牛頓運(yùn)動(dòng)定律與批判性思維

鄭 丹

(華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430079)

批判性思維存在于認(rèn)識的整個(gè)過程,是創(chuàng)造性思維的基礎(chǔ),而創(chuàng)造性思維則是批判性思維發(fā)展的必然結(jié)果,是認(rèn)識的目的.科學(xué)研究離不開批判性思維和創(chuàng)造性思維,牛頓運(yùn)動(dòng)三定律的提出過程就能很好的體現(xiàn)批判性思維在物理學(xué)發(fā)展中的重要作用.

1 運(yùn)動(dòng)第一定律的發(fā)展過程

古代的自然運(yùn)動(dòng)是一個(gè)廣泛注意并做了很多研究的題目.亞里士多德在《物理學(xué)》中,把一切運(yùn)動(dòng)分為自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)兩種,他對自然運(yùn)動(dòng)的定義是:被自身推動(dòng)的運(yùn)動(dòng)者是自然地運(yùn)動(dòng)的.伽利略約在1590年寫的《論運(yùn)動(dòng)》手稿中批判了亞里士多德的這種說法,他認(rèn)為水平面上的物體運(yùn)動(dòng)就不具備這種性質(zhì),初步提出了慣性概念的想法.伽利略把向地球中心落下的運(yùn)動(dòng)和慣性運(yùn)動(dòng)都稱作自然運(yùn)動(dòng),這與古希臘哲學(xué)家們(如伊壁鳩魯和亞里士多德等)把重量看作物體的特質(zhì)或?qū)傩灾坏目捶ú煌?

開普勒在《行星的原因》中,認(rèn)為慣性是一種與重量類似的東西,天體沒有它就不會有一種力量使它們從所在的地方運(yùn)動(dòng).他又認(rèn)為凡物質(zhì)必須有慣性,只有慣性才能說明運(yùn)動(dòng)的差異.他從慣性是物質(zhì)內(nèi)在屬性的觀點(diǎn)所做的發(fā)展卻受到笛卡爾和伽桑狄的批判.伽桑狄試圖擺脫說明內(nèi)部物質(zhì)對運(yùn)動(dòng)無阻抗,他完全接受伊壁鳩魯?shù)脑討T性運(yùn)動(dòng)和不同重量的原子以相等的速度下降的觀點(diǎn).而笛卡爾在《哲學(xué)原理》中,不承認(rèn)物質(zhì)之內(nèi)存在屬性,認(rèn)為客觀存在的只是廣延,物質(zhì)或物體不過是一種廣延,物質(zhì)的本質(zhì)就是廣延的.他是在伽利略的基礎(chǔ)上,把只限于水平線或水平面的條件推廣到一切直線,而這樣做的缺點(diǎn)是未限定“等速運(yùn)動(dòng)”這個(gè)前提,因?yàn)榉撬矫嫔系闹本€運(yùn)動(dòng)必然是加速運(yùn)動(dòng).這些對牛頓后來的思想產(chǎn)生重要的影響,在此基礎(chǔ)上提出了運(yùn)動(dòng)第一定律.

2 運(yùn)動(dòng)第二定律的發(fā)展過程

力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系在古代和近代物理學(xué)的發(fā)展中,都起過重要作用,力與機(jī)械運(yùn)動(dòng)變化的關(guān)系是近代物理學(xué)發(fā)展的基本課題.

伊壁鳩魯認(rèn)為原子運(yùn)動(dòng)和變化的原因有3種:(1)自然運(yùn)動(dòng),即由重量引起的向下運(yùn)動(dòng);(2)由沖撞引起的向下或側(cè)向運(yùn)動(dòng);(3)原子下落過程中因某種原因出現(xiàn)的偶然偏斜運(yùn)動(dòng).后兩者是強(qiáng)制運(yùn)動(dòng).

亞里士多德卻提出作用力與速度成比例的觀點(diǎn).這個(gè)觀點(diǎn)主要是通過個(gè)別現(xiàn)象的粗略觀察得出的思辨性看法,沒有認(rèn)真地做各種實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行分析比較.

文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)后期,在意大利就出現(xiàn)懷疑和反對亞里士多德運(yùn)動(dòng)觀的思潮.其中比較著名的是伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn),他以雄辯的事實(shí)批判了亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀,為加速度概念的出現(xiàn)準(zhǔn)備了條件,并導(dǎo)致他的斜面落體實(shí)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)落體定律.從而奠定了動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ),而動(dòng)力學(xué)的出現(xiàn)又是近代物理學(xué)的起點(diǎn).

質(zhì)量的概念和定義在牛頓發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)定律的過程中意義十分重大.牛頓在1684年發(fā)表的《論物體的運(yùn)動(dòng)》一書明確提出了“物質(zhì)之量由密度和大小共同產(chǎn)生的”這個(gè)定義.1687年,牛頓發(fā)表了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》,開篇就對質(zhì)量進(jìn)行了定義:物質(zhì)的量是用他的密度和體積一起來度量的.并且指出質(zhì)量與重量成正比,因而可以由物質(zhì)的重量得到它的質(zhì)量.至此人們才真正把物體的重量和它的質(zhì)量區(qū)分開來.

牛頓對質(zhì)量概念的認(rèn)識分靜質(zhì)量和動(dòng)質(zhì)量兩個(gè)方面.靜質(zhì)量就是由物體的重量知道的,并與其重量成比例的物質(zhì)之量;動(dòng)質(zhì)量就是物體得以繼續(xù)保持其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而對外力反抗的一種內(nèi)在固有的力,對于慣性運(yùn)動(dòng)來說就是慣性質(zhì)量,對于落體運(yùn)動(dòng)來說就是引力質(zhì)量.[1]但是,水平面上的運(yùn)動(dòng)與落體和磁力作用產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)不同,因其作用力并不是持續(xù)地作用于一物體上,因此由水平面上得出的運(yùn)動(dòng)第二定律并不能用于落體運(yùn)動(dòng).牛頓利用磁體在水平和垂直方向都可持續(xù)施力于鐵塊的特點(diǎn),將二者聯(lián)系起來,證明了慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量等效,從而得出普遍的運(yùn)動(dòng)第二定律及其表示式.

兩個(gè)世紀(jì)后,奧地利物理學(xué)家馬赫對牛頓的質(zhì)量概念提出了嚴(yán)厲的批判.他認(rèn)為牛頓對質(zhì)量的定義在邏輯上陷入了循環(huán)論證的怪圈.這是因?yàn)橐环矫尜|(zhì)量由體積和密度決定,而另一方面又只能把密度定義為單位體積的質(zhì)量.而且,把質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)完全分割開來,認(rèn)為質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)無關(guān),夸大了質(zhì)量的不變性.沒有真正區(qū)分慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等一系列在牛頓力學(xué)質(zhì)量觀上所顯示的局限性也正是近代物理學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的切入點(diǎn).[2]

3 運(yùn)動(dòng)第三定律的發(fā)展過程

運(yùn)動(dòng)第一和第二定律是關(guān)于物體慣性運(yùn)動(dòng)和打破慣性運(yùn)動(dòng)的定律,但是對于一個(gè)物體系統(tǒng)來說,必須存在作用和反作用或運(yùn)動(dòng)傳遞的問題,這就需要一個(gè)有關(guān)物體之間相互作用的定律加以補(bǔ)充.笛卡兒從運(yùn)動(dòng)變化的觀點(diǎn)和萊布尼茲從活力的觀點(diǎn),分別研究過物體碰撞前后運(yùn)動(dòng)量的傳遞和守恒關(guān)系.在此基礎(chǔ)上,牛頓卻從力的觀點(diǎn)研究了物體碰撞過程中相互作用的關(guān)系,在一般意義上說碰撞過程中力的關(guān)系更為基本些.在《原理》一書中牛頓正式提出運(yùn)動(dòng)第三定律:“對于每一個(gè)作用,永遠(yuǎn)有一個(gè)相反而相等的反作用,或者,二物體彼此的相互作用是永遠(yuǎn)相等的,并且指向相反的方向.”

4 批判性思維對學(xué)生的必要性

在信息爆炸的時(shí)代,知識的概念早已發(fā)生質(zhì)的變化,要求每個(gè)人必須具備批判性吸收的能力,不只是專門工具和專業(yè)語言的運(yùn)用、特殊技能的掌握,也不只是能夠解決問題,知識的范圍已擴(kuò)展到“運(yùn)用系統(tǒng)知識來解決未知問題,并且創(chuàng)造新的知識”[3],就是說創(chuàng)新也是知識的一個(gè)層面.因此,具備良好的批判性思維習(xí)慣,才能更有效地學(xué)習(xí)知識.

物理學(xué)是一門自然科學(xué),要認(rèn)識自然界的規(guī)律,并把這種認(rèn)識轉(zhuǎn)化為促進(jìn)社會發(fā)展的生產(chǎn)力,這就要求物理學(xué)理論的“真”:在一定的條件與范圍內(nèi)的客觀真理,能經(jīng)得起實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的檢驗(yàn).因此,人們在正確認(rèn)識物理世界的過程中要具備高度的批判性.正如霍布森(Hobson)所說,“根本上說,科學(xué)是這樣運(yùn)作的:它把細(xì)心的觀察和艱苦的思考——證據(jù)和智力——結(jié)合起來理解大自然.”“科學(xué)的最基本價(jià)值:一切觀念都要接受經(jīng)驗(yàn)的考驗(yàn)和批判理性思維的挑戰(zhàn).”[4]

為了有效培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力,首先教師必須具備批判性思維能力,而且教師還需具備精深的專業(yè)知識,除了給學(xué)生傳授知識外,還要?jiǎng)?chuàng)造學(xué)習(xí)情境,讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突,提出問題,達(dá)到批判性思維的培養(yǎng)目的.其次教師還可以結(jié)合物理學(xué)史對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的教育.如利用物理學(xué)理論形成過程的史實(shí)材料,從亞士里多德對落體運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)和力關(guān)系的認(rèn)識到伽利略對這些問題的探究;由牛頓光的微粒說,到惠更斯光的波動(dòng)說,到麥克斯韋光的電磁波說,到愛因斯坦的光量子說;從古代人們對原子認(rèn)識,到湯姆生的原子模型,到盧瑟福的原子核式模型,到玻爾的原子模型,到原子的量子理論等等,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考,分析,判斷,評價(jià)等體驗(yàn)批判性思維活動(dòng)的過程.最后教師還需關(guān)注科學(xué)技術(shù)發(fā)展與社會的關(guān)系,結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,把基本科學(xué)思維方法的教育滲透到教學(xué)中,發(fā)展學(xué)生的批判性思維,促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的養(yǎng)成.

1 閻康年.牛頓的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與科學(xué)思想.長沙:湖南教育出版社.1989,134～158.

2 黃征、王世濤.質(zhì)量概念的發(fā)展.物理通報(bào).2006(4).

3 蘭州大學(xué)化學(xué)系人才培養(yǎng)“基地”領(lǐng)導(dǎo)小組.深化教學(xué)改革,努力辦好化學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)研究和教學(xué)人才培養(yǎng)基地.高等理科教育,1994(1).

4 朱鐵成.物理思維的批判性、范疇及其培養(yǎng).物理教師.2004(2).