物理史在高中物理學(xué)習(xí)中的作用

董宜達(dá)

【摘 要】本文以萬(wàn)有引力定律為例探討了高中物理教學(xué)中結(jié)合物理史，可以使同學(xué)們體會(huì)到科學(xué)由量變到質(zhì)變的發(fā)展過(guò)程；科學(xué)家孜孜不倦、鍥而不舍的探索精神；科學(xué)家勇于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的勇氣與氣魄；科學(xué)家腳踏實(shí)地、尊重事實(shí)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度；所學(xué)知識(shí)中蘊(yùn)含的簡(jiǎn)潔美；所學(xué)知識(shí)的來(lái)之不易；所學(xué)知識(shí)并不是枯燥的公式，而是有鮮活的生命；對(duì)所學(xué)知識(shí)的來(lái)龍去脈印象深刻，舉一反三。

【關(guān)鍵詞】物理史；高中物理；學(xué)習(xí)；作用

0 引言

高中物理教材中不僅有很多物理史的介紹，而且有些內(nèi)容直接就是結(jié)合物理史進(jìn)行的引入與展開(kāi)。非常典型的例子就是科學(xué)史上最偉大的定律之一——萬(wàn)有引力定律的引入與展開(kāi)，就是完全追尋著物理史上的科學(xué)家的足跡而引入的。

1 物理史上發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律時(shí)科學(xué)家的足跡

第谷全身心投入得到行星位置的測(cè)量中，他把測(cè)量天體位置的誤差大約從10'減小到2'，他的觀測(cè)結(jié)果為哥白尼的日心說(shuō)提供了關(guān)鍵性的支持。

開(kāi)普勒以全部精力整理第谷的數(shù)據(jù)，期望求得行星運(yùn)動(dòng)軌道的更準(zhǔn)確的描述。他對(duì)第谷數(shù)據(jù)的精確性深信不疑，在根據(jù)哥白尼的學(xué)說(shuō)驗(yàn)證行星繞太陽(yáng)作圓周運(yùn)動(dòng)與觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差后，他第一次對(duì)天體在做“完美的”勻速圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生懷疑。經(jīng)過(guò)多年的嘗試性運(yùn)算，終于在第谷數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了開(kāi)普勒三定律。

不過(guò)開(kāi)普勒并不知道，他所發(fā)現(xiàn)的三個(gè)定律蘊(yùn)含著極其重大的“天機(jī)”，就是最后由牛頓在開(kāi)普勒定律基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)的萬(wàn)有引力定律。牛頓利用數(shù)學(xué)的方法，結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律，對(duì)開(kāi)普勒定律做了加工，得到萬(wàn)有引力定律的表達(dá)式，揭示了控制行星運(yùn)動(dòng)的力，比開(kāi)普勒定律更深刻、更簡(jiǎn)潔。并且牛頓又向前走了一大步，他的思想超越了行星與太陽(yáng)，推廣到了宇宙中的一切物體之間，萬(wàn)有引力定律清楚地向人們揭示，復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的背后隱藏著間接地科學(xué)規(guī)律；它明確地向人們宣告，天上和地上的物體都遵循著完全相同的科學(xué)法則。

2 物理史在高中物理學(xué)習(xí)中的作用

2.1 體會(huì)到科學(xué)由量變到質(zhì)變的發(fā)展過(guò)程

第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)普勒的三個(gè)定律，牛頓的萬(wàn)有引力定律是一環(huán)扣一環(huán)，環(huán)環(huán)相扣的。沒(méi)有第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)普勒的三個(gè)定律就成了無(wú)源之水無(wú)本之木；沒(méi)有開(kāi)普勒的三個(gè)定律，牛頓也很難得到這么簡(jiǎn)潔、漂亮的萬(wàn)有引力定律的關(guān)系式。這個(gè)過(guò)程是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過(guò)程，沒(méi)有前面的基礎(chǔ)，就沒(méi)有科學(xué)史上最偉大的定律之一的萬(wàn)有引力定律。由此同學(xué)們可以想到，我們所學(xué)的所有知識(shí)的發(fā)展都是這樣由量變到質(zhì)變而發(fā)展起來(lái)的。或者，不僅是知識(shí)，要成功做成一件事，總要經(jīng)過(guò)這種由量變到質(zhì)變的階段。學(xué)習(xí)，或者做事，都需要厚積而薄發(fā)。只有經(jīng)過(guò)積累的暗淡階段，才會(huì)到達(dá)燦爛輝煌的光明。

2.2 體會(huì)到科學(xué)家孜孜不倦、鍥而不舍的探索精神

第谷用了二十多年的時(shí)間全身心地投入到天體的觀測(cè)中，一直堅(jiān)持進(jìn)行出色的精確觀察，其編纂的星表的數(shù)據(jù)甚至已經(jīng)接近了肉眼分辨率的極限。開(kāi)普勒認(rèn)真地研究了第谷多年對(duì)行星進(jìn)行仔細(xì)觀察所做的大量記錄，經(jīng)過(guò)多年煞費(fèi)苦心的數(shù)學(xué)計(jì)算，開(kāi)始懷疑哥白尼認(rèn)為的行星的軌道是圓的正確性，認(rèn)為行星軌道不是圓形而是橢圓形。就在找到基本的解決辦法后，開(kāi)普勒仍不得不花費(fèi)數(shù)月的時(shí)間來(lái)進(jìn)行復(fù)雜而冗長(zhǎng)的計(jì)算，證實(shí)了他的學(xué)說(shuō)與第谷的觀察相符合，這個(gè)過(guò)程用了16年。牛頓從1665年至1685年，花了整整20年的時(shí)間，才沿著離心力—向心力—重力—萬(wàn)有引力概念的演化順序，終于提出“萬(wàn)有引力”這個(gè)概念。從中我們可以想象出科學(xué)家在這個(gè)過(guò)程中所付出的艱辛勞動(dòng)，也為科學(xué)家們孜孜不倦、鍥而不舍的探索精神所折服。

2.3 體會(huì)到科學(xué)家勇于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的勇氣與氣魄

在開(kāi)普勒之前，第谷、哥白尼以及所有的經(jīng)典天文學(xué)家都假定行星軌道是由圓或復(fù)合圓組成的。但是在對(duì)火星軌道的研究中，經(jīng)過(guò)多年的數(shù)學(xué)計(jì)算，開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)運(yùn)算結(jié)果與第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)不相符。開(kāi)普勒深信第谷觀測(cè)數(shù)據(jù)的精確性，于是大膽懷疑人們長(zhǎng)期以來(lái)視為真理的天體在做“完美的”勻速圓周運(yùn)動(dòng)這一觀念，由此展開(kāi)了天文學(xué)與物理學(xué)的新的篇章。牛頓在前人對(duì)慣性研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)始思考“物體怎樣才會(huì)不沿著直線運(yùn)動(dòng)”這一問(wèn)題，根據(jù)他建立的“力”的概念，他認(rèn)為使行星沿圓或橢圓運(yùn)動(dòng)，需要指向圓心或橢圓焦點(diǎn)的力。于是，牛頓利用他的運(yùn)動(dòng)定律把行星的向心加速度與太陽(yáng)對(duì)它的引力聯(lián)系了起來(lái)。他進(jìn)一步推廣開(kāi)來(lái)，認(rèn)為引力存在于所有物體之間，從而闡述了普遍意義下的萬(wàn)有引力定律。從這個(gè)過(guò)程中我們可以看到開(kāi)普勒與牛頓一直在對(duì)前人的認(rèn)識(shí)進(jìn)行質(zhì)疑，并在回答提出的問(wèn)題的過(guò)程中進(jìn)行大膽地創(chuàng)新。

2.4 體會(huì)到科學(xué)家腳踏實(shí)地、尊重事實(shí)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度

開(kāi)普勒與牛頓在提出質(zhì)疑、進(jìn)行創(chuàng)新的過(guò)程中始終都堅(jiān)持尊重事實(shí)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，他們并不是毫無(wú)根據(jù)地去質(zhì)疑、去創(chuàng)新。開(kāi)普勒為什么懷疑天體在做完美的勻速圓周運(yùn)動(dòng)這個(gè)主流觀念呢？是因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)這個(gè)主流觀念與第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)不符。牛頓的創(chuàng)新也是建立在前人對(duì)慣性研究的基礎(chǔ)上的，由對(duì)慣性的研究，他才提出：以任何方式改變速度（包括改變速度的方向）都需要力，從而認(rèn)為太陽(yáng)對(duì)行星有引力，更進(jìn)一步提出所有物體之間都有引力的。從中可以看到科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)的腳踏實(shí)地、尊重事實(shí)的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。我們不僅在學(xué)習(xí)中要堅(jiān)持科學(xué)家的這些精神，在我們的日常生活中也同樣離不開(kāi)這些精神。

2.5 體會(huì)到所學(xué)知識(shí)中蘊(yùn)含的簡(jiǎn)潔美

開(kāi)普勒的三定律，把第谷積累的數(shù)千個(gè)數(shù)據(jù)歸納成如此簡(jiǎn)潔的三句話，展示了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性，與原始數(shù)據(jù)相比既深刻又簡(jiǎn)潔。牛頓利用數(shù)學(xué)的方法，結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律，對(duì)開(kāi)普勒定律做了加工后，揭示了控制行星運(yùn)動(dòng)的力，進(jìn)而推廣到所有物體間的力的萬(wàn)有引力定律，比開(kāi)普勒定律更深刻、更簡(jiǎn)潔。這些定律公式都蘊(yùn)含著深刻的簡(jiǎn)潔美。很多科學(xué)規(guī)律中都蘊(yùn)含著深刻的簡(jiǎn)潔美，在學(xué)習(xí)這些知識(shí)的過(guò)程中能給人以美的享受。

2.6 體會(huì)到所學(xué)知識(shí)的來(lái)之不易

現(xiàn)在我們學(xué)習(xí)萬(wàn)有引力定律，在教材中不過(guò)就是幾頁(yè)紙，而在歷史上這個(gè)定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程則很漫長(zhǎng)。從第谷的二十多年的觀測(cè)，到開(kāi)普勒的16年的計(jì)算、嘗試、再計(jì)算，再經(jīng)過(guò)牛頓整整20年的摸索，這個(gè)過(guò)程真是很不容易?！鞍l(fā)現(xiàn)”總是比“學(xué)習(xí)”要困難很多很多。我們所學(xué)的所有知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程都類似，都經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)而又曲折的過(guò)程，在一代又一代的科學(xué)家們的接力下才發(fā)現(xiàn)與發(fā)展起來(lái)。我們所學(xué)的知識(shí)，都是人類思想的精華，來(lái)之不易。不僅值得我們好好珍惜，還要在我們這一代的手上進(jìn)一步發(fā)展壯大，我們也應(yīng)為人類的知識(shí)大廈添磚加瓦。

2.7 體會(huì)到所學(xué)知識(shí)并不是枯燥的公式，而是有鮮活的生命

萬(wàn)有引力定律是科學(xué)家經(jīng)過(guò)艱辛的勞動(dòng)才發(fā)現(xiàn)的蘊(yùn)藏在現(xiàn)實(shí)世界中的秘密，它揭示了大自然中的規(guī)則，是我們認(rèn)識(shí)世界的有力的工具。有了萬(wàn)有引力定律，人類才可以克服引力進(jìn)入太空，在太空翱翔，去發(fā)現(xiàn)更多蘊(yùn)含在太空中的秘密。萬(wàn)有引力定律并不僅是枯燥的公式，它具有鮮活的生命，它所換發(fā)的光彩一直在照亮人類探索宇宙的步伐。

2.8 對(duì)所學(xué)知識(shí)的來(lái)龍去脈印象深刻，舉一反三

追尋著科學(xué)家的足跡發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的過(guò)程帶給同學(xué)們的感覺(jué)是引人入勝，激潮澎湃，不僅使同學(xué)們對(duì)此定律的來(lái)龍去脈印象深刻，還使同學(xué)們對(duì)萬(wàn)有引力定律的本質(zhì)思想有了更深一步的理解。遇到相似的問(wèn)題，同學(xué)們可以借鑒科學(xué)家們的思考過(guò)程去進(jìn)行思考，舉一反三。著名文學(xué)家馬克·吐溫滿懷激情地說(shuō)：“科學(xué)真是迷人。根據(jù)零星的事實(shí)，增添一點(diǎn)猜想，竟能贏得那么多收獲！”在學(xué)習(xí)了科學(xué)家的探索的思想路程后，同學(xué)們收獲良多。

【參考文獻(xiàn)】

[1]人民教育出版社，課程研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.物理2必修[M].3版.人民教育出版社，2014.

[責(zé)任編輯：田吉捷]