“牛頓第一定律”相關(guān)實驗內(nèi)容的分析與啟示

秦瑾瓊 錢長炎

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241002)

1 問題的提出

“牛頓第一定律”(又稱慣性定律)在中學(xué)物理教學(xué)中具有重要的地位，其中涉及的斜面實驗無論是在代表性教科書中還是在相關(guān)專題文章中都認為是該定律建立的基礎(chǔ).通過更廣泛的文獻研讀，發(fā)現(xiàn)西方學(xué)者相關(guān)論著與我國教科書中對牛頓第一定律相關(guān)實驗的描述存在差異.

在我國現(xiàn)行高中物理教科書以及權(quán)威物理教育家的早期專題研究中，對“牛頓第一定律”中所涉及的“斜面實驗”都稱之為“理想實驗”，并且相關(guān)教科書中引用了愛因斯坦對于這個實驗的描述，愛因斯坦文獻的中文版本原文確實是“理想實驗”，我們進一步研讀了英文版本，考證出“理想實驗”對應(yīng)的是“Idealized Experiment”[1]，從字面上翻譯，這應(yīng)該稱為“理想化實驗”，難道說“理想化實驗”與“理想實驗”具有同樣的涵義？究竟是理想實驗還是理想化實驗，或者是近年來受到西方學(xué)者普遍關(guān)注的“思想實驗”？

顯而易見，這不僅僅是名稱的問題，更涉及到人們對牛頓第一定律得出過程的理解，以及伽利略進行科學(xué)研究使用的科學(xué)方法.為了對這個問題獲得更加清楚全面的認識，我們有必要對牛頓第一定律的得出過程以及歷史上伽利略所做的工作進行梳理.

2 “牛頓第一定律”的歷史溯源

在伽利略以前，人們對力和運動的關(guān)系有不同的理解，最為代表性的是亞里士多德的觀點，直到伽利略的探索和牛頓時代“牛頓第一定律”的得出，經(jīng)歷了漫長而曲折的過程.

2.1 亞里士多德關(guān)于力與運動關(guān)系的認識及其研究方法的特點

在亞里士多德的著作中定義“推動者”是“有運動潛能”的事物，即我們現(xiàn)在認知中的“施力物體”，他認為，因為“運動的發(fā)生是靠了同能推動者的接觸”，所以在這個過程中“推動者”自身也被推動，故“運動是能運動事物作為能運動者的實現(xiàn)”“推動者……是運動的本源或起因”[2].用現(xiàn)代語言表達，意思是有些物體是有運動潛能的我們把它叫做推動者，推動者在推動其他物體的時候必須與其他物體相接觸，所以推動者在推動別的事物時自身也被推動，兩者就實現(xiàn)了運動，因此推動者就是事物運動的原因，也就是說“力是物體運動的原因”.

到今天我們知道亞里士多德的這個觀點是錯誤的，那么他的研究方法出現(xiàn)了錯誤還是研究過程存在問題？伽利略對此進行了分析，為人們揭開了事實的真相.

2.2 伽利略對力與運動關(guān)系的再認識及慣性定律基本思想的形成

通過歷史我們了解到，伽利略是哥白尼日心說的堅定擁護者，他在著作中通過薩爾維阿蒂(伽利略的代言人)、辛普利邱(代表從亞里士多德的思想中解放出來的聰慧之士)以及沙格列陀(代表常識)[3]三人的對話展示了他對物體慣性的推演過程.

以亞里士多德為代表的有些哲學(xué)家認為，地球是靜止的，而最能支撐這個觀點的現(xiàn)象是，“凡垂直向上拋出的物體，即使拋得極高，都從他們被拋出的地方沿原線回到原地.”亞里士多德認為，如果地球在運動，在物體不接觸地面的過程中，地球會運動一定的距離，那么物體的落點會偏移拋出點一定的距離.薩爾維阿蒂就亞里士多德邏輯中的想當然提出疑問：“他憑什么證明自由落體是沿垂直線向中心下落呢？”所以亞里士多德的錯誤在于他的推理不是從事實出發(fā)，而是從理論出發(fā)，而這個理論前提往往是需要證明的結(jié)論.

還有另一個拋體問題，假設(shè)船的桅桿頂端有一個石子，無論船是運動的還是靜止的，石子都會落到正下方.這是因為，地球在做“周日運動”(自轉(zhuǎn))，所以“地球的每個質(zhì)點的內(nèi)在和天然的傾向，也應(yīng)該是在做同樣的旋轉(zhuǎn)而不是靜止不動”[4].這種“內(nèi)在和天然的傾向”想必就是伽利略對于慣性最早的描述了.

對于斜面實驗，伽利略先是假設(shè)有一個“滾圓的球”和一個“精光的平面”，忽略一切外部的阻礙，球在向下傾斜的平面釋放后會加速運動，如果想要球在這個斜面向上運動就需要對它施加一個“沖力”，它的運動會減慢直到停下，因為這不是它的“本性”，這兩種不同的運動是斜面的斜度決定的，向上的斜度使球受到了阻力.如果斜面既不向上傾斜也不向下傾斜，球就會天然不動，若是將球向哪個方向推一下，它就會向哪個方向運動，薩爾維阿蒂問，球會運動多久呢？辛普利邱回答，既然沒有阻礙它運動的原因，那么“平面多長，球體就運動多遠”.伽利略認為，物體具有向地心運動的特性，這樣既不向上也不向下的面是與地心等距離的表面，他接著設(shè)想，自然界中是否有這樣的表面呢？“風(fēng)平浪靜時，海面就是這樣的表面或平面.”[4]這就是斜面實驗.

伽利略是怎么得出這些討論的呢？他的書中借薩爾維阿蒂之口說：“不靠實驗，我也敢保證，結(jié)果將和我告訴你的一樣.”[4]據(jù)此可以看出，伽利略在證明物體具有慣性時，沒有進行物質(zhì)實驗，而是基于現(xiàn)象和邏輯思辨進行推理，即利用思想實驗得出結(jié)論的.

2.3 牛頓的總結(jié)和表述

在前人所做工作的基礎(chǔ)上，牛頓在他的著作中將慣性定律進行了表述：“每一個物體都保持它自身靜止的或者一直向前均勻地運動的狀態(tài)，除非由外加的力迫使它改變它自身的狀態(tài)為止.”[5]

3 “思想實驗”的本質(zhì)及斜面實驗的性質(zhì)

在國內(nèi)中學(xué)物理教學(xué)領(lǐng)域，“思想實驗”可能并不是一個很熟悉的詞匯，但是在國外，這一直是科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)領(lǐng)域的熱門話題.科學(xué)史發(fā)展的過程中，許多重大突破都得益于思想實驗[6].馬赫以后，思想實驗開始走進科學(xué)家和哲學(xué)家們的視線，尤其是其對于教育的重要作用.馬赫認為思想實驗可以將物質(zhì)實驗的條件進行理想化和抽象，實現(xiàn)物質(zhì)實驗達不到的條件[7].當代思想實驗的代表性觀點認為，思想實驗是用想象的裝置來研究事物的本質(zhì)，因為思想實驗的理論性和實驗性，所以它應(yīng)該與對實驗的思考、僅僅設(shè)想一些儀器在想象之外進行的實驗、任何有思想的心理學(xué)實驗以及反事實的推理區(qū)分開[8].它本質(zhì)上屬于一種思維方式，是一種特殊的科學(xué)工具，它在心理層面將理論和實驗進行模擬，我們因此做出預(yù)測，得出未實際操作的實驗結(jié)果[9].

由上文分析的“牛頓第一定律”的得出過程和思想實驗的本質(zhì)可知，在“牛頓第一定律”發(fā)現(xiàn)過程中起到?jīng)Q定性作用的斜面實驗由于其實驗條件無法達到，不可能進行實際操作，所以其本質(zhì)應(yīng)當是思想實驗.斜面實驗對于物理學(xué)的重要意義以及對于物理學(xué)發(fā)展的重要意義絕不僅僅因為伽利略描述了一種理想的實驗狀態(tài)，更是因為他突破了前人的方法，將物理學(xué)變成“真正的科學(xué)”.斜面實驗一定是在想象中完成的，因為要求小球不受任何阻力的作用，以及斜面長度無限長，兩個條件都是現(xiàn)實世界無法達到的，所以無法進行實際操作.這個實驗使伽利略突破了亞里士多德“力是維持物體運動的原因”這一理論的桎梏，擺脫了人們在阻力大的自然界中的生活經(jīng)驗，將現(xiàn)實的實驗條件進行理想化處理，從而得出正確的結(jié)論，為牛頓第一定律的得出做了最有力的鋪墊，推動了物理學(xué)的發(fā)展.

4 結(jié)論與啟示

通過對牛頓第一定律建立過程的分析，對于本文開始提出的對牛頓第一定律中所涉及的實驗表述等方面存在的歧義，我們不難得出，想要準確描述這個實驗的性質(zhì)，并且與國際先進的教學(xué)研究接軌，將其稱為思想實驗更為合理.

而理想實驗這個稱謂的形成，有幾種可能，或許是對愛因斯坦著作《物理學(xué)的進化》中詞語的翻譯錯誤，也有可能是對于這個實驗表面上“實驗條件為理想狀態(tài)”這個特點的概括，據(jù)考證，1945年翻譯的版本稱之為“理想的實驗”[10]，1966年以后的版本才改變?yōu)椤袄硐雽嶒灐?教科書上涉及到的很多實驗都是思想實驗，如伽利略的“自由落體實驗”“薛定諤的貓”等，將這些實驗作為思想實驗在西方已經(jīng)進行過很多的討論了，而“理想實驗”則較少能找到國際權(quán)威著作的支撐.因此將這些實驗都作為一個類別——思想實驗，發(fā)掘它們的教育功能，才能在教學(xué)中發(fā)揮出其應(yīng)有的作用.

牛頓第一定律經(jīng)過了漫長的發(fā)展，漸漸顯示出它的真實模樣，而這其中經(jīng)歷了曲折的探索，融入了科學(xué)家們的智慧，通過以上對于牛頓第一定律和思想實驗的分析，教科書在展示其中的內(nèi)容時，將物理學(xué)史以科學(xué)家的思考和探索串聯(lián)起來，將科學(xué)家使用的思想實驗方法展示給學(xué)生，不僅可以向?qū)W生展示歷史的本來面貌，更可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何去思考，同時領(lǐng)略到實驗背后所蘊含的重要意義.將斜面實驗歸為思想實驗，一方面，體現(xiàn)了思想實驗正確的教學(xué)地位，既然科學(xué)家們樂于并善于使用思想實驗，那么將來有望為科學(xué)研究做出貢獻的學(xué)生也應(yīng)該在智力發(fā)展的關(guān)鍵時期接觸到這一方法，在他們的心里埋下研究的種子，并且通過練習(xí)加以灌溉，有朝一日必定能夠生根發(fā)芽；同時能夠讓教師和學(xué)生明確，伽利略在進行科學(xué)研究時使用的科學(xué)方法，這體現(xiàn)了伽利略的嚴謹態(tài)度，并不是通過有限的實驗現(xiàn)象歸納出結(jié)論，而是基于客觀事實，再將實驗條件進行加工，用思想實驗的工具進行研究；另一方面，教科書明確“牛頓第一定律”的發(fā)展過程，尊重史實，向?qū)W生還原真實的科學(xué)史和真實的科學(xué)家，有了權(quán)威教科書的支撐，教師的教學(xué)自然也能上一個臺階.教師利用思想實驗積極的教育功能，讓學(xué)生掌握這一科學(xué)研究的重要方法，這樣的過程也能與新課標強調(diào)的科學(xué)探究方法相融合，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

總之，牛頓第一定律這一重要的教學(xué)內(nèi)容中蘊含了巨大的寶藏等待著教育工作者去挖掘，隨著課程改革的深入，學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)變得越來越重要，將思想實驗融入教學(xué)中與新課改的理念不謀而合，有朝一日在教學(xué)中實施一定能夠取得不凡的成果！