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物理教材《物理学原理及其应用》一书分析初探[1]

时间:2016-09-05来源: 作者: 点击: 328次


(首都师范大学物理系,北京 100048)

摘要:本文对《物理学原理及其应用》一书内容及其展现出的实用性特点进行了详细分析,并对造成实用性特点的原因进行了初步探索,最后通过与《普通物理学》的对比简要分析了这种实用性教材的利弊。

关键词:物理学原理及其应用;实用性;原因;利弊

 

物理学原理及其应用》(英文名The Principles Of Physics And Their Modern Applications)一书是由当时在燕京大学任职的美国人郭察理(Charles Hodge Corbett)与中国人谢玉铭[2]合著。为应当时教学之需,谢玉铭与郭察理合著此书,作为燕京大学物理教材[1]。现在,北京大学、清华大学、南京大学、中南大学等高校图书馆仍藏有此书。此书的第一部分约于1925年由商务印书馆北京分馆印行(其前言作于1924年7月)。1926年又由上海商务印书馆作为《燕京大学丛书》(“Yenching Series”)之一种,出版了包括五个部分的全本(英文本)。1928年5月出版了中译本第一版(于树樟译,周昌寿校),1931年6月中译本再版(笔者所用版本为1931年印发的中译本第二版)。美国著名哲学家、教育家杜威(John Dewey,1859-1952)曾为此书作序,对它给予极大肯定,盛赞此书的写作方法[2]:“余深信著者所已成功于其所著之此教科书中之方法若能通行,则无论在何国中皆将使普遍之智慧增进极高,且使学问阅历及生活三者之间较前更相接近”。此书与一般物理教材不同,一般物理学教科书从一些抽象的原理开始,所举的实例也离日常生活很遥远,容易使学生误认为物理学只是实验室中的一种技艺,而本书则从学生熟知的日常事物讲起,把物理中观察的方法和实验的方法与学生所处的社会环境结合起来[3]。它不以惯常的按力、热、声、光、电等学科分支来编排,而依物理学在社会生活中的运用,分为交通与通讯、供水与水能、适应气候、帮助眼睛、音乐与游戏五大部分,把物理学基本原理的讲授贯穿其中,力求使物理学的教学变得生动有趣[4]

下面通过力、热、声、光、电五个方面对该书讲述到的一些内容进行简要分析,以了解该书的特色与特点。

1《物理学原理及其应用》内容分析

1.1力

该书对力的描述及分析用到很多生活中的例子,如荷担、橇、弧桥、人力车、风筝等等,现列举如下:

在讲到以前人们常用工具荷担时,“地球引棒及所荷之货向下,荷担者之肩以与之相等之力推之向上。设两端之货之重量不同,则荷担者须调理之使较重之货近肩,否则棒不能成水平[4]”,荷担是当时人们普遍运用的一种运输工具,虽然用肩挑担的过程看似简单,但是只有明白了杆杠原理才能熟练正确地对其运用。

橇是北方人常用的出行工具,“中国北方之河渠中常见有人推橇,或引之行于冰上,且雪多之地方常见马引橇行于路上。冰及雪能使地面变滑,其摩擦之小致能使橇行甚速,但地面若滑,则马蹄上须著马蹄铁以阻止马之滑走[4]”,用马引橇展现了当时人们的智慧,不但通过橇很好地运用了摩擦力带来的便利,也利用马蹄铁避免了摩擦力带来的不便,这里“橇”和“马蹄铁”的运用表明了人们对于自然规律的运用正是源于对摩擦力性质的认识,大大提高了运输效率。

 “弧桥为自古以来桥式之一种。组成弧之块名曰环石或弧石,中央之一块名曰钥石。诸环石状如钝楔,由其相互之压力互相紧抱[4]”,古人设计的弧桥让我们后人不得不为之赞叹,利用力的分解原理将特殊形状的石块堆砌起来便形成了能承载很大重量的弧桥,给人们的生活带去了便利,可谓人的智慧与大自然的完美结合。

“人力车为第一种杠杆之一实例。轴为其支点。若假设其全重量聚于其重心,则重量位于轴之后。拉车者之手所握于把上之点为力所在之点,位于轴之前。拉车者握车把愈前,其压车所用之力愈小;握车把愈后,其压车所用之力愈大[4]”,在交通不发达的当时,人力车成为了主要的交通工具,如何能够更省力地拉车成为人们关心的问题,通过杠杆原理,人们意识到省力的方法,可以为拉车者省不少力。

“且也,电机关车可借水利行动;即,瀑布可用于转动发电机。故铁路若经过山或其他之有水利之地方,则得一用电之利益[4]”,这里人们注意到了利用水利可以转动发电机,这样铁路建在山上或者别的有水利的地方便可以通过水利进行发电,解决了用电问题,其实这也正是能量相互转化原理在生产中的体现。

 

“以一人能荷担之水量与其能用手车推者较,或以一骡能负之货量与其能引者较,立刻可知以轮运货较易于荷担远甚。事实上,轮之发明为从来之大发明之一种。轮之始用之地及其始用之时无可稽考,其散于世上之广及应用时间之长久可想而知。因滚动摩擦小于滑动摩擦远甚,故行橇甚难之道路行轮车则甚易[4]”,轮子的运用是交通工具的一大改进,正是由于滚动摩擦力小于滑动摩擦力这一物理原理,所以在路上行车比行橇更加容易,运输效率更高。

“放风筝为中国最通行之游戏。

风筝通常皆用纸与轻竹架制成,飞

扬极易。放风筝之童子先向上推之

然后引之逆风而驰。作用于风筝上

之力示如图1。风筝之重量用线G

代表,绳之引力用线S代表。设结

合G及S,则得合力R。风力用线                图1 风筝受力示意图

W代表,此力可分为二分力T及P。分力T与风筝平行而无支持之之用,故使风筝不坠者为分力P。若P大于R则风筝上升,直至绳与风筝之重量不能使之更升而止[4]”,风筝这一民间游戏给当时人们的生活带去了欢乐,将物理学所蕴含的原理运用到生活中,生产生活所需工具、用品,给人们带去便利,提高生活质量正是科学发展的目的。

以上都是实际生产、生活中运用到力的原理的一些例子,物理学原理在生活中体现得淋漓尽致。

1.2热

有关热的概念及性质,该书也多处讲到,如热的传导、唧筒作功、热胀冷缩、空气对流、绝缘等等。详细举例如下:

“衣服之使吾人暖,非由于其能供给热于吾人,乃由于其保持吾人身体之热使不遗失。热于一处传于他处方法有三种,曰传导,对流,辐射[4]”,穿衣御寒很久之前便已有,但是其中所包含的原理人们后来才明白,这样人们可以用不同材质制造不同衣服来防御各种天气。

“脚踏车唧筒作功之方法示如图2,P为松装置之活塞,其上附置一皮制之碗状活瓣。当推P向下时,活瓣之皮紧压圆筒之壁而压迫其前方之空气,空气轮箍之约束活瓣S开,使空气入轮箍内,同时S闭以防空气之漏出。此种唧筒在物理学中名曰凝聚唧筒或压缩唧筒。凡曾经装空气入轮箍者皆知唧筒推拉之时间愈久活塞之推下愈难而轮箍愈硬。轮箍中之空气积聚愈多,回压之空气愈多。换言之,空气被压成之体积愈小,其压力愈大。如此计量压力不能精确,但由此可得波义耳

曾经细心研究之大意[4]”,活塞作为

很多大机器中的一部分,它的使用

是由于人们对于气体有了更深地认

识,并很好地将其运用到生产生活

中。                                          图2唧筒作功示意图

“蒸汽如何能有如机关车内所示之大能率?盖水变成蒸汽时,其体积膨胀极大。若水在开口之器中沸腾,则1立方寸之水可膨胀为1600立方寸之蒸汽。若水在闭口之器中沸腾,则蒸汽无膨胀之余地,必以大力压器壁。且依波义耳定律,压力与体积成反比,故器愈小压力愈大。设有一壶,除盖外无他孔,则其中之水沸腾时必将盖举起。推动活塞而使机关车行走者,即蒸汽之此种膨胀力也[4]”,了解了蒸汽的性质,并将蒸汽作为车的动力,可谓技术上的一大进步,也促使人们继续探索未知。

“用以查验室中之温度之温度计,普通皆于管中盛酒精或醚,因其膨胀速于水银也。因此种物质之冰点低于水银之冰点,故用此种温度计测低温度;因其温度高则沸腾,故不用之测高温度。但其对于室中之普通温度则甚适当[4]”,温度计是生产生活中必不可少的工具,简单的热胀冷缩性质运用到了温度计中,对当时的生产生活意义重大,直到现在酒精温度计、水银温度计仍然还在被使用。

“冷藏箱为夏日保持凉爽而防食物腐败之箱。冰置于顶部,近冰之空气冷却下沉至底,故发生对流循环于箱中。防箱壁之传热于箱中甚感困难。通常皆用双层之壁,中隔一空气空间,壁常用十层不传导物质或绝缘物之集成[4]”,在科技不发达的当时,为了防止食物腐败,冷藏箱的使用可谓给当时人们的生活提供了很大便利,使人们切实感受到科技造福人类。

正是对热的物理原理有了正确的认识,人们才能更好地将其运用到生产工具中,提高生活质量、提高生产效率。

1.3声

该书涉及到声音的部分多与音乐以及乐器有关,所以此处仅选取一个例子做分析。

“中国之弦乐有琴,月琴,胡琴。西洋之弦乐有提亲,六弦琴,玄琴,钢琴及其他。弦所发之音调之定律如下:1.弦每秒之周数与其长成反比;2. 弦每秒之周数与张力之平方根成正比;3. 弦每秒之周数与弦之直径成反比;4. 弦每秒之周数与弦之密度之平方根成反比[4]”,乐器的发明给人们的生活增添了色彩,在认识到振动发声后,人们根据不同材质制作了不同乐器,能够发出各种动听的声音。直到现在,音乐仍然可以使人们在繁忙的工作之余感受生活的美好。

也正是因为很早地认识到声的物理原理,并将其与音乐和乐器结合起来,我国古代乐律家朱载堉才有了十二平均律这样的伟大创作。

1.4光

光在生活中的应用范围很广,如灯塔闪光、透镜矫正近视、活动影片等等都涉及到光的一些物理原理,书中代表性例子列举如下:

“自动灯塔中又可发闪光。其法系使气体之流出受一皮隔膜之节制,皮隔膜先使一定量之气体流出然后使之停止片刻,气体停留之片刻间光息。当皮隔膜再开时,又使定量之气体流出,又由导灯燃之。如此循环不已,即得闪光[4]”,灯塔作为一种固定的航标,通过设置不同颜色的灯光及不同类型的定光或闪光,用以引导船舶航行或指示危险区,对当时的水上运输起了重要作用。

“有种眼,若欲看书清晰,则须使书较十寸甚近,视远处之物体则模糊。此种缺点名曰近视。当眼中前方至后背之距离太长时则如是,故若非使物体极近则像成于网膜之前。医治近视之法系用曲度适当之发散透镜使像移至网膜之上[4]”,眼睛的构造与透镜相似,眼镜的运用也算是物理学与医学的一次很好的结合。

“活动影片在现代生活中,于娱乐上,于教育上,皆占重要之位置。其所依据者为视觉之逗留之原理;即,当像造成于网膜上时,物体移去后,像逗留一秒之1/10。例如燃香一柱而循一圆周转之,则所显者为光环而非光点[4]”,影片对于娱乐生活、媒体传播、学校教育等有着重要作用,这其中也离不开光学原理,像会在视网膜上停留0.1秒,正是利用这个短暂的停留使人们感觉不到影像的变化。

1.5电

电是人类历史上伟大发明之一。该书也讲到了电灯、电铁路、发电机等一些电的应用实例,并给出了物理解释。

“电灯便于油灯远甚,因电流经过导线则导线炽热而发光也。导线昔为炭制,今则通用钨制。导线在空气中则烧化,故泡中空气须用唧筒抽出或易以不与导线化合之气体如氮气[4]”,电灯的使用是人类的一大进步,钨丝的运用是灯泡的一大改进,延长了使用寿命,为人类的生产生活带去诸多便利。

“电铁路中之电流,非由于两种物质相摩擦使其电子与质子分离而生,乃由于一更完美之方法,此方法系根据电与磁之关系得来。……若将磁石急速向下穿入圈中,则可得一暂时电流,是电流计之指针作顷刻之偏向;若再将磁石急速从圈中拉出,则另有一反方向之暂时电流。同理,若静持磁石而将圈急速套上,亦得一暂时电流;若将圈急速脱去,亦另有一反方向之暂时电流[4]”,电与磁之间的关系被认识之后,开辟了一个新的领域,磁生电、电生磁随后被广泛运用到机器中。

“发电机为电磁诱导原理之一实际上之应用。因其为发生电流之便利方法,故成为现代最重要发明之一。发电机不过为使导线在磁极间迅速转动之装置。由此所生之诱导电流可用以行驶电车或燃电灯或作其他有用之功。若不欲使圈在静止之磁石间转动,则可使磁石在静止之圈间转动[4]”,发电机在工农业生产、国防、科技及日常生活中有广泛的用途,它的使用为人们用电提供了保障。

2《物理学原理及其应用》特点分析

通过以上内容分析不难看出,《物理学原理及其应用》将物理原理完全融入到生产与生活中,科学与生活紧密联系在了一起,科学的实用性体现得淋漓尽致。杜威在为此书所作的序中盛赞“此书之叙述根据实验之方法及个人观察与发见之方法,凡此观察及实验皆与学生之生活极为密切而非与之漠不关心者……余庆著者之此佳构之成功,更庆教育界之得此佳构也[2]。”可见,该书的实用性也受到了杜威的赞许。物理学原理的实用性体现成为这本书最显著的特点。

该书实用性的特点由何而来呢?笔者通过查阅大量资料发现,有两个方面的影响尤为重要:一是燕京大学的背景,二是受到杜威实用主义的影响。

2.1燕京大学办学宗旨

之所以会提到燕京大学的背景,是因为郭察理与谢玉铭都曾在燕京大学物理系任职,他们后来合著了《物理学原理及其应用》这本书,因此,在燕京大学任职这个背景对两人的影响不得不考虑。

燕京大学是一所教会学校,成立于 1919 年,最初是由汇文大学、华北协和大学和华北协和女子大学三所教会学校合并而成的,首任校长是著名的美国人司徒雷登[3][5]。在之后的岁月里这所大学成为一所驰名中外的大学,并且对中国的现代化进程产生了重大影响。1952年,随着高等学校院系调整的开展,退出历史舞台,其间经历了33年的历史[2]。虽然只存在了短短的33年,但是燕京大学却在历史上写下了不可抹去的一笔。

燕京大学虽然是一所教会学校,但是使燕京大学“中国化”的想法,早在司徒雷登就任燕京大学校长之前就已经形成了。司徒雷登为燕京大学确定的办学宗旨是:“以学术为目的的教育机构,使学生在智、德、体方面得到发展,成为国家领袖人才,以满足国家与社会的需要。”燕京大学把原定必修的宗教课程改为选修课,同时还借鉴美国发展职业教育的经验,从20世纪20年代初开始,陆续设立了制革、农科、陶瓷、劳工统计调查、教育和社会服务等一系列职业专科,以便为社会培养出更多有用的人才[6]。在司徒雷登回忆录中提到:“在培养学生基督教精神的同时也要使职业训练更加适合社会的需求。运用新兴科学技术来振兴中国的古代陶瓷工业,就是一项很有希望的课程。只是很可惜,在二战的时候,这些设备都毁于战火之中。[7]”卢沟桥事变之后,燕京大学的一些进步师生也投身到抗日救亡运动,为八路军培养技术人才做出了突出贡献。林迈可先生多次借用司徒雷登的小汽车为抗日根据地运送急需的通讯器材和药品[8]。1942年春天,林迈可夫妇到了聂荣臻将军的司令部驻地。受聂荣臻将军的邀请,林迈可担任通讯部技术顾问,他给部队技术员讲授无线电工课程。从1942年到1944年,林迈可一直在晋察冀军区,从事电台设备的整修改进和教学工作。在晋察冀的学生中有很多人后来成为新中国电讯界的高级干部、技术专家和骨干。将所学知识转化成战斗力,燕京大学在中国抗战史册上留下了不可磨灭的一笔。

2.2燕京大学物理系教学特色

燕京大学物理系的历史可以追溯到1922年,燕京大学与协和大学医预科合办生物、化学、物理三系。燕大物理系在教学上概括起来有两个特点:= 1 \* GB3注重实验工作[3]。谢玉铭十分重视实验工作他不仅身体力行,更非常注重培养学生的实验能力。在他的领导下,燕大物理系建立了一个小型仪器车间,聘请了技术高明的金工、木工技师各一人,购置了一台当时价格昂贵的万能铣床以及其他机器设备。系里所用的教学仪器有不少就是在谢玉铭的指导下由这个车间制造的。该车间制成的大型光栅摄谱仪和显微光度计等,是当时国内不可多得的仪器设备。曾受到国内物理学界的高度赞赏。本系研究生[4]和高年级本科生所需实验设备,都鼓励他们在技师的指导下自行设计制造,这对于造就人才的好处极大,形成为燕大物理系的一项好传统[9]= 2 \* GB3强调活的物理学教学,对一些重要的物理学原理,寻求以身边的事物为例加以阐释,并注意培养学生对中国实际问题的关心和兴趣,使他们意识到自己的责任和价值。谢玉铭甚至动员一位刘姓企业家将准备为其父亲做寿的2000元捐给燕大物理系,建了一个气象物理实验室,引导学生关注气象物理问题,为发展农业科学做准备。他还带领学生研究过焙滑石的电绝缘性能,寻找国产的优质绝缘子材料,探讨其生产工艺,以替代昂贵的舶来品。1935年他又尝试在燕大物理系建立铜牌印刷设备,把学生学习照相技术与实际应用结合起来[3]。谢玉铭特别强调中国国情,他认真尝试如何把物理学从一般老百姓望而生畏的神秘的学术殿堂,拉到中国人熟知的生活环境中来,让中国人不仅体会到身边事物的真实存在,还能对它加以琢磨和研究,使学生在研究中产生出兴趣,培养他们在任何简陋环境下都能继续研究的自信和能力。从燕大物理系的教学特点可以看出,物理系的教学工作都与实际紧密联系在一起,并且将理论很好地应用到实际问题,为国家和农业的发展做出贡献。

从燕京大学的创建背景以及燕京大学物理系的教学特点可以看出,燕京大学十分注重所学知识的实用性。在这样一所大学任职,郭察理与谢玉铭难免会受到影响,因此编写的这本书中物理学原理的实用性体现得淋漓尽致。

2.3杜威实用主义的影响

第二方面原因是受到杜威实用主义的影响。约翰·杜威是世界著名的哲学家、心理学家和教育家,他在实用主义哲学的理论基础上创立了实用主义教育理论体系[10]。他的实用主义教育思想对美国乃至世界教育学界产生了深远的影响。五四运动时期,中西教育文化交流频繁,其中杜威实用主义哲学理论的传入,对于中国教育文化的影响最为深远,民国时期的教育思想、体制的演变,无不受实用主义理论之影响[11]。在《物理学原理及其应用》的自序中,谢玉铭和郭察理也提到:“著者曾受许多意见于哥伦比亚大学之杜威教授”,可见杜威的实用主义思想对这本书的编写也产生了一定影响。

2.4与其他物理教材对比讨论

民国早期,我国大学没有自己的物理教材,所以,当时大学所用物理教材几乎全部采用英文教材。从20年代中期到30年代中期,一些留学国外的物理学家纷纷学成回国,致力于我国大学物理教学,并在多所大学开设较完整的物理课,编译的物理教材也达到了相当高的水平。其中,萨本栋编的《普通物理学》就是当时非常有影响的一本物理教材。下面将两本书做简单对比和讨论。

萨本栋编写的《普通物理学》(上、下册)于1933年3月由商务印书馆出版,因该书的科学性、系统性强,1940 年该书就被教育部正式颁定为“大学丛书”中的大学物理教材。上册为引言、力学(共20章)、声学(共4章)、热学(共10章),下册为电磁学(共24章)、光学(共13章),全书共71章[12]。从《普通物理学》的编辑大意中可知,该书编写的最大特点是:利用问题的起因来引起下面对物理规律及其相互之间关系的论述。与《物理学原理及其应用》相比,《普通物理学》理论性、逻辑性更强,全书分为力、声、热、电、光五个模块,每个模块内部知识点紧密衔接、由易到难。

    《物理学原理及其应用》利用理论联系生活的编写方式,使学生能够将复杂的物理学原理与生活实际结合起来,更易于学生理解接受,从这点讲它固然是一本成功的教材,但是它同时也存在弊端。根据物理学在社会生活中的运用,分为交通与通讯、供水与水能、适应气候、帮助眼睛、音乐与游戏五大部分势必会打乱知识结构,每一部分知识不能够系统讲述,这样理论之间的连贯性以及相互关系容易被打断,学生虽然明白了讲述内容,但是不能够在脑子里形成一套系统的知识,也不利于思维逻辑性的提升。物理作为一门逻辑性很强的学科,无疑会非常重视教材的科学性与系统性,《普通物理学》正是因为其科学系与系统性很强,所以当时受到多数大学的普遍运用。

3结语

通过上面对燕京大学的办学宗旨、燕京大学物理系的教学特色以及杜威实用主义思想的分析,我们能感受到实用性在当时学术上的体现,《物理学原理及其应用》一书的特点也恰好顺应了当时的思想潮流。作为教科书,从学生熟知的日常事物讲起,把物理中观察的方法和实验的方法与学生所处的社会环境结合起来,会使得学生能够更好地领悟物理学原理,而且激发学生将物理学原理应用到生活中的灵感。尽管这种编写方式存在一定弊端,但是《物理学原理及其应用》也对当时的物理教学产生了一定影响。

科学是人们生活在这个世界上的福音,没有科学存在的生活难以想象。但是科学如果脱离了实际,不能与实际相结合,也失去了科学本身的意义。所以实用性是科学发展和教育过程中不能忽视的。

参考文献:

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[12]凌瑞良,陆军.著名物理学家——萨本栋[J].大学物理,2011,30(10):47

Analysis Of The Physics TextbookThe Principles Of Physics And Their Modern Applications

Liu Bei  Yin Xiaodong

(Physics Department,Capital Normal University, Beijing 100048)

AbstractIn this paper, the content and practicability contained in 《The Principles Of Physics And Their Modern Applications》are analyzed in detail, the reasons for the practicability are simply explored,finally the advantages and disadvantages of such practical textbook compared with《Ordinary Physics》are analyzed.

Key wordsPrinciple and application of physics; PracticalityReasonAdvantages and disadvantages



[1]基金项目:北京市教育委员会科技计划一般项目(编号:KM201610028003; 2015北京市属高校青年拔尖人才培育计划.

作者简介:刘贝(1991—),男(汉),山东曲阜人,首都师范大学物理系科学技术史专业硕士研究生。通讯作者:尹晓冬(1974—),女,内蒙古呼伦贝尔人,获中国科学院自然科学史研究所博士,德国马克斯·普朗克科学史研究所博士后,美国物理学会2014年贝勒讲席(Beller Lectureship)。现任首都师范大学物理系副教授,主要从事近现代物理学史和技术史研究。

[2]谢玉铭,1893年出生于福建泉州,1917年毕业于华北协和大学(燕京大学前身),1924年,获哥伦比亚大学硕士学位,1926年,获芝加哥大学博士学位。19261932年,历任燕京大学物理系副教授、教授、物理系主任,19321934年,应聘到美国加州理工学院任客座教授,19341937年,回燕京大学物理系任教授。1986320日卒于台湾台北。

[3]司徒雷登(John Leighton Stuart1876-1962),美国基督教长老会传教士、外交官、教育家。18766月生于杭州,父母均为美国在华传教士。1919年起任燕京大学校长、校务长。1946年任美国驻华大使,19498月离开中国。1962919日逝于美国华盛顿。

[4]1927年,燕大物理系新开了高级课程,并成立研究部,开始招研究生。魏培修与吴敬寰该年毕业后升入了研究部继续深造,他们成为燕大物理系最早的研究生,大约也是国内大学物理系最早的研究生。

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