由牛頓第一定律相關(guān)物理學(xué)史引發(fā)的思考

白帆

摘 要： 通過(guò)對(duì)比中國(guó)知網(wǎng)中57篇有關(guān)牛頓第一定律物理學(xué)史教育的文獻(xiàn)以及其它相關(guān)資料，總結(jié)文獻(xiàn)資料中亞里士多德、伽利略、笛卡兒、牛頓的主要觀點(diǎn)及貢獻(xiàn)，并提出四位歷史人物的觀點(diǎn)差異，表明牛頓第一定律的重要意義.并基于分析文獻(xiàn)時(shí)的感想，提出一些有關(guān)物理教師講授物理學(xué)史的想法.

關(guān)鍵詞： 物理學(xué)史;牛頓第一定律;物理教師

英國(guó)十七世紀(jì)著名思想家弗蘭西斯·培根（Francis Bacon，1561-1626）曾主張：讀史使人明智.歷史對(duì)于我們思維的發(fā)展有著重要影響作用，物理學(xué)史在物理學(xué)教育中越來(lái)越受到教師們的重視，物理核心素養(yǎng)也要求我們物理教師重視物理學(xué)史的教授.物理學(xué)史向?qū)W生們介紹了先賢學(xué)者們探究物理真理的過(guò)程與方法，這些有助于學(xué)生跟隨先賢們一步步建立更加科學(xué)的物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理、科學(xué)論證等思維能力，所以，物理教育的過(guò)程中要重視物理學(xué)史的滲透與分析.那么，教師怎樣才能更好的教授物理學(xué)史呢？本文將通過(guò)分析高中牛頓第一定律這一節(jié)課中有關(guān)物理學(xué)史的教學(xué)內(nèi)容，以期得到一些關(guān)于物理學(xué)史的教學(xué)思考，為日后的有關(guān)教學(xué)提供幫助.

在中國(guó)知網(wǎng)中搜索近兩年以及高被引、高下載量的牛頓第一定律教學(xué)設(shè)計(jì)及相關(guān)物理學(xué)史教育研究的文獻(xiàn)，通過(guò)整理得到57篇有效文獻(xiàn)，所選文獻(xiàn)發(fā)表年份及數(shù)目見(jiàn)表1.

通過(guò)對(duì)所選文獻(xiàn)的內(nèi)容比對(duì)，發(fā)現(xiàn)對(duì)牛頓第一定律有關(guān)物理學(xué)史的介紹主要包括四位歷史人物，分別為亞里士多德（Aristotle，前384-前32）、伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）、笛卡兒（R.Descartes，1596-1650）、牛頓（Isaac Newton，1643-1727）.大部分文獻(xiàn)中對(duì)他們的主要觀點(diǎn)和貢獻(xiàn)描述見(jiàn)表2.

然而通過(guò)以上觀點(diǎn)的講解，牛頓第一定律的偉大之處體現(xiàn)的似乎并不明顯，為什么亞里士多德的觀點(diǎn)能持續(xù)將近兩千年？伽利略和笛卡兒究竟遇到了什么困難？才難以定義呼之欲出的牛頓第一定律.所以還有一些文獻(xiàn)提出，亞里士多德將運(yùn)動(dòng)分為自然運(yùn)動(dòng)和受迫運(yùn)動(dòng)，自然運(yùn)動(dòng)是不依靠外界因素的，是物體向“下”運(yùn)動(dòng)的自然屬性，稱為物體的“重性”，受迫運(yùn)動(dòng)是在外在因素影響的條件下發(fā)生的，若使物體發(fā)生運(yùn)動(dòng)的因素不存在，則運(yùn)動(dòng)就不會(huì)發(fā)生[1].而伽利略繼承了重性的觀點(diǎn)，雖然他進(jìn)行了理想實(shí)驗(yàn)，但他認(rèn)為物體將由于重性做朝向地心的加速運(yùn)動(dòng)，若物體速度的大小不變時(shí)將圍繞著地心做圓周運(yùn)動(dòng)[2].笛卡兒建立自己觀點(diǎn)的時(shí)候否定了重性的觀點(diǎn)，所以更加的科學(xué).而牛頓建立了慣性和力的概念[2，3].

事實(shí)上，亞里士多德對(duì)物質(zhì)與運(yùn)動(dòng)已經(jīng)有了一定的合理認(rèn)識(shí)，所以他的觀點(diǎn)才能流傳多年.他所提倡的自然運(yùn)動(dòng)，原因就是在于自身之內(nèi)，受迫運(yùn)動(dòng)的原因在自身之外，這兩種運(yùn)動(dòng)的概念也比較寬泛，分為生滅、量變、質(zhì)變、位移四種變化.而牛頓定義的運(yùn)動(dòng)的原因是受到外力，而運(yùn)動(dòng)主要指位移.相比兩者的描述，其實(shí)是對(duì)運(yùn)動(dòng)和產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原因進(jìn)行了不同的定義，亞里士多德定義的運(yùn)動(dòng)比牛頓的更加廣泛，只是他沒(méi)有將“重性”予以具體的解釋.而且亞里士多德認(rèn)為物體具有速度是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的環(huán)境中具有介質(zhì)，這些介質(zhì)會(huì)阻礙物體的運(yùn)動(dòng)，所以他否認(rèn)真空的存在，認(rèn)為重物和輕物不可能同時(shí)落地，它們?cè)谙侣溥^(guò)程中會(huì)受到介質(zhì)的影響.

伽利略思考的是物體由于“重性”做曲線運(yùn)動(dòng)，他把勻速圓周運(yùn)動(dòng)和靜止、勻速直線運(yùn)動(dòng)一起看作是自然作態(tài)，并沒(méi)有像牛頓那樣建立“絕對(duì)空間”，用向心力解釋勻速圓周運(yùn)動(dòng).但是伽利略的貢獻(xiàn)是不可忽略的，他的自由落體理想實(shí)驗(yàn)將理論與實(shí)際統(tǒng)一起來(lái)，將理想實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)研究聯(lián)系起來(lái)，并給出了定量的結(jié)論：“從靜止開(kāi)始下落的物體在相等時(shí)間段內(nèi)經(jīng)過(guò)的距離彼此從1開(kāi)始的奇數(shù)關(guān)系”，增強(qiáng)了物理學(xué)的科學(xué)性[4，5].

笛卡兒提出可以無(wú)限運(yùn)動(dòng)下去的直線運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，將勻速圓周運(yùn)動(dòng)從自然運(yùn)動(dòng)中剝離出去，但卻沒(méi)有建立“牛頓第一定律”，究其原因其實(shí)是沒(méi)有建立力的概念，笛卡爾試圖用物質(zhì)解釋運(yùn)動(dòng)，將“重性”當(dāng)做物質(zhì)相互碰撞的結(jié)果，沒(méi)有像牛頓那樣提出物體的運(yùn)動(dòng)是因?yàn)榱?，并且在力消失之后物體會(huì)由于慣性而保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).但是我們不得不承認(rèn)牛頓定律的建立是依賴于笛卡爾的觀點(diǎn)的.

牛頓定律的重要意義包括定義了“力”的概念，牛頓的“力”是一種因果關(guān)系，而并非原因，物體由于受到力的作用才改變了運(yùn)動(dòng)狀態(tài).牛頓還以絕對(duì)空間為基礎(chǔ)建立了運(yùn)動(dòng)與力的物理模型，并繼承了伽利略相對(duì)性原理的觀點(diǎn).物理學(xué)對(duì)許多問(wèn)題的解釋都是通過(guò)建立模型來(lái)解決的，

并繼承了伽利略相對(duì)性原理的觀點(diǎn).物理學(xué)對(duì)許多問(wèn)題的解釋都是通過(guò)建立模型來(lái)解決的，而運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系又是解釋物質(zhì)（包括實(shí)物粒子和場(chǎng)）的運(yùn)動(dòng)的重要依據(jù).此外，牛頓定律將質(zhì)量和慣性聯(lián)系起來(lái)，物體的質(zhì)量越大慣性越大，慣性是物體保持原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，那么物體在不受力的情況下將保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線狀態(tài)[6].

通過(guò)此次分析發(fā)現(xiàn)物理學(xué)史的教育并不是簡(jiǎn)單的介紹相關(guān)歷史資料，而是對(duì)物理教師也有一定的要求，主要包括以下幾點(diǎn).第一，教師在講授之前要廣泛的查閱相關(guān)文獻(xiàn)及圖書(shū)等資料，保證講授內(nèi)容的科學(xué)正確性.尤其是有關(guān)歷史的內(nèi)容，不同的資料可能有不同的表述，甚至是截然相反的結(jié)論，此次分析的文獻(xiàn)中就有一些相悖的觀點(diǎn)，所以我們教師自己要有辯證能力，并且具有廣泛的科學(xué)知識(shí)，從而確定講授的內(nèi)容及內(nèi)容講解的順序.第二，注重物理史中包含的物理核心素養(yǎng)的發(fā)掘與教授.物理學(xué)史往往體現(xiàn)物理理論的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)科學(xué)推理、科學(xué)論證等過(guò)程建立物理觀念、物理思維，從而提升學(xué)生的各方面能力，堅(jiān)定學(xué)生探索和創(chuàng)造的信心.例如牛頓第一定律建立過(guò)程的物理學(xué)史中，伽利略利用理想實(shí)驗(yàn)分析問(wèn)題并得出定量的結(jié)論，這種理論與實(shí)際相結(jié)合的研究方法正是物理核心素養(yǎng)要求學(xué)生會(huì)使用的研究方法.第三，我們品味歷史，就要將歷史置于歷史發(fā)生時(shí)的背景下研讀.讓自己處于當(dāng)時(shí)的情境之中，而不是用現(xiàn)代的眼光和思維評(píng)定歷史人物人的所作所為.由于知識(shí)背景以及文化發(fā)展水平等因素的差異，對(duì)于同一問(wèn)題在不同時(shí)代往往具有不同的解釋和觀點(diǎn)，現(xiàn)在越來(lái)越多的史學(xué)家不贊成“歷史的輝格解釋”，認(rèn)為科學(xué)要注重實(shí)證，歷史不應(yīng)該只為了最后的“勝利”而發(fā)展，歷史也有很多坎坷波折，我們也應(yīng)該以更客觀更辯證的眼光去看待歷史.第四，講物理學(xué)史要突出教學(xué)目的，教會(huì)學(xué)生探究真理的方法，培養(yǎng)學(xué)生的能力，不可舍本逐末，拋棄物理思維的滲透而一味的講解歷史事件和歷史人物，關(guān)于歷史的更多解釋可以為學(xué)生提供適宜的、經(jīng)典的資料，讓學(xué)生自己探索，教師要做好“引導(dǎo)者”的角色，鼓勵(lì)學(xué)生探究學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí).總之，物理教育需要教育者嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真，突出科學(xué)本質(zhì)，在教學(xué)生的同時(shí)也要進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，專心致志于教學(xué)之中.

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科學(xué)物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2007.

[2]靳萱.科學(xué)教科書(shū)科學(xué)史內(nèi)容的編寫研究——基于七個(gè)版本“牛頓第一定律”的比較[J].課程教學(xué)研究，2016（11）：33～38+65.

[3]陳運(yùn)保，趙亮.牛頓第一定律的發(fā)展歷史及其教育價(jià)值[J].物理教師，2016（07）：32～35.

[4]（美）勞倫斯·普林西比著.張卜天譯.牛津通識(shí)讀本：科學(xué)革命[M].江蘇：譯林出版社，2013.

[5]胡翌霖.過(guò)時(shí)的智慧 科學(xué)通史十五講[M].上海：上海教育出版社，2016.

[6]趙崢.物理學(xué)與人類文明十六講[M].北京：高等教育出版社，2008.