關(guān)于光的科學(xué)實驗精選(九篇)
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第1篇：關(guān)于光的科學(xué)實驗范文
一、隱性知識的定義
知識分為隱性知識和顯性知識。隱性知識不易識別，難用數(shù)字、公式和科學(xué)法則等來表達(dá)，也很難用文字、語言來精確描述，不易模仿和復(fù)制。如經(jīng)驗、啟示、策略、思維方法、思想情感等。小學(xué)科學(xué)教材中蘊含著大量的隱性知識，這部分知識在教材中并沒有明確的文字表述。需要教師通過對教材中的隱性知識進(jìn)行開發(fā)和擴展，或者讓學(xué)生做出一定的技能和思維活動的展示才能挖掘。但在科學(xué)課教學(xué)目標(biāo)中，又對這些知識有一定的體現(xiàn)和要求。因此，開發(fā)和運用小學(xué)科學(xué)教材中的隱性知識對科學(xué)課教學(xué)有著重要的作用。
二、小學(xué)科學(xué)教材中隱性知識的表現(xiàn)形式
小學(xué)科學(xué)教材內(nèi)容豐富，其一般由文字、插圖和實物和實景照片幾部分構(gòu)成。教材中的文字又一般包括目錄、引言、正文、提示、資料庫。除了教材中顯性的科學(xué)概念、科學(xué)實驗過程，科學(xué)教材中的隱性知識往往需要教師們從顯性的文字、插圖、照片中進(jìn)行關(guān)聯(lián)、提升，才能挖掘。這些隱性知識往往是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法、科學(xué)技能和素養(yǎng)的重要資源。筆者從教材中隱性知識存在的載體來分類，大致分為文字類隱性知識、插圖類隱性知識和照片類隱性知識。從隱性知識的作用來分，又可以把教材中的隱性知識分為科學(xué)史的延伸、科學(xué)知識結(jié)構(gòu)的拓寬、科學(xué)實驗設(shè)計能力與技能的加強、科學(xué)責(zé)任感的培養(yǎng)意識等。下面以五年級上冊第二單元《光》的內(nèi)容為例具體談?wù)勅绾伍_發(fā)運用隱性知識拓寬學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，深化知識內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素養(yǎng)。
三、隱性知識的開發(fā)和運用
1.結(jié)合科學(xué)史，鼓勵學(xué)生從感知中總結(jié)規(guī)律
《光》的目錄來看，按順序來看分別就是光和影、陽光下的影子、光是怎樣傳播的、光的反射、光與熱、怎樣得到更多的光和熱、做個太陽能熱水器、評價我們的太陽能熱水器?！豆狻穯卧@性的目錄文字，蘊含了科學(xué)史的發(fā)展，包含了人類認(rèn)識事物的規(guī)律與歷程。
人們對光的認(rèn)識首先來源于觀察和實踐，在感性認(rèn)識上得出一般規(guī)律。北宋沈括的《夢溪筆談》就記錄了通過“鳶東則影西，鳶西則影東”的影子觀察來了解光的直線傳播的原理。我國春秋戰(zhàn)國時期的《墨經(jīng)》中記載了光的直線傳播和在鏡中反射等現(xiàn)象。如《墨經(jīng)》，經(jīng)云“景，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在遠(yuǎn)近有端，與于光，故景庫內(nèi)也?！边@是古代的關(guān)于光的故事，蘊含小孔成像的原理，這可以算作世界上最早對光的認(rèn)識的記載。
因此，教材的編制中蘊含了大量科學(xué)史的內(nèi)容，挖掘科學(xué)史，鼓勵學(xué)生從感知中總結(jié)規(guī)律。
2.銜接關(guān)聯(lián)內(nèi)容，拓寬學(xué)生知識結(jié)構(gòu)
《光》的第二課《陽光下的影子》一課最后，有這樣一段話：堅持一段時間的觀察，看看我們對陽光下物體影子的變化還有什么新的發(fā)現(xiàn)？這里的新發(fā)現(xiàn)所蘊含的隱性知識就是指的當(dāng)?shù)刂形?2點，可能并不是太陽位置最高的時候，因此影子也不是最短的時候。這就隱含了和后面“宇宙”“時間”單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容相互的關(guān)聯(lián)?！豆夂蜔帷芬徽n，也涉及了高溫物體將熱能轉(zhuǎn)化為光能，能量轉(zhuǎn)化的問題，《做個太陽能熱水器》也涉及了熱傳導(dǎo)的方式，也都和后面五年級下冊“熱”單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容相互的關(guān)聯(lián)。
因此，開發(fā)教材中的隱性知識，銜接關(guān)聯(lián)的知識內(nèi)容，能拓寬學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，深化學(xué)生對科學(xué)知識的認(rèn)識。
3.重視“實驗設(shè)計和操作”，提升學(xué)生的創(chuàng)新與探究能力
在《光是怎樣傳播的》一課中，教材中已經(jīng)包括了兩個探究實驗來證明光是怎么傳播的，這兩個實驗材料簡單、操作容易。但在教材第29頁，有這樣的一句話：“我們還能用其他的方法證明光的傳播路徑嗎？”這句話涵蓋了用多種方法科學(xué)探究找到光的直線傳播的規(guī)律，讓學(xué)生掌握科學(xué)探究的基本環(huán)節(jié)的隱性知識。即“提出問題-猜想與假設(shè)-設(shè)計實驗-進(jìn)行實驗-得出結(jié)論-交流與評估”的科學(xué)研究方法。教師如果在這里培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，給學(xué)生提供大量器材，適當(dāng)?shù)臅r間，讓他們自己設(shè)計實驗，選擇器材，經(jīng)歷實驗過程，并在其中思考，交流，動手，探索，感悟，對學(xué)生的創(chuàng)新與探究能力的提升非常有幫助。針對這個問題，教師可以利用“丁達(dá)爾現(xiàn)象”給學(xué)生提供一些材料，學(xué)生可以自由選擇材料設(shè)計簡單的實驗裝置進(jìn)行探究。
研究的問題 驗證光的傳播路徑
假設(shè)
實驗設(shè)計與記錄 選用的材料：在下面的選項前面打√：
水槽肥皂水牛奶
果凍清水激光筆 結(jié)論：
實驗方法：（簡要圖文說明）
4.從科學(xué)延伸到社會，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)
第2篇：關(guān)于光的科學(xué)實驗范文
關(guān)鍵詞: 信息技術(shù)科學(xué)教學(xué)細(xì)節(jié)處理
在新的教育理念的指導(dǎo)下,以計算機為基礎(chǔ)的信息技術(shù)不斷地深入教育教學(xué)的各個領(lǐng)域,信息技術(shù)手段已成為一種強有力的、不可或缺的教學(xué)工具。越來越多的教學(xué)實踐證明,信息技術(shù)與科學(xué)教學(xué)有效整合下的課堂教學(xué)具有形象直觀、有趣生動等特點,能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,使之產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣,在愉悅的情景中建構(gòu)知識,培養(yǎng)能力。但信息技術(shù)與科學(xué)學(xué)科教學(xué)的“融合”中也日益暴露了的一些“矛盾”。為營造理想的教學(xué)環(huán)境,關(guān)注信息技術(shù)在科學(xué)教學(xué)中的細(xì)節(jié)成了時下一線教師關(guān)注的焦點。筆者結(jié)合平時的教學(xué)經(jīng)驗,談?wù)勑畔⒓夹g(shù)在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)注意的一些細(xì)節(jié)處理的體會。
一、精心解決“傳統(tǒng)技術(shù)”與信息技術(shù)的“矛盾”細(xì)節(jié),使科學(xué)教學(xué)更豐富。
傳統(tǒng)技術(shù)如實驗、掛圖、實物的表達(dá)在與信息技術(shù)的呈現(xiàn)上常有些矛盾,例如課件的呈現(xiàn)順序往往會影響到學(xué)生的有效接受。因此,我們有必要精心解決“傳統(tǒng)技術(shù)”與信息技術(shù)的“矛盾”細(xì)節(jié),使科學(xué)教學(xué)更豐富。
1.信息技術(shù)應(yīng)與實驗兼顧的“矛盾”細(xì)節(jié)處理
科學(xué)教學(xué)過程中常涉及一些自然現(xiàn)象,而有些自然現(xiàn)象需要通過科學(xué)實驗的表達(dá),盡管多媒體技術(shù)可以將科學(xué)實驗過程逼真地模擬出來,但這畢竟只是模擬,科學(xué)是需要用事實來說話的,模擬的與事實是否相同呢?這必將導(dǎo)致學(xué)生心存疑惑?？茖W(xué)實驗又往往伴隨著物體的運動、發(fā)光、發(fā)熱、顏色與形態(tài)的變化,有時甚至是爆炸等極端現(xiàn)象。比如課堂教學(xué)的演示實驗,學(xué)生可以參與其中,在保證安全的前提下由學(xué)生親手完成整個實驗的過程,不僅可以增強學(xué)生的動手能力,而且可以使學(xué)生體驗科學(xué)探索的途徑,分享成功的喜悅。因此信息技術(shù)與實驗的兼顧勢在必然,但在信息技術(shù)與實驗兼顧的過程中常會出現(xiàn)教學(xué)細(xì)節(jié)處理上的的“矛盾”。
(1)一般演示實驗的表達(dá)細(xì)節(jié)
科學(xué)的總體教學(xué)目標(biāo)就是要培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素養(yǎng),積極的科學(xué)探究,以及一定的動手操作能力。因此,實驗在科學(xué)課堂上所起的作用是十分重要的。信息技術(shù)中的模擬動畫實驗是不能完全代替演示實驗的,彼此割裂的兩種技術(shù)都存在缺陷,但在操作上演示實驗在課堂上的表達(dá)存在著很多需注意的細(xì)節(jié)。如在呈現(xiàn)順序上就值得推敲,是該實驗先進(jìn)行實驗,還是先用課件表達(dá)?經(jīng)過教學(xué)實踐的證明,先進(jìn)行演示實驗然后課件再展示,這樣更有利于學(xué)生的認(rèn)知。例如:《聲音的傳播實驗》,當(dāng)教師逐漸抽出空氣時,學(xué)生感受到聲音的變?nèi)跏侨绱酥鎸?這種真實感是用動畫模擬感受不到的,雖然多媒體能展示實驗演示的全過程。當(dāng)然演示后,教師可以通過多媒體的播放回顧實驗,這不僅可以節(jié)省時間,而且能很好地體現(xiàn)實驗全過程,另外也為一些未注意觀察的學(xué)生提供了一次了解實驗的機會。把握了這種呈現(xiàn)方式上的細(xì)節(jié),教學(xué)的深刻性就會在信息技術(shù)應(yīng)與實驗兼顧的“矛盾”處理中得到很好的解決。
(2)抽象演示實驗的表達(dá)細(xì)節(jié)
由于一些實驗條件的限制學(xué)生自身知識結(jié)構(gòu)的缺乏,一些課本上的實驗很難在課堂上進(jìn)行操作演示。比如像生命科學(xué)部分,有些生理過程,往往是看不見、摸不著的,或者是生命的生理活動太快或太慢,學(xué)生不易觀察,憑借傳統(tǒng)的教學(xué)手段,借助于圖像、模型等來講述生理過程、現(xiàn)象,只能是紙上談兵難以達(dá)到預(yù)期的效果。教師利用信息技術(shù)進(jìn)行演示,使書本中原本靜止無聲的描述也就變得生動形象,然后師生針對信息技術(shù)進(jìn)行演示的內(nèi)容歸納得出,這樣能使學(xué)生在輕松愉快的氛圍中掌握知識,激發(fā)求知欲,體驗信息技術(shù)的魅力。
(3)學(xué)生探究實驗的表達(dá)細(xì)節(jié)
新課程的理念之一是注重學(xué)生探究能力的提高。學(xué)生探究能力的提高離不開探究實驗的實施,問題是科學(xué)教學(xué)中的探究實驗往往跨時較多,涉及的環(huán)節(jié)復(fù)雜。多媒體的融入為實驗探究的順利進(jìn)行提供了可能。若靠單一的實驗很容易造成實驗環(huán)節(jié)的疏忽,這時課件就能起到良好的提醒作用。至于在細(xì)節(jié)處理上,怎樣才能使之更合理呢?根據(jù)教學(xué)實踐來看,每完成一個環(huán)節(jié)及時通過課件展示,這樣不僅能肯定剛才的實驗成果,而且能使探究緊湊完成。如:探究歐姆定律時,從問題的提出到實驗的進(jìn)行,中間的實驗設(shè)計環(huán)節(jié)需要及時呈現(xiàn)學(xué)生的討論結(jié)果或方案,教師應(yīng)在設(shè)計課件時事先預(yù)定方案,當(dāng)學(xué)生給出方案后媒體就可以出場了。此時傳統(tǒng)技術(shù)和信息技術(shù)的“矛盾”即轉(zhuǎn)變成了融合。
2.屏幕與傳統(tǒng)板書共存的“矛盾”細(xì)節(jié)處理
課堂教學(xué)是一個復(fù)雜的過程,教材、教師、學(xué)生三者的思維不可能完全吻合,因此,課堂教學(xué)需要隨機應(yīng)變,需要教學(xué)機智。若全用屏幕來替代,多媒體系統(tǒng)也就成了電子板書,也就無法展現(xiàn)教師教、學(xué)生學(xué)的思維過程,這樣教學(xué)的價值會大打折扣。所以傳統(tǒng)板書的存在依然有它必要的地方,比如:物質(zhì)科學(xué)部分的微粒含義的理解,教師在板書的過程中,往往可以通過更換不同顏色的粉筆、利用各種不同的符號或圈圈點點來突出重要知識點。雖然這些也能設(shè)計成良好的電子板書并展現(xiàn),但在使用上會覺得很刻板,無法及時更改,總有不方便之處。那么如何解決屏幕與傳統(tǒng)板書共存的“矛盾”呢?從新課程實施以來,關(guān)于這種“矛盾”爭論的從沒停止過,從筆者來看,有些重要知識即便在屏幕上有展現(xiàn),但當(dāng)切換屏幕后它在學(xué)生頭腦中的停留勢必縮短,如果能在黑板上保留,那么本節(jié)課的思路就可以貫穿始終。而在保留板書的過程中,教師要注意枝節(jié)的削減,保留主干,并能在保留中有所創(chuàng)新,這樣不僅能使“矛盾”得以處理,而且會使課堂煥發(fā)出新的活力。
二、精心設(shè)計信息技術(shù)在不同課型中的“出場”細(xì)節(jié),使科學(xué)教學(xué)更具魅力。
1.科學(xué)觀察課中信息技術(shù)的細(xì)節(jié)處理
科學(xué)教學(xué)在生命科學(xué)的篇章中經(jīng)常要觀察一些生命現(xiàn)象,如果在這樣的觀察課中不動用信息技術(shù),那必然會使課堂失去一些色彩。因為信息技術(shù)能提供生動形象的聲像信息,可以不受時間、空間的限制,在教學(xué)中能顯示所要觀察的科學(xué)事物,同時,信息技術(shù)還能對時間進(jìn)行縮放,在顯示事物變化發(fā)展過程中有獨特的功能。但濫用信息技術(shù),學(xué)生受聲光刺激過強會出現(xiàn)適應(yīng),而激不起興趣。因此信息技術(shù)在觀察課中的細(xì)節(jié)處理尤為重要。例如:《觀察蝸?！芬徽n是以蝸牛身體的特征為內(nèi)容的綜合型觀察課。若教師機械地在屏幕上講解各部分的結(jié)構(gòu)作用,雖然信息技術(shù)增強蝸牛畫面的能見度,但對于學(xué)生的興趣還是難以激發(fā),為了能使信息技術(shù)用得巧、用得妙,教師能就得把信息技術(shù)藏著掖著,故意賣關(guān)子。筆者先讓實物蝸牛出場,讓學(xué)生觀察好了,匯報所看到的,在總結(jié)過程“請出”屏幕上的蝸牛與大家共賞。這時學(xué)生受屏幕中像畫面大小與實物大小差異的刺激,興趣更易激發(fā),在學(xué)習(xí)過程中更易保持學(xué)習(xí)的積極性。
2.科學(xué)復(fù)習(xí)課中信息技術(shù)的細(xì)節(jié)處理
一段時間的教學(xué)總需要總結(jié)。信息技術(shù)有它獨到的優(yōu)點,信息量大,綜合性強,能將非?，嵥榈目茖W(xué)知識很好的呈現(xiàn)。但在實際操作中教師若一味地播放過往知識要點,就顯得單調(diào)貧乏,學(xué)生的注意力持久性就會降低。通常在復(fù)習(xí)課中信息技術(shù)的出場幾率是比較高的,但要注意出場的細(xì)節(jié)。比如復(fù)習(xí)到《生命科學(xué)保護色、擬態(tài)》的理解時,在恰當(dāng)?shù)臅r候,教師若播放相應(yīng)的圖片或視頻,學(xué)生對此的理解必然會深刻得多。再如關(guān)于光的反射和折射是一個很難分清的知識點,特別是生活中關(guān)于水中的反射和折射更易混淆。如果教師在此恰當(dāng)?shù)臅r候展現(xiàn)畫面,如水中的白云與魚兒,并通過信息技術(shù)展現(xiàn)作圖原理,那么不僅能使知識點容易辨別,而且能節(jié)省教師作圖所用的時間。這樣既避免了屏幕播放單純知識的單調(diào)貧乏又落實了學(xué)生對知識的理解。若復(fù)習(xí)課中教師注重這樣有效的合理搭配、關(guān)注細(xì)節(jié)處理,信息技術(shù)的魅力才能持久。
三、精心處理“內(nèi)容呈現(xiàn)”上的細(xì)節(jié),使信息技術(shù)在科學(xué)教學(xué)中大放光彩。
縱觀以上的一些細(xì)節(jié)處理,其實在教學(xué)中“內(nèi)容呈現(xiàn)”上的細(xì)節(jié)更值得教師注意。從學(xué)生觀看、學(xué)習(xí)有效的角度教師需注意以下一些細(xì)節(jié)。
1.關(guān)于信息量的細(xì)節(jié)處理
“信息轟炸”已成為教學(xué)一線的弊端,許多教師力求把科學(xué)中的各種注意點都在屏幕上展現(xiàn),包括書本上的一些圖片、要點,能呈現(xiàn)的盡量呈現(xiàn),其實這樣的操作不僅重點突出不了,而且學(xué)生不可能看全屏幕上的要點,并加以內(nèi)化。一節(jié)課下來,有些教師課件中的幻燈片放了幾十張,五彩繽紛的多媒體信息包圍著學(xué)生,其琳瑯滿目的程度令人頭昏目眩,極易導(dǎo)致視、聽覺疲勞,思維訓(xùn)練的不足,學(xué)生在信息技術(shù)的刺激下成了“迷航”的“水手”,其實關(guān)于信息量的處理不在多而在與精。只要到位不需要太多的幻燈片呈現(xiàn),從筆者的教學(xué)實踐來看,一節(jié)課的PowerPoint幻燈片數(shù)不應(yīng)超過15張的教學(xué)內(nèi)容,因為多了學(xué)生就停留在了表面的視覺應(yīng)付上,疲于接受。
2.關(guān)于字體大小細(xì)節(jié)處理
科學(xué)教學(xué)時常需呈現(xiàn)一些概念,而概念的呈現(xiàn)涉及字體的大小把握,這關(guān)系到學(xué)生的視覺接受能力,比如一個大標(biāo)題物體的顏色就適合選擇60號左右的字體、黑體呈現(xiàn)。如果是大標(biāo)題下的定義或要點則至少要達(dá)到36號字體以上、黑體呈現(xiàn),比如光的反射定律,“反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi);反射光線、入射光線分居在法線的兩側(cè);反射角等于入射角”。當(dāng)然同一屏幕字體的大小種類也不適合繁多,從大標(biāo)題到小標(biāo)題最好控制在三種以內(nèi),能突出層次而又不紛亂,這樣的視覺效果更易被學(xué)生接受。
3.關(guān)于色彩搭配細(xì)節(jié)處理
信息技術(shù)在追求質(zhì)感畫面的同時,若同一屏幕下色彩紛呈,不僅會使學(xué)生的注意力不易集中,而且會使其覺得眼花繚亂,致使學(xué)習(xí)的效率不能有效地提高。如果是一般的字體內(nèi)容,不同顏色的字體不宜超過三種,并且字體大小的搭配也需與顏色謹(jǐn)慎考慮,在同一句語句中不適合采用三種或三種以上的顏色搭配,一般在同一語句中的顏色跳躍的次數(shù)也不宜過頻繁。比如:“蒸發(fā)在任何溫度下都能進(jìn)行,蒸發(fā)發(fā)生在液體的表面,是一種不易覺察緩慢的汽化現(xiàn)象”,在強調(diào)其中的要點“任何溫度、表面、緩慢”這些詞語時就不宜采用三種不同的色彩,只適合同樣同種色彩的處理,也就是將強調(diào)的要點與語句本色的顏色設(shè)成不一樣即可達(dá)到強調(diào)的目的。
毋庸置疑,關(guān)注信息技術(shù)的表達(dá)細(xì)節(jié),取決于教師以怎樣的方式將它用到教學(xué)中恰當(dāng)?shù)沫h(huán)節(jié),使之成為教學(xué)的有機部分,促成科學(xué)課堂更精彩。
參考文獻(xiàn):
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第3篇：關(guān)于光的科學(xué)實驗范文
文章摘要：摘 要:簡要地論述了目前國內(nèi)光學(xué)工程教學(xué)現(xiàn)狀,分析了在光學(xué)工程教學(xué)與科研領(lǐng)域中處于一流地位的多所美國大學(xué)的教學(xué)方式,如亞利桑那大學(xué)、羅切斯特大學(xué)以及加州大學(xué)等,仔細(xì)研究了它們關(guān)于光學(xué)工程學(xué)科的課程設(shè)置、教學(xué)大綱和教學(xué)課件。結(jié)合作者在教學(xué)中的實際...
摘 要:簡要地論述了目前國內(nèi)光學(xué)工程教學(xué)現(xiàn)狀,分析了在光學(xué)工程教學(xué)與科研領(lǐng)域中處于一流地位的多所美國大學(xué)的教學(xué)方式,如亞利桑那大學(xué)、羅切斯特大學(xué)以及加州大學(xué)等,仔細(xì)研究了它們關(guān)于光學(xué)工程學(xué)科的課程設(shè)置、教學(xué)大綱和教學(xué)課件。結(jié)合作者在教學(xué)中的實際體會,對國內(nèi)的光學(xué)工程學(xué)科的大學(xué)教學(xué)提出了幾點建議,即師生共享教學(xué)大綱,注重實驗與工程,豐富網(wǎng)絡(luò)資源。
關(guān)鍵詞:光學(xué)工程;課程設(shè)置;教學(xué)大綱;實驗;工程;網(wǎng)絡(luò)資源
光學(xué)工程是國家一級學(xué)科,其理論基礎(chǔ)為光學(xué)、光電子學(xué)、應(yīng)用光學(xué)、量子光學(xué)和非線性光學(xué)等。目前,光學(xué)工程已發(fā)展為以光學(xué)技術(shù)與信息科學(xué)為基礎(chǔ),與能源科學(xué)、材料、生命科學(xué)、精密機械與制造、計算機科學(xué)、醫(yī)學(xué)及微電子技術(shù)等緊密交叉和相互滲透學(xué)科。 近幾年來,光電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,對光學(xué)工程專業(yè)的人才需求增加。為了適應(yīng)時代的需求,許多高校紛紛設(shè)立與光學(xué)工程有關(guān)的院系,如國防科技大學(xué)的光電科學(xué)與工程學(xué)院、重慶大學(xué)的光電工程學(xué)院、電子科技大學(xué)的光電信息學(xué)院、天津大學(xué)的精密儀器與光電子學(xué)院等。
有的院校雖然沒有單獨設(shè)立院系,但都開設(shè)了相應(yīng)的專業(yè)方向,如北京理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院光電工程系、上海交通大學(xué)光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)等。 雖然光學(xué)工程已經(jīng)引起國人的重視,但它畢竟是一門新興的學(xué)科,如何辦好該學(xué)科,以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需求,高質(zhì)量地培養(yǎng)光學(xué)工程人才是許多高校乃至整個國家需要解決的課題。社會的發(fā)展對高校人才培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn),要培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)在和未來社會的高素質(zhì)復(fù)合人才就必須創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式,本科是創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)。本文對眾多美國知名大學(xué)的教學(xué)方式進(jìn)行了研究,并對在光學(xué)工程教學(xué)與科研領(lǐng)域中處于一流地位的亞利桑那大學(xué)(University of Arizona)[1]、羅切斯特大學(xué)(University of Rochester)[2]以及加州大學(xué)(University of California)[3]等大學(xué)的教學(xué)目標(biāo)、課程設(shè)置、教學(xué)大綱和教學(xué)課件進(jìn)行了分析,結(jié)合目前國內(nèi)教學(xué)的實際情況以及作者在多年教學(xué)中的切身感受,對國內(nèi)光學(xué)工程學(xué)科的大學(xué)教育提出了幾點建議。
教學(xué)大綱是按照教學(xué)計劃中關(guān)于各學(xué)科的教學(xué)目的和任務(wù),根據(jù)學(xué)生的特點、知識水平以及發(fā)展學(xué)生智力的需要,以綱要的形式,具體規(guī)定每門學(xué)科的教材范圍、深度、體系和結(jié)構(gòu)、教學(xué)時間以及教學(xué)法上的具體要求。最近改名為課程標(biāo)準(zhǔn),它是在上述要求的基礎(chǔ)上增加了過程與方法、情感態(tài)價值觀等方面的內(nèi)容。 在國內(nèi),教學(xué)大綱一般由教學(xué)管理部門或任課老師制定, 在課程的第一次課,多數(shù)教師會將大綱的主要內(nèi)容告知學(xué)生。學(xué)生很少參與大綱的制定,只是被動地接收受已經(jīng)制定好的內(nèi)容。
在美國,絕大多數(shù)大學(xué)都要求教師和他們的學(xué)生共享教學(xué)大綱。老師的第一次課并不講授具體的知識,而是把教學(xué)大綱發(fā)給學(xué)生,和學(xué)生一起討論教學(xué)大綱,以達(dá)成某種共識。 教學(xué)大綱更合理。“教學(xué)”是由教師的“教”和學(xué)生的 “學(xué)”所組成的雙邊活動。如果教學(xué)大綱只是由“教”這一邊來制定,由于對學(xué)生的實際情況了解不夠深入,它可能符合老師 “教”的要求,而非常不利于學(xué)生的“學(xué)”。如課程中的一些背景知識,老師在制定大綱的時候認(rèn)為學(xué)生已經(jīng)掌握,但學(xué)生并沒有掌握,這樣就會導(dǎo)致知識的斷點;相反,則可能會出現(xiàn)知識點重復(fù)。
這種情況在我們的教學(xué)中是很難完全避免的。如果老師在正式上課之前,將教學(xué)大綱拿到課堂上與學(xué)生一起討論,聽取學(xué)生意見,合理地采納學(xué)生的一些建議,可以使所制定的教學(xué)大綱不僅適合教師的“教”,而且還適合學(xué)生的 “學(xué)”。 為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供指南。通過對教學(xué)大綱的學(xué)習(xí)與討論,學(xué)生可以很好地把握這門課程所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容,從而作出選修與否的決定。
在學(xué)習(xí)的過程中,學(xué)生可以不時地拿出課程大綱,對照自己的學(xué)習(xí)情況確定是否達(dá)到課程大綱的要求。另外由于學(xué)生很好地掌握了每次課將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容,根據(jù)自己的實際情況做出是否要提前預(yù)習(xí),會使整個學(xué)習(xí)過程更輕松,學(xué)習(xí)更具有系統(tǒng)性和條理性。 約束教師的教學(xué)。教學(xué)大綱是教師和學(xué)生共同制定的,這就相當(dāng)于教師和學(xué)生之間的一種契約,在教師要求學(xué)生 “學(xué)”的同時對教師的“教”也提出了要求。教師在教的過程這必須嚴(yán)格地按照教學(xué)大綱來進(jìn)行,不能隨意地增加、刪減內(nèi)容、調(diào)整教學(xué)次更改教學(xué)時間,不能不公正地評定學(xué)生的成績等。這在一定程度上可以約束教師的行為,提高教師的素質(zhì)和教學(xué)質(zhì)量。 “光學(xué)工程”是一門年輕的學(xué)科,許多課程的教學(xué)大綱還處于制定和完善狀態(tài)。
讓學(xué)生參與到大綱的制定中,使我們的大綱不僅適合教師的“教”,而且還有利于學(xué)生的“學(xué)”,為高質(zhì)量的“教學(xué)”打下基礎(chǔ)。 “光學(xué)工程”是一門工科學(xué)科,學(xué)生的動手能力和工程實踐能力對其將來的工作有很大影響。因此,學(xué)生在大學(xué)階段所受的實驗和工程方面的教育就顯得尤為重要。事實上,在光學(xué)工程領(lǐng)域中處于一流地位的美國亞利桑那大學(xué)、羅切斯特大學(xué)等學(xué)校都是非常注重實驗和工程的。
第4篇：關(guān)于光的科學(xué)實驗范文
從平面走向立體的光色描繪
在繪畫領(lǐng)域發(fā)生的第一次變革正是對光與色的強調(diào)。追求光色真實性的畫家們嘗試著描繪陰影，通過對陰影處的完美表達(dá)讓他們捕捉到了層次豐富的光色，觀眾第一次在諸如衣褶間觀察到了人物形象的立體感，畫面光色形象據(jù)此從單純的平面走向了光影交織且豐富的立體。作品不再是簡單的前景和背景間平色的區(qū)分，人們在畫面中看見了活靈活現(xiàn)的色彩形象及其光影空間，這大概發(fā)生在古羅馬時期，到了歐洲文藝復(fù)興及其以后，古典光與色的寫實畫風(fēng)被推向了頂峰。
可見光色與光譜
牛頓于17世紀(jì)做了一個具有里程碑意義的白光（太陽光）色散的科學(xué)實驗，這也是牛頓致力于顏色的現(xiàn)象和光的本性的研究。1666年，牛頓用三棱鏡研究白光，得出了令人激動的結(jié)論。白光是由不同顏色（即不同波長）的光組成，不同波長的光具有不同的折射率。在可見光中，紅光波長最長，折射率最??；紫光波長最短，折射率最大。牛頓的這一重要發(fā)現(xiàn)成為光譜分析的基礎(chǔ)，揭示了光色的秘密。
可見光的光譜排序為：紅、橙、黃、綠、藍(lán)，靛、紫，和彩虹的光譜排序一樣。實際上，光譜可以超越可見光的光譜范圍，其波長可以更長（比紅色長），也可以更短（比紫色短）。在光譜上，不同的波長對應(yīng)著一定的能量。根據(jù)丹麥著名物理學(xué)家玻爾的玻爾模型，光譜是原子中電子從激發(fā)態(tài)回到較低能量狀態(tài)時發(fā)出的光子產(chǎn)生的。我們看到的光的各種顏色是由發(fā)光體各類原子發(fā)射的某個能量（頻率）的光子所產(chǎn)生的。白光通過棱鏡可分解成波長不一的光譜。我們可以說，各類原子構(gòu)成光的來源，無論是電光還是遙遠(yuǎn)的星光。這是光譜科學(xué)的基礎(chǔ)。
追求具有新鮮感的光色表達(dá)
印象主義是歐洲乃至世界繪畫史上的一次大革命，對近代繪畫的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。法國畫家莫奈是印象派的主要代表人物之一。印象派名稱的由來，就是從莫奈的油畫《日出?印象》中的“印象”一詞而來。因而，莫奈之名與“印象主義者”一語有著不可分離的關(guān)聯(lián)。
莫奈是一位“光色”的謳歌者，他不斷地探索描繪明亮陽光照射下的自然景物。他探索的一個目的是要把物體之間的維系點找出來。對他而言，這象征著逐漸克服的自然界線，如海與洋之間的聯(lián)系物。有些維系點是他發(fā)現(xiàn)并分開物體間的關(guān)鍵。
如果說莫奈是印象派的發(fā)起者，那么法國另一位畫家喬治?修拉則是新印象派（新印象主義）的創(chuàng)始人。1878年，修拉開始對當(dāng)時所有關(guān)于光和色的科學(xué)理論產(chǎn)生了興趣。他發(fā)現(xiàn)繪畫必須用到眼睛，因此開始徹底研究視覺現(xiàn)象，并不斷研讀繪畫技法書籍，甚至涉獵幾何學(xué)以及物理學(xué)。而此時，英國物理學(xué)家麥克斯韋已經(jīng)預(yù)測到了各種可見色光、乃至自然中存在的運行速度與可見光相同的輻射都是電磁交替的橫波。修拉還熟讀了法國化學(xué)家謝弗勒在1839年所寫的《色彩的協(xié)調(diào)與對比原理》一書，該書寫到：“任何單獨的顏色都被其補色的光暈所影響。”這種光學(xué)原理是印象派所信奉并實踐的金科玉律，但沒有一位畫家能像修拉那樣，將此原理如此徹底地實踐，及創(chuàng)造新的理論。
修拉專心研讀了有關(guān)色彩的科學(xué)著作，決心以科學(xué)的色彩方法將印象主義從直覺印象引向理性分析，以合乎規(guī)律的筆觸給光色和物象以永恒的形式。1884年，他全面走上新印象主義道路，其代表作品是《大碗島星期日的下午》，該作品以新印象主義特有的色彩分割畫面，并配以彩點，使畫面有著燦爛的光色感和朦朧的意境，人物、景物的細(xì)部雖不清晰，但整體感清晰可辨。
新印象派是對印象派光色運用的進(jìn)一步科學(xué)化和精確化。修拉獨創(chuàng)的“點”描技法與配色，可以讓觀眾的眼睛在點與色之間產(chǎn)生一種色彩和諧感。修拉稱這種技巧在繪畫派別上被稱為“分光派”，也是后來藝術(shù)史家所稱的“點描派”。
20世紀(jì)畫壇表現(xiàn)出的多樣性的光色
從19世紀(jì)末邁入20世紀(jì)，各類藝術(shù)家都被第四維及其描繪方法迷住了。對非歐幾何這樣的數(shù)學(xué)概念，以及對電磁波、X射線和電子等這樣最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)的興趣，激起了他們以空間繪畫藝術(shù)等形式將其記錄下來。
第5篇：關(guān)于光的科學(xué)實驗范文
[關(guān)鍵詞]發(fā)散思維 生物學(xué)教學(xué) 培養(yǎng)
[中圖分類號]G42 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1009-5349（2012）09-0205-02
教學(xué)的心理活動主要是思維活動，教學(xué)的主要目的在于使學(xué)生建立良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，這要求我們既要重視思維結(jié)果的教學(xué)，更要重視思維過程的教學(xué)。通過科學(xué)史暴露科學(xué)家的思維，分析教材體系暴露編寫者的思維，介紹教師的方法暴露教師的思維，加強學(xué)習(xí)的反饋暴露學(xué)生的思維，綜合協(xié)調(diào)以上生物學(xué)思維的暴露，及時了解學(xué)生的思維流向，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法。
生物學(xué)思維同一般思維一樣，具有以下基本類型：1.動作思維、形象思維和抽象思維；2.再生性思維和創(chuàng)造性思維；3.直覺思維和邏輯思維。其中創(chuàng)造性思維又稱創(chuàng)新思維，不僅能創(chuàng)見性地揭示生物學(xué)對象的本質(zhì)，并能在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生新穎的思維成果。它包括發(fā)散思維和集中思維。發(fā)散思維又叫求異思維，是逆向思維和多向思維，即反過來想和尋求盡可能多的合理答案。從不同方向、不同角度進(jìn)行多向聯(lián)想，從問題的多種可能方向擴散出去，開闊思維視野，尋求問題的最優(yōu)化解法，是發(fā)散思維的具體表現(xiàn)。集中思維也叫求同思維，是在發(fā)散思維的結(jié)果中尋求解決問題的唯一或最佳答案。其兩者的有機結(jié)合組成了創(chuàng)造性思維。創(chuàng)造性思維是智力高度發(fā)展的結(jié)果，也是生物學(xué)科思維中最有價值的部分。[1]
隨著課程改革的實施，要求學(xué)生不僅掌握基礎(chǔ)知識和基本技能，而能力的培養(yǎng)更加得到重視。本文通過在生物學(xué)教學(xué)中的一些實例，介紹學(xué)生發(fā)散思維能力培養(yǎng)的不同方法，利于提高生物科學(xué)素養(yǎng)。
一、問題情境中激發(fā)思維
問題是思維的起點，思維是在一定的問題情境中產(chǎn)生。教學(xué)中通過創(chuàng)造必要的問題情境，誘發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。如在講授動物細(xì)胞增殖時，給學(xué)生提出了這樣的問題：母親與他孩子的體細(xì)胞數(shù)目是否相同？人在嬰幼兒期、青少年期、老年期等不同的階段體細(xì)胞數(shù)目又是否有所不同？產(chǎn)生差異的原因是什么？通過問題設(shè)置教學(xué)情境激發(fā)學(xué)生的思維而導(dǎo)入新課教學(xué)。
二、概念圖教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維
國內(nèi)外大量的研究證明，概念圖對于構(gòu)建個人概念結(jié)構(gòu)、提高學(xué)生解決問題的能力等方面都有很好的效果，利于學(xué)生空間智能的發(fā)展。在教學(xué)過程中，教師可以根據(jù)具體的教學(xué)情境，結(jié)合其他的教學(xué)策略（比如頭腦風(fēng)暴法、生本教育、合作學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)、問題教學(xué)等）使用概念圖。比如在“光合作用”一節(jié)的教學(xué)中，教師可以將學(xué)生分成小組，把概念圖教學(xué)與頭腦風(fēng)暴法、合作學(xué)習(xí)相結(jié)合來開展教學(xué)，學(xué)生既可以通過自己繪制概念圖來構(gòu)建自己關(guān)于光合作用的認(rèn)知，還可以在與同學(xué)的合作討論中不斷發(fā)現(xiàn)問題，取長補短，彌補自己思維的不足，在反思中不斷完善概念圖。另外教師還可以將概念圖與問題教學(xué)相結(jié)合，教師通過概念圖來呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)不良的問題，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。給學(xué)生以更大的自由度，學(xué)生可以根據(jù)自己的理解及合作討論交流來構(gòu)建概念圖，更有利于學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性思維。[2]
三、在知識的連結(jié)、遷移上發(fā)揮學(xué)生多向思維
如在講授鳥類的結(jié)構(gòu)時，從鳥類適應(yīng)飛翔生活的特征開始，讓學(xué)生在已知動物基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，運用遷移理論展開想象，說出各種答案，如鳥羽、翼、充氣質(zhì)骨、肌肉分布、肌肉成分、氣囊、雙重呼吸、直腸短、雙循環(huán)、一側(cè)結(jié)構(gòu)退化等方面，教師針對學(xué)生提出的各種答案集中歸結(jié)到外部結(jié)構(gòu)，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的骨骼系統(tǒng)、肌肉系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和感官等，進(jìn)而擴展到不能飛翔生活的鳥類原因是什么，結(jié)構(gòu)又有哪些不同？自然過渡完成一節(jié)課程的教學(xué)。
四、在知識的應(yīng)用方面注重學(xué)科間知識的交叉，培養(yǎng)學(xué)生的多向思維
講到魚的經(jīng)濟意義食用方面，很多人苦惱于它的泥土味和腥味，生活中如何處理？烹飪前用鹽水將魚洗凈，就可以去除它的泥土味和腥味。進(jìn)而又引發(fā)學(xué)生思考，鹽這種化學(xué)物質(zhì)是否具有其他作用呢？鼓勵學(xué)生們結(jié)合物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生活實踐發(fā)揮想象，盡可能地說出用途，學(xué)生們的想象力十分豐富。食鹽是最常用的調(diào)味品；可以防治脫發(fā)、可以止血，可以美容，用鹽水洗凍瘡可止癢，早上喝一杯淡鹽水，有助大便通暢，用油炸食物時，將一點鹽放入油鍋內(nèi)，油就不會向外濺了，洗衣服時在水中放些鹽可以防止衣服褪色，用熱鹽湯浸泡雙腳或用炒鹽熨貼腰背和關(guān)節(jié)處，對風(fēng)濕筋骨病，有一定的止痛作用等[3]；但是，食鹽攝取過多對人體又會產(chǎn)生副作用，血壓升高……這樣在多學(xué)科間促進(jìn)學(xué)習(xí)遷移。
五、變驗證性實驗為綜合性、設(shè)計性實驗，發(fā)揮學(xué)生逆向思維，大膽否定，重視預(yù)測和猜想，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維
在實驗教學(xué)中增加了實驗選題、設(shè)計與實施的項目。由學(xué)生在教師指導(dǎo)下，在已掌握知識與技能的基礎(chǔ)上，選擇教師提供的生物學(xué)范疇內(nèi)的小課題或自行命題，然后設(shè)計實驗至完成實驗。目的要求：1.訓(xùn)練學(xué)生查閱資料，發(fā)現(xiàn)問題，靈活運用所學(xué)知識和技能設(shè)計實驗，完成實驗，以驗證或解決某一實際問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和能力。2.檢驗全學(xué)期教與學(xué)兩方面的教學(xué)質(zhì)量。實驗原理：學(xué)生在已掌握生物學(xué)基礎(chǔ)知識、基本理論和基本實驗技能的基礎(chǔ)上，在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)實驗室條件，完成選題、設(shè)計實驗、實驗準(zhǔn)備、實施實驗和實驗小結(jié)等全過程。培養(yǎng)動手能力，分析解決問題的能力和創(chuàng)新思維。實驗內(nèi)容：1.查閱資料，選題。2.查閱資料，靈活運用所學(xué)知識和技能設(shè)計實驗。3.實施并完成自行設(shè)計實驗。4.小結(jié)實驗，寫出實驗報告。實驗材料和用品：由學(xué)生根據(jù)實驗需要自行準(zhǔn)備。
六、開展活動課程教學(xué)，提升學(xué)生全面素質(zhì)
一般的生物課在知識的系統(tǒng)性和學(xué)習(xí)的效率性上占優(yōu)勢，生物學(xué)活動課在促進(jìn)知識的綜合化、培養(yǎng)創(chuàng)造能力、發(fā)展個性特長和促進(jìn)理論與實踐相結(jié)合等方面占有明顯的優(yōu)勢，生物活動課具有科普講座、科學(xué)實驗、科學(xué)觀察、科技小制作、科技小發(fā)明、科技小論文、參觀訪問、專題調(diào)查等多種活動方式。通過兩者結(jié)合實現(xiàn)課程的優(yōu)勢互補，讓學(xué)生利用業(yè)余時間走出課堂，在生物學(xué)活動課中進(jìn)行小型課題研究和小論文的撰寫，這是培養(yǎng)創(chuàng)造性思維活動的一種良好方式。[4]
總之，在生物教學(xué)中應(yīng)該打破陳舊的教師講學(xué)生聽局面。從新的理念出發(fā)，體現(xiàn)以生為本，靈活運用遷移理論，聯(lián)系學(xué)生實際，挖掘潛能并開啟學(xué)生的發(fā)散思維，并將其與集中思維有機結(jié)合，培養(yǎng)具有獨創(chuàng)性、變通性、敏銳性和綜合性等特點的創(chuàng)造性思維，使學(xué)生養(yǎng)成良好的生物學(xué)思維，提高能力。
【參考文獻(xiàn)】
[1]胡繼飛，鄭曉蕙.生物學(xué)教育心理學(xué)[M].廣州：廣東高等教育出版社，2002：108-110.
[2]郭杏，鄭曉蕙.概念圖在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].生物學(xué)教學(xué)，2006.31（5）：76-78.
第6篇：關(guān)于光的科學(xué)實驗范文
二十世紀(jì)即將結(jié)，二十一世紀(jì)即將來臨，二十世紀(jì)是光輝燦爛的一個世紀(jì)，是個類社會發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)，也是物理學(xué)發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)。在這一百年中發(fā)生了物理學(xué)革命，建立了相對信紙和量子力學(xué)，完成了從經(jīng)典物理學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué)的轉(zhuǎn)變。在二十世紀(jì)二、三十年代以后，現(xiàn)代物理學(xué)在深度和廣度上有了進(jìn)一步的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了一系列的新學(xué)科的交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科，人類對物質(zhì)世界的規(guī)律有了更深刻的認(rèn)識，物理學(xué)理論達(dá)到了一個新高度，現(xiàn)代物理學(xué)達(dá)到了成熟的階段。
在此世紀(jì)之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展前景，探索今后物理學(xué)發(fā)展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀(jì)之交物理學(xué)發(fā)展的情況，把當(dāng)前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向是很有幫助的。
一、歷史的回顧
十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，經(jīng)典物物學(xué)的各個分支學(xué)科均發(fā)展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到了它的頂峰，當(dāng)時人們以系統(tǒng)的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經(jīng)觀察到的物理現(xiàn)象。由于經(jīng)典物理學(xué)的巨大成就，當(dāng)時不少物理學(xué)家產(chǎn)生了這樣一種思想：認(rèn)為物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，物理學(xué)的發(fā)展基本上已經(jīng)完成，人們對物理世界的解釋已經(jīng)達(dá)到了終點。物理學(xué)的一些基本的、原則的問題都已經(jīng)解決，剩下來的只是進(jìn)一步精確化的問題，即在一些細(xì)節(jié)上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數(shù)測得更精確一些。
然而，在十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，正當(dāng)物理學(xué)家在慶賀物理學(xué)大廈落成之際，科學(xué)實驗卻發(fā)現(xiàn)了許多經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的事實。首先是世紀(jì)之交物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)：電子、X射線和放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。其次是經(jīng)典物理學(xué)的萬里晴空中出現(xiàn)了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結(jié)果”和黑體輻射的“紫外災(zāi)難”。[1]這些實驗結(jié)果與經(jīng)典物理學(xué)的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經(jīng)典物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念受到巨大的沖擊，經(jīng)典物理發(fā)生了“嚴(yán)重的危機”。由此引起了物理學(xué)的一場偉大的革命。愛因斯坦創(chuàng)立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學(xué)家創(chuàng)立了量子力學(xué)。現(xiàn)代物理學(xué)誕生了！
把物理學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀與上一個世紀(jì)之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。
在相對論和量子力學(xué)建立起來以后，現(xiàn)代物理學(xué)經(jīng)過七十多年的發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到了成熟的階段。人類對物質(zhì)世界規(guī)律的認(rèn)識達(dá)到了空前的高度，用現(xiàn)有的理論幾乎能夠很好地解釋現(xiàn)在已知的一切物理現(xiàn)象?？梢哉f，現(xiàn)代物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀(jì)之交的情況很相似。因此，有少數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為今后物理學(xué)不會有革命性的進(jìn)展了，物理學(xué)的根本性的問題、原則問題都已經(jīng)解決了，今后能做到的只是在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上在深度和廣度兩方面發(fā)展現(xiàn)代物理學(xué)，對現(xiàn)有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經(jīng)驗，多數(shù)物理學(xué)家并不贊成這種觀點，他們相信物理學(xué)遲早會有突破性的發(fā)展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學(xué)的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴(yán)重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認(rèn)紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀(jì)之交的情況不同。在上一個世紀(jì)之交，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了“嚴(yán)重的危機”；而在本世紀(jì)之交，現(xiàn)代物理學(xué)并無“危機”。因此，我認(rèn)為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)革命的條件似乎尚不成熟。
雖然在微觀世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學(xué)的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴(yán)重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認(rèn)紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀(jì)之交的情況不同。在上一個世紀(jì)之交，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了“嚴(yán)重的危機”；而在本世紀(jì)之交，現(xiàn)代物理學(xué)并無“危機”。因此，我認(rèn)為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)革命的條件似乎尚不成熟。客觀物質(zhì)世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構(gòu)成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統(tǒng)構(gòu)成。物質(zhì)世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學(xué)研究的目的包括：探索各層次的運動規(guī)律和探索各層次間的聯(lián)系。
回顧二十世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展，是在三個方向上前進(jìn)的。在二十一世紀(jì)，物理學(xué)也將在這三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展。
1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經(jīng)了解了原子核的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了大量的基本粒子及其運規(guī)律，建立了核物理學(xué)和粒子物理學(xué)，認(rèn)識到強子是由夸克構(gòu)成的。今后可能會有新的進(jìn)展。但如果要探索更深層次的現(xiàn)象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務(wù)，所以我認(rèn)為近期內(nèi)在這個方向上難以有突破性的進(jìn)展。
2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當(dāng)時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結(jié)果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據(jù)，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創(chuàng)生，認(rèn)為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來說，現(xiàn)代宇宙學(xué)的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠(yuǎn)處觀測的新結(jié)果，這需要人類制造出比哈勃望遠(yuǎn)鏡性能更優(yōu)越得多的、各個波段的太空天文望遠(yuǎn)鏡，這是很艱巨的任務(wù)。
我個人對于近年來提出的宇宙創(chuàng)生學(xué)說是不太信的，并且認(rèn)為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現(xiàn)在的宇宙學(xué)研究的只是我們能觀測到的范圍以內(nèi)的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數(shù)個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的?，F(xiàn)代宇宙學(xué)只研究我們這個“宇宙”，當(dāng)然只能得到近似的結(jié)果，把他們的延伸到“宇宙”創(chuàng)生了初及遙遠(yuǎn)的未來，則失誤更大。
3）深入探索各層次間的聯(lián)系。
這正是統(tǒng)計物理學(xué)研究的主
要內(nèi)容。二十世紀(jì)在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態(tài)統(tǒng)計物理學(xué)有了得大的發(fā)展，然后建立了“耗散結(jié)構(gòu)”理論、協(xié)同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發(fā)展起來了。近年來把這些分支學(xué)科都納入非線性科學(xué)的范疇。相信在二十一世紀(jì)非線性科學(xué)的發(fā)展有廣闊的前景。
上述的物理學(xué)的發(fā)展依然現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)有的基本理論的框架內(nèi)。在下個世紀(jì)，物理學(xué)的基本理論應(yīng)該怎樣發(fā)展呢？有一些物理學(xué)家在追求“超統(tǒng)一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學(xué)家努力探索“統(tǒng)一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統(tǒng)一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學(xué)家正在探索加上強力的“大統(tǒng)一理論”以及再加上引力把四種力都統(tǒng)一起來的“超統(tǒng)一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。
愛因斯坦當(dāng)初探索“統(tǒng)一場論”是基于他的“物理世界統(tǒng)一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據(jù)辯證唯物主義的基本原理，我認(rèn)為“物質(zhì)世界是既統(tǒng)一，又多樣化的”。且莫論追求“超統(tǒng)一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學(xué)發(fā)展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發(fā)展過程中，各個具體過程的發(fā)展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發(fā)展階段上的具體過程的認(rèn)識只具有相對的真理性。無數(shù)相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實踐中對于真理的認(rèn)識也就永遠(yuǎn)沒有完結(jié)?！盵5]
現(xiàn)代物理學(xué)的革命將怎樣發(fā)生呢？我認(rèn)為可能有兩個方面值得考試：
1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現(xiàn)在我們不知道。我的直覺是：將來最早發(fā)現(xiàn)的第五種力可能存在于生命現(xiàn)象中。物質(zhì)構(gòu)成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認(rèn)識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學(xué)的認(rèn)識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學(xué)的認(rèn)識，因此在這方面取得突破性的進(jìn)展是很可能的。我認(rèn)為，物理學(xué)業(yè)與生命科學(xué)的交叉點是二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向之一，與此有關(guān)的最關(guān)于復(fù)雜性研究的非線性科學(xué)的發(fā)展。
2）現(xiàn)代物理學(xué)理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應(yīng)該通過審思現(xiàn)代物理學(xué)理論基礎(chǔ)的不完善性來探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口，在下一節(jié)中將介紹我的觀點。
三、現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是完美的嗎？
相對論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎(chǔ)是否十全十美的
呢？我們來審思一下這個問題。
1）對相對論的審思
當(dāng)年愛因斯坦就是從關(guān)于光速和關(guān)于時間要領(lǐng)的思考開始，創(chuàng)立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口，也應(yīng)該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創(chuàng)立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規(guī)定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導(dǎo)出了洛侖茲變換，進(jìn)一步導(dǎo)致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔(dān)提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。
時間、空間是物質(zhì)運動的表現(xiàn)形式，不能脫離物理質(zhì)運動談?wù)摃r間、空間，在定義時空時應(yīng)該說明是關(guān)于什么運動的時空?，F(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為超距作用是不存在的，A處發(fā)生的“事件”影響B(tài)處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關(guān)的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關(guān)于由電磁相互作用引起的物質(zhì)運動的時空，適用于描述這種運動。
愛因斯坦把他定義的時間應(yīng)用于所有的物質(zhì)運動，實際上就暗含了這樣的假設(shè)：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質(zhì)世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質(zhì)世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數(shù)量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關(guān)于由電磁力引起的物質(zhì)運動的四維時空（x，y，z，ict）和關(guān)于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現(xiàn)在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數(shù)c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導(dǎo)出c＇的數(shù)值。
我在二十多年前開始形成上述觀點，當(dāng)時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結(jié)果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經(jīng)過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結(jié)果，隨后這項工作冷下去了。根據(jù)愛國斯坦理論預(yù)言的引力波是微弱的，如果在現(xiàn)代實驗技術(shù)能夠達(dá)到的測量靈敏度和準(zhǔn)確度之下，這樣弱的引力波應(yīng)該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結(jié)果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應(yīng)該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導(dǎo)出引力波的強度比根據(jù)愛因勞動保護坦理論預(yù)言的強度弱得多的結(jié)果。
弱力、強力與引力、電磁力有本質(zhì)的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現(xiàn)的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規(guī)范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質(zhì)量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質(zhì)量和能量有關(guān)，因而其傳遞速度是多種多樣的。
在研究由弱或強相互作用引起的物質(zhì)運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應(yīng)該用
弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學(xué)和粒子物理學(xué)是外行，不想貿(mào)然回答這個問題。如果應(yīng)該用弱力或強力信號取代光信號，那么關(guān)于由弱力或強力引起的物質(zhì)運動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關(guān)于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）
有很大的不同。設(shè)弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數(shù)，而是可變的，則關(guān)于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數(shù)。然而，很可能應(yīng)該這樣來考慮問題：關(guān)于由弱力引起的運動的時空，在定義中應(yīng)該以規(guī)范粒子的靜質(zhì)量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統(tǒng)一起來了，因此有可能c1=c，則關(guān)于由弱力引起的運動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關(guān)于由強力引起的運動的時空，在定義中應(yīng)該以介子的靜質(zhì)量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質(zhì)量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關(guān)于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質(zhì)世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質(zhì)運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學(xué)和新的粒子物理學(xué)等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。
1）對量子力學(xué)的審思
從量子力學(xué)發(fā)展到量子場論的時候，遇到了“發(fā)散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發(fā)散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難?！鞍l(fā)散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。
現(xiàn)在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統(tǒng)的德布羅意關(guān)系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關(guān)系，就必須面對使新的理論滿足相對論協(xié)變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認(rèn)為這個問題或許還與時間、空間的定義有關(guān)?，F(xiàn)在的量子力學(xué)理論中時寬人的定義實質(zhì)上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規(guī)律，所以時間、空間都不是嚴(yán)格確定的，決定論的時空要領(lǐng)不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應(yīng)考慮相關(guān)的物質(zhì)運動的類別。模糊數(shù)學(xué)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟了，把這個數(shù)學(xué)工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。
1）在二十一世紀(jì)物理學(xué)將在三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯(lián)系，進(jìn)一步發(fā)展非線性科學(xué)。
2）可能應(yīng)該從兩方面去控尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口。（1）發(fā)現(xiàn)客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)，重新定義時間、空間，建立新的理論
第7篇：關(guān)于光的科學(xué)實驗范文
陳新亮（1970.3-），男，漢族，河北懷來人，河北北方學(xué)院藝術(shù)學(xué)院黨委書記，公共管理碩士，社會科學(xué)副研究員，主要研究方向大學(xué)生思想政治教育管理。
摘要：時空觀是關(guān)于時間和空間的根本看法和根本觀點，是自然觀的重要組成部分。在科學(xué)史上，每一次重大理論的變革往往伴隨著新時空觀的誕生。在牛頓力學(xué)體系中產(chǎn)生的絕對時空觀使人們的思維機械化，世間一切皆在做機械運動。20世紀(jì)初，相對論誕生于世，從而賦予了時間和空間以嶄新的概念，改變了傳統(tǒng)的絕對時空觀。相對論從根本上改變了人們對時間和空間的看法：時間和空間是緊密聯(lián)系的，時間、空間和物質(zhì)密不可分，時空告訴物質(zhì)怎樣運動，物質(zhì)告訴時空怎樣彎曲。相對論革新了舊的牛頓時空觀，對科學(xué)和哲學(xué)產(chǎn)生了巨大的影響。本文先論述前愛因斯坦的牛頓絕對時空觀，再闡述愛因斯坦相對論對時空理論的變革，進(jìn)而說明愛因斯坦相對論變革時空觀對科學(xué)和哲學(xué)的意義。
關(guān)鍵詞：時空觀；牛頓的絕對時間觀和絕對空間觀；相對論
時空觀，顧名思義，就是對時間和空間的根本看法和根本觀點，它構(gòu)成了哲學(xué)上自然觀的重要內(nèi)容和組成部分。隨著科學(xué)與社會的發(fā)展，人們對于時間和空間的認(rèn)識也在不斷地加深。20世紀(jì)初發(fā)生了現(xiàn)代物理學(xué)革命，在這個激動人心的年代里，愛因斯坦相對論的誕生徹底否定了牛頓經(jīng)典力學(xué)體系的絕對時空觀，深刻地揭示了時間和空間所具有的本質(zhì)屬性和它們與物質(zhì)以及物質(zhì)運動的關(guān)系，引起了時空學(xué)說的一次重大變革，形成了新的時空觀并產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。目前學(xué)者們對于愛因斯坦相對論引起時空觀變革這一問題的研究已經(jīng)取得了重大成果，但是對此問題應(yīng)當(dāng)有個簡明、清晰的系統(tǒng)闡述。本文預(yù)從介紹前愛因斯坦的時空觀，重點介紹牛頓的絕對時空觀入手，進(jìn)而闡明愛因斯坦相對論變革時空觀的內(nèi)容和意義。
一、對愛因斯坦時空觀的概述
從古至今，無論在中國還是在西方，科學(xué)上和哲學(xué)上的一個大的課題就是關(guān)于時間和空間的問題，人們總是在問時間和空間究竟是什么。中國古代就有這樣的說法，古往今來為宙，上下四方為宇。顯而易見，在這里，“宙”指的是時間，即過去、當(dāng)今和未來以及白天與黑夜的更替、春夏秋冬的更迭，而這種時間的觀念來自于平日里對自然現(xiàn)象的觀察和經(jīng)驗的直覺。“宇”則指的是空間，即上下左右前后、東南西北。時間是無始無終的，空間是無邊無際的。在西方，許多先哲也思考了時間和空間的問題。
（一）時空觀概述
古希臘哲學(xué)家德謨克利特認(rèn)為空間和時間是沒有物質(zhì)的時空，柏拉圖則認(rèn)為時間是在存在之外的。對時間和空間形成系統(tǒng)認(rèn)識的人，最早是古希臘的亞里士多德，關(guān)于時間的問題，亞里士多德提出時間是描述“運動”的“數(shù)”，他指出：“變化總是或快或慢，而時間沒有快慢。因為快慢是用時間確定的：所謂快就是時間短而變化大，所謂慢就是時間長而變化?。欢鴷r間不能用時間確定，也不用運動變化中已達(dá)到的量或已達(dá)到的質(zhì)來確定?！盵1] 由此可見時間不是運動，而是描述運動的數(shù)。亞里士多德認(rèn)為大地是球形的，地球是宇宙的中心。物體在宇宙中的位置具有關(guān)鍵的作用，每個物體都有各自的天然位置，只要沒有阻擋，它們都會到達(dá)各自的天然位置。[2] 在當(dāng)時教會統(tǒng)治人們思想的社會背景下以及當(dāng)時的社會和科學(xué)發(fā)展水平，加之亞里士多德的時空觀符合人們當(dāng)時對自然現(xiàn)象的認(rèn)識，以至于亞里士多德的時空觀對人們的思維造成了很長時間的影響。但是，由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，哥白尼提出了日心說，徹底否定了地球是宇宙中心的說法。到17世紀(jì)，伽利略提出了力學(xué)相對性原理，亞里士多德的時空觀才被伽利略用明確的語言和簡單的物理現(xiàn)象所批駁。緊隨其后，牛頓提出了絕對時間觀和絕對空間觀。之后，康德認(rèn)為時間和空間意識是人類的先天直觀形式，而不是從感覺經(jīng)驗中得來的。當(dāng)然，人們對于時間和空間性質(zhì)的認(rèn)識不僅僅停留在哲學(xué)層次上，關(guān)于時間和空間問題的思考也不只是哲學(xué)家所專有的事情。在科學(xué)層次上，科學(xué)家們也在不斷地探索時間和空間的屬性，法國科學(xué)家彭加勒認(rèn)為時間和空間都不是先天的，而是為了某種目的約定的。愛因斯坦相對論時空觀主要革新了牛頓的絕對時空觀，因此重點介紹一下牛頓的絕對時間觀和絕對空間觀。
（二）牛頓的絕對時空觀
牛頓站在巨人的肩膀上，綜合了哥白尼和伽利略等人的科學(xué)成就，建立了牛頓經(jīng)典力學(xué)體系，并且給他的經(jīng)典力學(xué)理論引入了絕對時間和絕對空間的概念，創(chuàng)立了絕對時間觀和絕對空間觀。
牛頓為何要引入絕對時間和絕對空間的概念？我們又該如何理解牛頓所定義的絕對時間和絕對空間，想要弄清這些問題就要從牛頓所建立的經(jīng)典力學(xué)說起了。物體的運動狀態(tài)及其改變是經(jīng)典力學(xué)討論的主要對象，而萬事萬物的運動又都離不開時間和空間，都要在一定的時間和空間中進(jìn)行。[3] 一切運動都是物體本身位置的變化，這樣看來位置就用到了空間的含義，變化則用到了速度，也就是用到了時間的含義，所以牛頓的經(jīng)典力學(xué)體系必定要與一定的時間和空間相聯(lián)系。然而，描述機械運動又必然不能離開參照系，但是并不是所有的參照系都適用于牛頓定律，我們常常把適用于牛頓定律的參照系稱之為慣性參照系。那么慣性參照系到底是什么呢，牛頓經(jīng)典力學(xué)本身的理論框架也不能對此給出確切的說明。因此，為了解決這個問題，牛頓便引入了絕對時間和絕對空間的概念。牛頓在其著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中寫道：“絕對的、真正的和數(shù)學(xué)的時間，就其本身和本性來說，均勻地流逝而與任何外在的情況無關(guān)?！薄敖^對空間，就其本性來說，與任何外在的情況無關(guān)，始終保持著相似和不變?！盵4] 這里的時間，我們可以形象地把它比擬成永遠(yuǎn)流逝著的水，也可以把它想象成一根無限延長的線，無論哪樣，它都與周圍的任何環(huán)境無關(guān)；而這里的空間，我們也可以把它形象地比擬成一個與任何特殊物質(zhì)無關(guān)的、能夠容納萬事萬物的、靜止的大容器。
牛頓把自己定義的這樣的時間和空間稱為絕對時間和絕對空間，由此便形成了牛頓的絕對時間觀和絕對空間觀。對于牛頓絕對時空觀的基本思想，主要有下列三個方面。
1.同時性是絕對的
在牛頓的絕對時空觀中，同時性是絕對的、無條件的，也就是說，在不同地方發(fā)生的兩件事情，如果對一個慣性參照系來說是同時發(fā)生的，那么無論對其它任何慣性參照系來說必定都是同時發(fā)生的。所以，對準(zhǔn)過的兩個鐘表，不管把它們放在任何不同的地方，無論它們是否有相對運動產(chǎn)生，鐘表總是同步的。在這個方面上，牛頓的絕對時空觀似乎是符合我們的生活經(jīng)驗的。
2.時間是絕對的，空間也是絕對的
在這里，時間是絕對的指的是時間間隔的絕對性。也就是說，如果一個房間的時鐘走了十分鐘，那么世界上任何時鐘都走了十分鐘，無論它們在何種運動狀態(tài)下。而空間也是絕對的指的是空間距離的絕對性。比如說，一根筆的長度，當(dāng)以某一個參照系測量它是十厘米時，那么從別的參照系測量它時，它也是十厘米，而與參照系的運動狀態(tài)無關(guān)。
3.時間和空間是各自獨立，互不相關(guān)的并且與物質(zhì)及其運動無關(guān)
按照牛頓絕對時間和絕對空間的觀點，時間和空間各不相關(guān)，而且時間和空間是脫離物質(zhì)運動而存在的，時間和空間具有絕對性，這也就是說，時間和空間只是單獨的存在，這種存在不受周圍任何事物的影響。
牛頓的絕對時間觀和絕對空間觀是符合我們的生活經(jīng)驗的，并且適用于當(dāng)時的科學(xué)實驗，因而人們很容易理解和接受這種觀點。隨著科學(xué)的進(jìn)步，到19世紀(jì)末，麥克斯韋電磁理論發(fā)展起來，牛頓的絕對時空觀顯現(xiàn)出它自身的局限性，牛頓絕對時空觀只適用于物體在宏觀低速下的運動規(guī)律，而對于在微觀高速下的運動則無能為力。正是在這種背景下，發(fā)生了現(xiàn)代物理學(xué)革命，相對論出現(xiàn)在人們眼前。愛因斯坦相對論革新了牛頓的時空理論，創(chuàng)建了新的時空學(xué)說。
二、愛因斯坦相對論對時空觀的變革
歷史上每一次新的時空理論的產(chǎn)生總是離不開科學(xué)的發(fā)展。19世紀(jì)末，當(dāng)時的物理學(xué)界普遍認(rèn)為物理學(xué)的大廈已經(jīng)落成，正在他們展望物理學(xué)的美好前景時，物理學(xué)晴朗的天空上卻被兩朵烏云所籠罩，即“以太漂移的零結(jié)果”和“黑體輻射”。由此爆發(fā)了現(xiàn)代物理學(xué)革命，誕生了相對論和量子力學(xué)。愛因斯坦曾說“相對論同時間和空間的理論有密切的關(guān)系”[5]。愛因斯坦相對論研究的是關(guān)于時間、空間和物質(zhì)、運動之間的內(nèi)在聯(lián)系，由狹義相對論和廣義相對論組成。而新的時空觀正是以相對論為理論依據(jù)的，它認(rèn)為時間和空間相互影響，彼此不可分離，形成一個四維時空統(tǒng)一體，時間和空間受物質(zhì)及其運動的影響。從某些方面來說，新的時空理論也就是愛因斯坦的相對論，正是狹義相對論告訴了人們時間和空間與物質(zhì)運動的密切關(guān)系，而廣義相對論又進(jìn)一步告訴了人們時間和空間的性質(zhì)與物質(zhì)本身的存在及其分布密不可分。[6]
（一） 狹義相對論對時空理論的革新
自從光的波動說復(fù)活以來，物理學(xué)家們開始對“以太”問題進(jìn)行激烈的探討，后來著名的邁克爾遜—莫雷實驗的零結(jié)果徹底否定了“以太”的存在，但是這種結(jié)果卻使更多的物理學(xué)家困惑不解。為了更好的解決邁克爾遜—莫雷實驗的困惑，1905年，愛因斯坦發(fā)表《論運動物體的電動力學(xué)》一文，放棄了牛頓的絕對時間和絕對空間概念，提出了光速不變原理和相對性原理這兩個基本前提假設(shè)，宣告了狹義相對論的誕生，從而形成了新的愛因斯坦時空觀。
為了更好的理解愛因斯坦狹義相對論對時空觀作了哪些方面的革新，也就是愛因斯坦新的時空觀是怎樣的，我們首先要來說明一下光速不變原理和相對性原理，因為這兩個原理是狹義相對論得以成立的基本前提假設(shè)。光速不變原理，指的是不論光的觀察者運動與否，光速在真空中都是一樣的、不變的，即都是一個常數(shù)c；相對性原理，指的是自然規(guī)律在所有慣性參照系中，都是一樣的、不變的。[7] 只要拋棄牛頓絕對時間的概念，這兩條基本原理就能夠彼此相容，這樣兩個慣性參照系之間的時間和空間變換就滿足洛侖茲變換。愛因斯坦狹義相對論對時空理論的革新以及愛因斯坦時空的重要性質(zhì)就包含在這個變換中，主要有下列三個方面。
1.同時性是相對的
依照光速不變原理，狹義相對論認(rèn)為不同地方的兩件事情，在某一慣性參照系中來看，它們是同時發(fā)生的，然而相對于這一慣性參照系運動的其它任一慣性參照系來看，它們就不是同時發(fā)生的。因而同時性是相對的，時間與物質(zhì)運動有關(guān)。這里需要注意的是，如果發(fā)生在同一個地點或者說是同一個點的兩個事件，其同時性就是絕對的，與參照系的運動和選擇無關(guān)。
2. 時間是相對的，空間也是相對的
與牛頓的時空理論不同，愛因斯坦狹義相對論的時空觀認(rèn)為時間間隔是相對的，也就是說，某一個過程中延續(xù)的時間在不同的慣性參照系中所測量的結(jié)果是不一樣的，這是由同時性是相對的自然而然推導(dǎo)出的結(jié)果。最能說明這一點的便是大家熟知的運動的時鐘會變慢，即時間延緩效應(yīng)，它主要說的是對于每一位觀察者來說，都有他們自己的時間測度，如果在天空中有一個高速飛馳的時鐘，那么它對于地面上靜止不動的觀察者而言，鐘的時間走的慢了，并且時鐘飛馳運動得速度越快，鐘的時間走得就越慢，這就反映了時間是相對的。
空間也不是牛頓時空理論中所認(rèn)為的那樣是絕對的，空間也是相對的，長度的相對性就證明了空間是相對的。也就是說，同樣的一把尺子，根據(jù)所選擇的慣性參照系，它們的長度是不一樣的。假如A尺子是運動的，速度近于光速時，那么B尺子就會看到A尺子縮短了。[8] 這就是著名的運動的尺子要縮短，即空間收縮效應(yīng)。這個效應(yīng)表示空間的大小是相對的。
這兩個時間和空間效應(yīng)都是相對論的一種效應(yīng)，它主要歸結(jié)于時間和空間所具有的基本屬性，這與牛頓的絕對時空觀是不同的。但是這些效應(yīng)又是很難被日常生活中的我們所理解的，因為這些效應(yīng)都是在速度接近光速的高速運動過程中產(chǎn)生的，而我們通常生活在低速運動中。
3. 時間和空間是緊密相聯(lián)的，并且與物質(zhì)運動密不可分
在牛頓絕對時空觀中，時間均勻流逝，不受任何外在環(huán)境影響，空間則是個與任何事物無關(guān)的、靜止不動的容器。而愛因斯坦狹義相對論的時空學(xué)說認(rèn)為時間和空間不能各自獨立存在，時間與空間是緊密聯(lián)系的。一個物體的長寬高表明它的空間，可卻是以時間為尺度的；太陽所在位置的不同則表明時間的不同。時間和空間與物質(zhì)運動更是不可分開的，時間和空間的性質(zhì)要通過物質(zhì)運動表現(xiàn)出來。時間和空間是運動著的物質(zhì)的存在方式，時間是物質(zhì)運動的連續(xù)，空間則是物質(zhì)運動的延伸。離開物質(zhì)運動而獨立存在的時間和空間是毫無意義的。
（二）廣義相對論對時空理論的革新
愛因斯坦狹義相對論的創(chuàng)建，引發(fā)了時空理論的變革，但他隨之發(fā)現(xiàn)這種狹義相對論時空觀與牛頓的萬有引力定律是不相容的，于是，他又開始研究引力問題。1916年，愛因斯坦以慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等為基礎(chǔ)，提出了著名的等效原理和廣義協(xié)變原理，創(chuàng)立了廣義相對論。廣義相對論把引力看成一個彎曲的時空，而不再把引力看成是一種力。等效原理和廣義協(xié)變原理構(gòu)成了廣義相對論的主要內(nèi)容，等效原理說的是，一個運動在含有引力場的慣性系中和在加速度系統(tǒng)中是完全相同的，即存在引力場的慣性系等效于加速度的非慣性系；廣義協(xié)變原理是把相對性原理從慣性系推廣到了非慣性系，即在任何參照系中，自然界的規(guī)律都是相同的，與我們所選擇的參照系無關(guān)。
依據(jù)廣義相對論，空間是一個服從黎曼幾何的彎曲空間，空間彎曲的程度取決于物質(zhì)本身在空間的分布。物質(zhì)分布越密集的地方，引力場的強度就越大，時空彎曲得也就越厲害。因而，廣義相對論告訴人們，時間和空間的性質(zhì)與物質(zhì)本身的分布也是緊密相關(guān)的?！拔镔|(zhì)告訴時空怎樣彎曲，時空告訴物質(zhì)怎樣運動”[9]。時間和空間與物質(zhì)息息相關(guān)，時間、空間和物質(zhì)構(gòu)成了一個有機整體。這就是廣義相對論對時空理論所作的進(jìn)一步變革。
總之，愛因斯坦相對論革新了舊的牛頓力學(xué)的時空觀，建立起了愛因斯坦相對論的時空觀，是時空理論上的一次史無前例的巨大變革。正是愛因斯坦相對論改變了人們以往對時間和空間的理解。狹義相對論只適用于慣性系，它的時空背景是歐幾里得的平直時空，狹義相對論的時空觀使人們認(rèn)識到時空都不是絕對的而是相對的，時空不能脫離彼此而獨立存在，時空和物質(zhì)運動也是密不可分的；而廣義相對論則適用于一切參考系，它的時空背景是黎曼幾何的彎曲空間，廣義相對論的時空觀使人們進(jìn)一步認(rèn)識到時間和空間的性質(zhì)還與物質(zhì)本身的分布有關(guān)，物質(zhì)告訴時空怎樣彎曲，時空告訴物質(zhì)怎樣運動，從而說明了時間—空間與物質(zhì)的統(tǒng)一性。無論怎樣，愛因斯坦相對論所引起的時空觀變革都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，都具有無可比擬的意義。
三、愛因斯坦相對論變革時空觀的意義
19世紀(jì)末20世紀(jì)初，在物理學(xué)史上，那是一個既光明又黑暗的時期，但就是這樣的一個時期，卻發(fā)生了一場影響深遠(yuǎn)的現(xiàn)代物理學(xué)革命，誕生了相對論和量子力學(xué)，使之成為了一個激動人心的年代。[10] 愛因斯坦相對論對時空理論所作的變革無論是在當(dāng)時還是在日后，都對科學(xué)和哲學(xué)產(chǎn)生了不可磨滅的影響，意義巨大。
（一）在科學(xué)上，推動了物理學(xué)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展
時空觀的變革與科學(xué)尤其是物理學(xué)的發(fā)展是相輔相成的，物理學(xué)的發(fā)展推動了人們對時間和空間性質(zhì)的認(rèn)識，而每一次時空理論的新變革又都是物理學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的基本前提和主要標(biāo)志。愛因斯坦相對論對時空觀所作的變革無疑是巨大的，它推進(jìn)了現(xiàn)代物理學(xué)革命，為現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展奠定了理論基石，從而推動了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。[11] 可以說，愛因斯坦相對論時空觀的出現(xiàn)是世紀(jì)之交中的創(chuàng)舉之一。
在愛因斯坦狹義相對論時空觀中，不僅否定了牛頓經(jīng)典力學(xué)體系中關(guān)于時間和空間的概念及其之間的關(guān)系，還賦予了質(zhì)量和能量及其之間的關(guān)系以全新的含義。質(zhì)量并不是絕對不變的，物體在運動速度近于光速時，質(zhì)量就會接近無窮大；質(zhì)能關(guān)系式則告訴人們質(zhì)量和能量也不是單獨存在的，而是一個質(zhì)能統(tǒng)一體，質(zhì)量守恒定律與能量守恒定律是融合在一起的，這就為原子核物理學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用開辟了新天地。愛因斯坦廣義相對論時空觀使人們開始對宇宙時空產(chǎn)生了濃厚的興趣，是人們關(guān)于天文學(xué)中時空理論的一次大變革。所有這些變革都毫無疑問的促進(jìn)了自然科學(xué)的發(fā)展。
（二）在哲學(xué)上，豐富和發(fā)展了辯證唯物主義時空觀
愛因斯坦相對論對時空理論的變革不只是對物理學(xué)和科學(xué)有重大意義，并且在哲學(xué)方面也具有無法比擬的影響，可以說，愛因斯坦相對論時空觀本身就具有哲學(xué)的意味。
愛因斯坦相對論時空觀認(rèn)為時間和空間之間是互相關(guān)聯(lián)的，時間和空間作為客觀存在是絕對的，但同時又是相對的。物質(zhì)本身以及物質(zhì)運動與時間和空間是不可分割的，離開任意一方談?wù)摫舜硕际菦]有意義的。這就說明了時間、空間和物質(zhì)三者之間存在的聯(lián)系，揭示了時空是運動著的物質(zhì)的存在方式，改變了人們以往對時空與物質(zhì)關(guān)系的認(rèn)識，從而有力的批判了機械唯物主義中把時間和空間與物質(zhì)及其運動割裂開來的形而上學(xué)時空觀。[12] 愛因斯坦相對論對時空觀的變革進(jìn)一步豐富和發(fā)展了辯證唯物主義時空觀。
愛因斯坦相對論對時空觀的變革還提高了人們的認(rèn)識能力，使人們的思維方式發(fā)生了深刻的變化。愛因斯坦曾說：“世界上可能只有12個人能夠看懂相對論，但是世界上卻有幾十億人借此明白沒有什么是絕對的”[13]。從此人們開始認(rèn)識到：對于同樣的一個事物，如果不同的人從不同的角度來看，就會產(chǎn)生不同的結(jié)果，任何事物都不是絕對的。所以我們要用相對的眼光來看問題，而不能用絕對的眼光來看問題。世界上任何事物都不是絕對存在的，它們都是相對存在的?！伴L”相對于“短”而存在，“大”則是相對于“小”而言的。因此，我們不能再用牛頓絕對時空觀中的機械思維來思考問題，而要以愛因斯坦相對論時空觀所揭示的哲學(xué)思維來思考問題。
綜上所述，通過對愛因斯坦相對論變革時空觀的思考，我們不難發(fā)現(xiàn)，無論是在科學(xué)上，還是在哲學(xué)上，愛因斯坦相對時空觀都有巨大的推動作用，它對人類社會產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。正是愛因斯坦相對論對時空觀的變革將我們帶入了一個不一樣的時空世界，這個世界不再是牛頓所描述的絕對時間和絕對空間的世界，在這里我們要學(xué)會用更加開放的思維和眼光來看待它。愛因斯坦相對論時空觀取代舊的牛頓時空觀，不管是在科學(xué)上還是哲學(xué)上都是時空理論的一次巨大的變革。然而，任何事物都不是絕對的，當(dāng)然也就不存在絕對真理，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展進(jìn)步，不久的將來一定會產(chǎn)生新的時空觀，使時空世界更加絢麗多彩。（作者單位：1. 天津大學(xué)；2. 河北北方學(xué)院藝術(shù)學(xué)院）
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