专业读者为目标,文笔风趣真诚,精选了诸多主题,展现了科学知识如何通过阅读、讨论与实验得以培养,帮助读者学会独立形成观点,逻辑思考科学问题。书中既体现了物理学家对优良理论的热忱,也通过现实案例展示了科学方法的实际应用。

Physics for the Inquiring Mind 是大学生及任何想要真正了解物理学和提升科学智慧的读者必读之书。


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