溯源物理規(guī)律 培養(yǎng)科學(xué)思維*
——以“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”教學(xué)為例

陳連余 李友志

溯源物理規(guī)律 培養(yǎng)科學(xué)思維*
——以“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”教學(xué)為例

陳連余1李友志2

物理學(xué)史是展現(xiàn)物理學(xué)家思維過程的良好素材。在教學(xué)時(shí)，深入挖掘此類素材，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。以“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”教學(xué)為例，探討此類教學(xué)策略。

溯源；物理規(guī)律；科學(xué)思維能力

愛因斯坦說：對(duì)真理的探究比對(duì)真理的占有更可貴。在中學(xué)物理教材中有不少章節(jié)內(nèi)容涉及物理學(xué)史的知識(shí)，人教版高中物理必修1“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”一節(jié)就是典型。這一節(jié)內(nèi)容涉及模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等諸多科學(xué)思維的要素，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的良好載體。筆者以這一節(jié)課的教學(xué)為例，談?wù)勁囵B(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的教學(xué)要點(diǎn)。

一、培養(yǎng)科學(xué)推理能力

落體運(yùn)動(dòng)司空見慣。公元前四世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家亞里士多德 （公元前384—公元前322）認(rèn)為，物體運(yùn)動(dòng)快慢決定于其輕重，且物體的下落速度和重量成正比。物體越重，下落的速度越快。兩千多年來，亞里士多德的觀點(diǎn)被人們普遍接受，被當(dāng)成是不可懷疑的真理，經(jīng)歷 1800多年后，年輕的意大利科學(xué)家伽利略（1564—1642）對(duì)亞里士多德的落體運(yùn)動(dòng)觀提出了質(zhì)疑。

［問題1］伽利略是怎樣質(zhì)疑傳統(tǒng)落體運(yùn)動(dòng)觀的？

伽利略設(shè)計(jì)了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，對(duì)此進(jìn)行了質(zhì)疑。在1638年出版的《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話》書中，伽利略詳細(xì)介紹了這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。根據(jù)當(dāng)時(shí)的亞里士多德物理學(xué)，每個(gè)物體在每種介質(zhì)中都有一個(gè)自然下落速度，在同一種介質(zhì)中，物體的下落速度和它的重量成正比，物體越重，下落的速度越快。伽利略據(jù)此設(shè)想，有一重一輕兩個(gè)球，重球的下落速度將比輕球快。再設(shè)想把這兩個(gè)球綁在一起，速度慢的輕球會(huì)拖慢速度快的重球，因此它們一起下落的速度應(yīng)介于它們各自下落的速度之間。但是，兩球合在一起的重量大于重球，它們一起下落的速度又應(yīng)該比它們各自下落的速度都大。這樣，就出現(xiàn)了自相矛盾的兩個(gè)結(jié)論，所以亞里士多德的落體運(yùn)動(dòng)法則是不能成立的。伽利略認(rèn)為，重物和輕物應(yīng)該下落得一樣快。

從物理學(xué)發(fā)展史來看，對(duì)傳統(tǒng)規(guī)律的質(zhì)疑之時(shí)就是物理新規(guī)律的催生之日。哥白尼對(duì)地心說的懷疑催生出日心說，開普勒對(duì)行星運(yùn)動(dòng)圓軌道的懷疑催生出天體橢圓運(yùn)動(dòng)軌道模型。伽利略對(duì)亞里士多德的落體運(yùn)動(dòng)觀的質(zhì)疑催生新的自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。質(zhì)疑是創(chuàng)新的起點(diǎn)，一切科學(xué)發(fā)現(xiàn)都是從疑問開始的。伽利略的思想實(shí)驗(yàn)又是一個(gè)很好的邏輯推理題，他運(yùn)用的是演繹推理法，是標(biāo)準(zhǔn)的三段論。大前提是“重物比輕物下落得快”，小前提是“兩球合成體的重量大于重球”，結(jié)論是“兩球合成體的速度應(yīng)該比重球還要快”。這種邏輯思維是科學(xué)思維的有機(jī)成分。在教學(xué)時(shí)，務(wù)必要講清楚這些，以便激發(fā)學(xué)生的質(zhì)疑意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力。

二、滲透實(shí)證意識(shí)

［問題2］對(duì)于比薩斜塔實(shí)驗(yàn)大家耳熟能詳，伽利略設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)的目的是什么？

在推翻經(jīng)典落體運(yùn)動(dòng)觀后，伽利略猜測：重物和輕物應(yīng)該下落得一樣快。為了證明自己的猜測，他設(shè)計(jì)出著名的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)。1589年的一天，伽利略登上塔頂，將一個(gè)重100磅和一個(gè)重1磅的鐵球同時(shí)拋下。在眾目睽睽之下，兩個(gè)鐵球出人意料地差不多同時(shí)落地。面對(duì)這個(gè)無情的實(shí)驗(yàn)，在場觀看的人個(gè)個(gè)目瞪口呆，不知所措。實(shí)驗(yàn)證明，伽利略的落體運(yùn)動(dòng)觀是正確的。

伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn)被評(píng)為物理學(xué)史上十大最美實(shí)驗(yàn)之一。僅僅從邏輯的論戰(zhàn)中推翻亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，還不能讓所有人信服。著名的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)成為科學(xué)史上的經(jīng)典：伽利略從斜塔上同時(shí)扔下一輕一重的物體，兩物同時(shí)落地。物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的魅力所在。實(shí)驗(yàn)可以推翻理論，而理論不可以推翻實(shí)驗(yàn)。物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中處處閃耀著物理實(shí)驗(yàn)的光芒?？梢?，溯源物理規(guī)律，既加深了學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解，又培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)證意識(shí)。

三、激發(fā)創(chuàng)新思維

［問題3］伽利略在進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)研究自由下落的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，遇到了極大的困難?；氐劫だ詴r(shí)代，想象一下他會(huì)遇到哪些困難？

遇到的困難實(shí)在太多了，如理論匱乏，伽利略時(shí)代的物理學(xué)還不能成為一門獨(dú)立的科學(xué)，學(xué)科知識(shí)支離破碎，毫無體系可言。為了研究運(yùn)動(dòng)，伽利略先后建立了時(shí)間概念、速度概念等，并且演化出平均速度、瞬時(shí)速度及加速度等概念。這些工作，不僅有助于完成自由落體運(yùn)動(dòng)的研究，而且確立了他在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的奠基人地位。

為了研究自由落體運(yùn)動(dòng)，伽利略定義了“速度”“時(shí)間”等概念。為了減小測量運(yùn)動(dòng)時(shí)間的相對(duì)誤差，伽利略巧妙地采用“沖淡”重力后的斜面實(shí)驗(yàn)替代豎直方向上的自由落體實(shí)驗(yàn)，最后又大膽地將結(jié)論外推到90°的情形。這些舉措，都是伽利略的創(chuàng)新成果。物理學(xué)家海森堡說：“為了理解現(xiàn)象，首要條件是引入適當(dāng)?shù)母拍睿覀儾拍苷嬲烙^察到了什么?！痹趯?duì)事物本質(zhì)屬性有了充分了解的基礎(chǔ)上，我們才可能給出事物的概念，而這個(gè)概念要具有排他性和唯一性。建構(gòu)概念不是一件簡單的事。如“動(dòng)量”概念的建立過程就較為曲折。法國哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家笛卡爾首先提出，質(zhì)量和速率的乘積是一個(gè)合適的物理量。后來荷蘭數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家惠更斯在研究碰撞問題時(shí)發(fā)現(xiàn)：按照笛卡爾的定義，兩個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的總量在碰撞前后不一定守恒。英國科學(xué)家牛頓在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，把笛卡爾的定義作了重要的修改，即不用質(zhì)量和速率的乘積，而用質(zhì)量和速度的乘積，這樣就找到了量度運(yùn)動(dòng)的合適的物理量。牛頓把它叫作“運(yùn)動(dòng)量”，就是現(xiàn)在說的“動(dòng)量”。在教學(xué)時(shí)，可以適當(dāng)對(duì)這些相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行發(fā)散，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)探究活動(dòng)沒有創(chuàng)新，就不能持續(xù)，也不會(huì)有成果出現(xiàn)。

四、體驗(yàn)科學(xué)論證過程

［問題4］怎樣證明“速度與時(shí)間成正比”？

對(duì)于自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，伽利略做出猜想“速度是均勻變化的”。根據(jù)猜想就會(huì)得出兩種情況：速度與位移成正比和速度與時(shí)間成正比。究竟哪一種正確呢？

猜想1：速度與位移成正比，即v∝x。

若猜想1正確，則可以作出x-v圖象如圖1所示，函數(shù)關(guān)系為x=kv。為了研究簡便，我們?nèi)=1，則函數(shù)關(guān)系為x=v。通過一小段位移所用時(shí)間通過積分求得物體一段位移所需的總時(shí)間t=lnx。

圖1

但是，在伽利略時(shí)代“微積分”這一數(shù)學(xué)工具還沒有出現(xiàn)，伽利略顯然不可能通過這種數(shù)學(xué)方法進(jìn)行求解。是什么原因讓伽利略放棄了猜想1，是伽利略知難而退，或是別的什么原因，我們不得而知。

猜想2：速度與時(shí)間成正比，即v∝t。

困難1：無法測量瞬時(shí)速度。

困難2：沒有精確的計(jì)時(shí)工具。

關(guān)于困難1的解決方案：將速度與時(shí)間的關(guān)系研究轉(zhuǎn)化為位移與時(shí)間的關(guān)系研究。做出速度與時(shí)間的關(guān)系圖（如圖2所示）。

圖2

根據(jù)三角形面積的計(jì)算公式得出結(jié)論，該面積表示位移x，其數(shù)值x∝t2。如果此關(guān)系成立，則速度與時(shí)間成正比，即v∝t。

關(guān)于困難2，當(dāng)時(shí)的計(jì)時(shí)工具非常簡陋，就是日晷、銅壺滴漏等，根本不能滿足自由落體運(yùn)動(dòng)的計(jì)時(shí)要求。

伽利略改用“沖淡”重力的斜面實(shí)驗(yàn)，延長計(jì)時(shí)長度，減小偶然誤差。在伽利略制訂的實(shí)驗(yàn)方案中，他改用“沖淡”重力的斜面實(shí)驗(yàn)來替代自由落體實(shí)驗(yàn)。延長物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間后，計(jì)時(shí)的相對(duì)誤差相應(yīng)減小。

伽利略在《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話》中對(duì)他的斜面實(shí)驗(yàn)描述得非常具體，寫道：

“取長約12庫比（1庫比=45.7厘米）、寬約半庫比、厚約三指的木板，在邊緣上刻一條一指多寬的槽，槽非常平直，經(jīng)過打磨，在直槽上貼上羊皮紙，盡可能使之光滑，然后讓一個(gè)非常圓的、硬的光滑黃銅球沿槽滾下，我們將木板的一端抬高一二庫比，使之略呈傾斜，再讓銅球滾下，用上述方法記錄滾下所需時(shí)間。我們不止一次重復(fù)這一實(shí)驗(yàn)，使得兩次觀測的時(shí)間相差不致超過脈搏的十分之一。在完成這一步驟并確證其可靠性之后，就讓銅球滾下全程的1/4，并測出下降時(shí)間，我們發(fā)現(xiàn)它恰好是滾下全程所需時(shí)間的一半?！?/p>

“為了測量時(shí)間，我們把一只盛水的大容器置于高處，在容器底部焊上一根口徑很細(xì)的管子，用小杯子收集每次下降時(shí)由細(xì)管流出的水，不管是全程還是全程的一部分，都可以收集到。然后用極其精密的天平稱水的重量；這些水重之差和比值就給出了時(shí)間之差和比值?！?/p>

伽利略通過思想實(shí)驗(yàn)推翻了經(jīng)典的落體運(yùn)動(dòng)觀，進(jìn)而猜想落體的運(yùn)動(dòng)速度是均勻變化的。作為科學(xué)研究來說，猜想僅僅是第一步，關(guān)鍵的工作在于后續(xù)的科學(xué)論證。展示伽利略論證假設(shè)、實(shí)驗(yàn)測量、尋找規(guī)律的過程，目的是讓學(xué)生站在科學(xué)家的角度來思考問題。傳統(tǒng)的物理教學(xué)，總是說“某某物理學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)……的巧妙實(shí)驗(yàn)，從而得到……”這種巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，且不說學(xué)生能不能領(lǐng)悟巧妙在哪兒，長時(shí)間這樣的教學(xué)，讓學(xué)生以為物理學(xué)家都是一蹴而就，腦子一轉(zhuǎn)就想到了巧妙的方法。然而，事實(shí)并非如此，學(xué)生了解到科學(xué)探索的過程，在驚嘆之余，也就生出對(duì)物理的敬畏之心。

科學(xué)論證是科學(xué)教育的核心內(nèi)容。把科學(xué)論證作為課堂教學(xué)的內(nèi)容，讓學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)家的論證過程，引導(dǎo)學(xué)生完成這一再生產(chǎn)的過程，可能多花了一些教學(xué)時(shí)間，卻讓學(xué)生增加了一份真切感受，收獲了一份成長。

本節(jié)課以 “伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”為線索，從伽利略質(zhì)疑經(jīng)典落體運(yùn)動(dòng)觀開始，到建立自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律結(jié)束。通過設(shè)計(jì)層層問題，引導(dǎo)學(xué)生站在歷史的天空下，與伽利略一同站在問題的起點(diǎn)思考問題、解決問題。溯源物理規(guī)律的教學(xué)，就需要再現(xiàn)科學(xué)家的思想歷程，展示物理規(guī)律的建構(gòu)過程，在這樣的過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

［1］蔣靈.伽利略斜面實(shí)驗(yàn)中的三個(gè)問題［J］.課程教材教學(xué)研究：教育研究，2011（01）.

［2］楊志宇.高中物理校本課程開發(fā)的實(shí)踐研究［D］.長春：東北師范大學(xué)，2011（05）.

［3］曾寶俊.給孩子摧毀科學(xué)經(jīng)典的勇氣——《研究物體下落的規(guī)律》教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.江蘇教育：小學(xué)教學(xué)，2011（07）.

G633.7

A

1005-6009（2017）27-0051-03

1.陳連余，南京市金陵中學(xué)（南京，210005）教師，高級(jí)教師，江蘇省特級(jí)教師；2.李友志，南京市第六十六中學(xué)（南京，210037）教師，高級(jí)教師。

*本文系江蘇省教研室第十期立項(xiàng)課題 “從物理規(guī)律的溯源出發(fā)培養(yǎng)學(xué)生物理思維方法的研究”（課題編號(hào)：L018）的階段性成果。