落體觀念的演變對(duì)科學(xué)觀念教育的啟示

張福林

(北京市順義區(qū)第一中學(xué) 北京 101300)

科學(xué)觀念是由于科學(xué)知識(shí)的長(zhǎng)期積累及科學(xué)方法的多次卓有成效的運(yùn)用后，使人們深信某些知識(shí)與方法具有更為深刻與普遍的意義，從而在信念、世界觀、價(jià)值論等方面引起較為深刻的變化，并形成穩(wěn)定的取向，它使一些基本科學(xué)規(guī)律、科學(xué)原理被提升到判斷是非標(biāo)準(zhǔn)的地位，形成一種科學(xué)的理性.愛因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“物理教學(xué)不應(yīng)該教成一堆技術(shù)，而應(yīng)教成思想觀念的詩(shī)劇.應(yīng)該強(qiáng)調(diào)思想觀念的演變，強(qiáng)調(diào)我們企圖了解物理世界的歷史，以使學(xué)生具備洞察未來(lái)的能力.”由此可見，在高中物理教學(xué)中開展培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)觀念的教育顯得尤為重要.

在多年自由落體運(yùn)動(dòng)教學(xué)中，越發(fā)感到自由落體運(yùn)動(dòng)教學(xué)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀念具有重要價(jià)值.本文以落體觀念演變?yōu)槔龑?duì)在高中物理中如何培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)觀念做些探討，以求對(duì)物理教學(xué)有所啟發(fā).

1 物理環(huán)境對(duì)亞里士多德落體觀念形成的影響及啟示

我們知道，亞里士多德的落體觀念是：越重的物體下落得越快.我們現(xiàn)代人認(rèn)為亞里士多德的落體觀念是不對(duì)的.但是我們要追問(wèn)：亞里士多德的落體觀念是不是就沒有根據(jù)？不是，這種觀念的得出是與當(dāng)時(shí)的物理環(huán)境相契合的.

直覺經(jīng)驗(yàn)：自然界中的四元素火、氣、水、土的分布有一定層次，火與氣自發(fā)向上運(yùn)動(dòng)，水與土自發(fā)向下運(yùn)動(dòng).(亞里士多德把那些在沒有其他干擾的條件下總是向上運(yùn)動(dòng)的東西稱為輕物體，總是向下運(yùn)動(dòng)的物體稱作重物體.

歸納前提：四元素均各有其自然位置，火在最上、氣次之、水再次之，土在最下.火、氣、水、土四元素按其自然本性趨向其自然位置.

演繹結(jié)論：物體越重，則趨向其自然位置的傾向就越強(qiáng)，下落的速度就越快，所以重物自由下落的速度與其重量成正比.這就是著名的亞里士多德的落體觀念.

啟示：物理環(huán)境與經(jīng)歷對(duì)觀念的形成有著重要的影響.形成什么樣的觀念是與人的自身經(jīng)歷的客觀環(huán)境息息相關(guān)的，我們對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)觀念教育必須營(yíng)造科學(xué)的教育環(huán)境.

2 亞里士多德研究落體運(yùn)動(dòng)的方法對(duì)觀念形成的影響與啟示

亞里士多德研究落體運(yùn)動(dòng)的方法,如圖1所示,從經(jīng)驗(yàn)與直覺出發(fā)歸納得出前提，并作為絕對(duì)真理，然后在此前提的基礎(chǔ)上進(jìn)行演繹.

圖1 亞里士多德研究落體運(yùn)動(dòng)的方法

研究方法的局限：

(1)從直覺經(jīng)驗(yàn)出發(fā)歸納出前提——而直覺經(jīng)驗(yàn)有時(shí)不一定可靠，直覺經(jīng)驗(yàn)可能掩蓋事實(shí)真相.

(2)沒有把理性思維與實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)相結(jié)合，不注意用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理性思維結(jié)果.(由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件的限制，客觀上造成了不注意用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的現(xiàn)實(shí))

啟示：研究方法的局限性制約著觀念適用的局限性，方法的科學(xué)與否決定著所形成觀念是否科學(xué).

3 意識(shí)對(duì)觀念形成的影響

人們不禁要問(wèn)：亞里士多德這個(gè)偉大的人物，難道不知道物體下落時(shí)會(huì)受到阻力嗎？這一點(diǎn)亞里士多德是知道的.亞里士多德認(rèn)為，由于媒質(zhì)的阻力，下落的速度應(yīng)當(dāng)變小.但是亞里士多德并沒有做出進(jìn)一步的推斷：在沒有任何介質(zhì)阻力的真空，所有物體將以同樣的速度下落——因?yàn)閬喞锸慷嗟抡J(rèn)為不存在真空.

啟示：潛意識(shí)對(duì)觀念的形成有著重要的牽制作用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀念要考慮學(xué)生的潛意識(shí).

4 伽利略否定亞里士多德落體觀念所帶來(lái)的啟示

亞里士多德有這樣的觀點(diǎn)：“從100肘高處下落的100磅重的鐵球，比從1肘高處下落的1磅重的鐵球先落到地面”.這個(gè)觀點(diǎn)引起了伽利略的懷疑.

證偽：1638年，伽利略在寫他的《兩門新科學(xué)》一書中設(shè)計(jì)了一個(gè)“落體佯謬”的理想實(shí)驗(yàn)，如圖2所示，來(lái)否定亞里士多德的落體運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn).

圖2 伽利略設(shè)計(jì)的“落體佯謬”實(shí)驗(yàn)示意圖

設(shè)：m——v、M——V，

啟示： 自洽與否是檢驗(yàn)觀念是否合理的重要標(biāo)志，敢于質(zhì)疑才可能認(rèn)識(shí)觀念、澄清觀念、打破舊觀念，懷疑與證偽是打破舊觀念的重要手段.

5 伽利略研究方法對(duì)落體觀念形成的影響及啟示

(1)問(wèn)題:在當(dāng)時(shí)還不能獲得真空的條件下，伽利略是怎樣知道輕重不同的物體在真空里的下落情況呢？

伽利略設(shè)想了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)如圖3所示，用金、鉛和木頭做3個(gè)球.他在思想中讓這3個(gè)球在水銀、水里和空氣中下落.在水銀里，只有金球往下落.在水里金球和鉛球往下落，而金球下落得比鉛球更快.在空氣中3個(gè)球都下落.這時(shí)金球與鉛球下落速度沒有差別，只有木球下落得稍慢一些.

圖3 伽利略設(shè)想的理想實(shí)驗(yàn)

接著，他做了如下巧妙的論證：如果我們事實(shí)上發(fā)現(xiàn)重量不同的物體在媒質(zhì)中下落時(shí)，他們的速度差別隨媒質(zhì)的密度減小而減小，而且媒質(zhì)非常稀薄時(shí)這一差別非常小而不能被觀察，于是就得出了物體在真空中下落的重要結(jié)論.他在《兩門新科學(xué)》中寫到：“鑒于這點(diǎn)，我認(rèn)為如果人們完全排除空氣阻力，那么，所有物體將下落得同樣快.”——人們稱他的這種推論方法為“外推法”.

(2)問(wèn)題：自由落體下落的速度越來(lái)越快，自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)如何？下落速度是與下落的距離成正比還是與下落的時(shí)間成正比？

伽利略很快發(fā)現(xiàn)：如果假設(shè)“下落速度與下落的距離成正比”，這個(gè)假設(shè)會(huì)導(dǎo)致謬誤.

如圖4所示，如果，物體從靜止開始下落第一段距離h后得到某一速度v.

物體從靜止開始下落第一段距離2h后得到某一速度2v.

伽利略認(rèn)為，將會(huì)得到物體由靜止開始下落2h的距離所用的時(shí)間與物體從靜止開始下落h距離所用的時(shí)間一樣.這同客觀事實(shí)不符，于是他轉(zhuǎn)向了第二個(gè)假設(shè).

圖4 下落速度與下落距離示意圖

(3)驗(yàn)證第二個(gè)假設(shè)，下落的速度與下落的時(shí)間成正比.

1)合理的假設(shè)：在下落過(guò)程中物體得到的速度與下落的時(shí)間成正比——叫勻加速運(yùn)動(dòng).

2)問(wèn)題：如何檢驗(yàn)自由落體的速度隨時(shí)間均勻增加,v=at？

在伽利略年代技術(shù)上的困難：沒有直接測(cè)量瞬時(shí)速度的儀器，要直接測(cè)量迅速下落的物體各瞬時(shí)對(duì)應(yīng)的位置是很困難的，當(dāng)時(shí)只能測(cè)量運(yùn)動(dòng)較長(zhǎng)距離及所用的時(shí)間.

3)轉(zhuǎn)換問(wèn)題：伽利略給出了轉(zhuǎn)換問(wèn)題的思路,根據(jù)某一假設(shè)所得到的推論如果嚴(yán)格符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該假設(shè)的真實(shí)性便得到了確證.

在做了上述理論分析后，伽利略就力圖用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這一關(guān)系.

5)斜面上的實(shí)驗(yàn)——“沖淡重力、減緩”自由落體運(yùn)動(dòng)，如圖5所示.

圖5 斜面實(shí)驗(yàn)

②當(dāng)斜面的傾角改變時(shí)，比值也隨之改變，但規(guī)律的形式不變.

進(jìn)而證明：在斜面上的運(yùn)動(dòng)v正比于t.

6)合理外推——將斜面立直,即成為自由落體運(yùn)動(dòng)，如圖6所示.

圖6 斜面直立示意圖

驗(yàn)證了自由落體是勻加速直線運(yùn)動(dòng).

(4)落體觀念的證實(shí)——現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)手段

1)利用毛錢管實(shí)驗(yàn)證明在真空中不同物體自由下落的速度都一樣,如圖7所示.

圖7 毛錢管實(shí)驗(yàn)

2)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)是勻加速運(yùn)動(dòng),如圖8所示.

圖8 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)毛錢管實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)伽利略落體觀念深信不疑.

啟示：求真是形成觀念的出發(fā)點(diǎn)，思考是形成觀念的內(nèi)因，證實(shí)是觀念形成的根基.實(shí)踐是檢驗(yàn)觀念正確與否的標(biāo)準(zhǔn).科學(xué)方法有助于形成科學(xué)理念，科學(xué)理念又促進(jìn)科學(xué)方法科學(xué)實(shí)施.伽利略研究方法的精髓：理性思維與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法.正如伽利略在《兩門新科學(xué)》中寫到：“我們可以說(shuō)，大門已經(jīng)向新方法打開，這種將帶來(lái)大量奇妙成果的新方法，在未來(lái)年代里會(huì)博得許多人的重視.” 愛因斯坦說(shuō)：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所用的科學(xué)方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端.”

6 社會(huì)環(huán)境對(duì)觀念傳播的影響與啟示

亞里士多德的落體觀念為什么能延續(xù)近2 000年的時(shí)間？ 這是由于亞里士多德的很多話都富有哲理,他的很多觀點(diǎn)(如亞里士多德認(rèn)為，地球是宇宙的中心)又與基督教的教義一致，亞里士多德不幸地被奉做了神明.在迷信權(quán)威及宗教干預(yù)下，亞里士多德的落體觀念延續(xù)了近2 000年.伽利略冒著違反基督教教義的危險(xiǎn)對(duì)亞里士多德落體運(yùn)動(dòng)觀念的懷疑，對(duì)傳統(tǒng)錯(cuò)誤觀念發(fā)出挑戰(zhàn)！伽利略一生與傳統(tǒng)的錯(cuò)誤觀念進(jìn)行了不屈不撓的斗爭(zhēng)，由于他的科學(xué)主張違反了基督教教義，1633年被羅馬宗教判刑入獄.時(shí)隔346年，于1979年羅馬教廷才為他“恢復(fù)名譽(yù)”.

啟示：打破舊觀念建立新觀念，需要解放思想，需要懷疑態(tài)度、 探究的精神和堅(jiān)持真理的勇氣.打破舊觀念的束縛是傳播新觀念的前提，傳播科學(xué)觀念需要良好的社會(huì)環(huán)境.正如伽利略對(duì)亞里士多德的評(píng)價(jià)所講：“老實(shí)說(shuō)，我贊成亞里士多德的著作，并精心地加以研究.我只是責(zé)備那些使自己完全淪為他的奴隸的人，變得不管他講什么都盲目地贊成，并把他的話一律當(dāng)作絲毫不能違抗的圣旨一樣，而不深究其他任何依據(jù).”

7 結(jié)束語(yǔ)

高中物理中所蘊(yùn)藏的科學(xué)觀念，如實(shí)證(根據(jù))的觀念、邏輯與自洽、質(zhì)疑與被質(zhì)疑、否定與包容、辯證的觀點(diǎn)、系統(tǒng)與聯(lián)系、絕對(duì)與相對(duì)、精確與近似、轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)換等.培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀念要成為物理教學(xué)的自覺，在物理教學(xué)中，要將知識(shí)、技能、思想、方法、情感、態(tài)度、價(jià)值觀相統(tǒng)一.在培養(yǎng)科學(xué)觀念的過(guò)程中貫穿著人與自然、人與社會(huì)、人與自身的關(guān)系，教育者要充分利用好這種關(guān)系，在傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力的同時(shí)，發(fā)揮物理教學(xué)所固有的教育功能.