探究“月地檢驗(yàn)”及其教育價(jià)值

張?zhí)煲?/p>

(重慶市巴蜀中學(xué) 重慶 400013)

得出萬(wàn)有引力定律的過(guò)程中，非常關(guān)鍵的一步是證明使月球保持在圓軌道上的力和地面附近物體的重力和是同一種力，即“月地檢驗(yàn)”.講授這一部分時(shí)，應(yīng)該如何引導(dǎo)學(xué)生去思考，不同的教材有不同的處理方法，但是人教社最新版的教材樣本讓筆者感到困惑.

1 人教社新教材的處理方式

在人教社2019版《物理》的校閱樣本中，可以發(fā)現(xiàn)老教材中引導(dǎo)學(xué)生思考的一系列層層遞進(jìn)的問(wèn)題被改為了2個(gè)略顯突兀的問(wèn)題：地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，月球繞地球運(yùn)動(dòng)，他們之間的作用力是同一種性質(zhì)的力嗎？這種力與地球?qū)?shù)上蘋(píng)果的吸引力也是同一種性質(zhì)的力嗎？筆者揣摩編者的意圖為：提示學(xué)生先猜測(cè)太陽(yáng)對(duì)行星的力、地球?qū)υ虑虻牧?、地球?qū)μO(píng)果的力是同一種力，而后進(jìn)行證明.在科學(xué)研究中，直覺(jué)和大膽猜測(cè)固然是重要的，但是過(guò)于直接地把問(wèn)題拋給學(xué)生，是否有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)？以前教學(xué)過(guò)程中就有學(xué)生質(zhì)疑：“月地檢驗(yàn)”這么妙的想法真的只是牛頓的猜測(cè)嗎？這一偉大理論只是牛頓的靈光一閃憑空出現(xiàn)或者歸功于那個(gè)著名的蘋(píng)果？并不是人人都有這樣的靈感，猜測(cè)也是各種各樣，即便是將學(xué)生的思路引導(dǎo)到正確的方向，那也應(yīng)該有一個(gè)能說(shuō)服人的依據(jù)，不然學(xué)生的疑問(wèn)得不到解釋?zhuān)瑢W(xué)習(xí)也只是一種被動(dòng)的接受.所以筆者仔細(xì)閱讀了牛頓的《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》，從中總結(jié)了一種不同于教材的講述思路，可作為教材的補(bǔ)充.

2 《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》記錄的論證思路

2.1 牛頓如何“猜”到要進(jìn)行“月地檢驗(yàn)”的

書(shū)中并沒(méi)有直接寫(xiě)牛頓是如何想到要進(jìn)行月地檢驗(yàn)的，但是仍可從中找到其思維軌跡.《原理》第三篇里記載了牛頓的論證思路：命題1，證明了使木星的衛(wèi)星偏離直線，停留在圓軌道上的力與距離平方成反比；命題2，證明了太陽(yáng)的行星停留在圓軌道上的力與距離平方成反比；命題3，證明使月球停留在圓軌道上的力與距離平方成反比[1].牛頓認(rèn)為各天體因?yàn)閼T性有沿直線運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，他首先根據(jù)天文觀測(cè)數(shù)據(jù)證明了使天體保持在圓軌道上的力(向心力)與距離的平方成反比，但是因?yàn)槭裁丛虍a(chǎn)生的向心力呢？是中心天體的引力嗎？和地球表面物體的重力是同一種力嗎？引力真是牛頓“猜”出來(lái)的？恐怕并不是.在牛頓生活的時(shí)代還有磁力學(xué)說(shuō)、以太旋渦學(xué)說(shuō)等，引力這種看不見(jiàn)摸不著的超距作用并非是最好的選擇，但是,牛頓是如何想到通過(guò)“月地檢驗(yàn)”來(lái)證明引力是向心力的來(lái)源呢？

2.2 牛頓提出了月球朝著地球的方向“下落”

月球“下落”的這種觀念，多少使人迷惑，因?yàn)樵虑驀@地球在做圓周運(yùn)動(dòng)，絲毫沒(méi)有靠近地球[2].牛頓所提出的“下落”是這樣的物理含義：如圖1所示：當(dāng)沒(méi)有外力作用時(shí)，因?yàn)閼T性，月球?qū)⒀刂本€從A點(diǎn)勻速運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)；實(shí)際上月球卻是回到了b點(diǎn)，月球?yàn)槭裁茨芑氐綀A周軌道上？原因就是，在勻速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，地球?qū)υ虑虻囊κ沟迷虑虺厍騽蚣铀佟跋侣洹?，就好像地球把正在做離心運(yùn)動(dòng)的月球拉回了圓軌道的b點(diǎn).這個(gè)觀念相當(dāng)有趣：牛頓居然把一小段圓周運(yùn)動(dòng)分解為了切向的勻速直線和徑向的勻加速直線運(yùn)動(dòng).

圖1 月球運(yùn)動(dòng)的分解圖

毫無(wú)疑問(wèn)，月球在“下落”這種想法是進(jìn)行月地檢驗(yàn)的導(dǎo)火索.其一，這種有趣而深邃的思考孕育了現(xiàn)代物理學(xué)處理曲線運(yùn)動(dòng)的基本方法：取微小元、化曲為直、合運(yùn)動(dòng)和分運(yùn)動(dòng)等效；其二，從月球的“下落”去類(lèi)比蘋(píng)果的下落，進(jìn)而猜測(cè)使月球下落的力和蘋(píng)果的重力是同一種力顯得順理成章、水到渠成.

2.3 牛頓計(jì)算了月球每分鐘“下落”的高度

我們根據(jù)《原理》當(dāng)時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)：地球周長(zhǎng)為C地球=123 249 600巴黎尺≈40 023 951.9m(牛頓使用法制單位，為方便閱讀，本文全部換為國(guó)際單位)，月球在朔望點(diǎn)的平均對(duì)地距離約為地球半徑的60倍，月球的周期為T(mén)=27天7小時(shí)43分=39 343分.

圖2 計(jì)算下落高度的示意圖

最后帶入數(shù)據(jù)得

2.4 牛頓對(duì)比了月球的“下落”和蘋(píng)果的下落

3 “月地檢驗(yàn)”的教育價(jià)值

物理教師必須認(rèn)清物理學(xué)的本質(zhì)，以物理思維為抓手，確立思維教育是物理教育制高點(diǎn)的理念，從知識(shí)教學(xué)走向思維教育，并內(nèi)化為自己的教學(xué)行為——為學(xué)生思維發(fā)展而教，讓物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展真正落到實(shí)處，完成立德樹(shù)人的根本任務(wù)[3].從《原理》出發(fā)，深入探究牛頓對(duì)“月地檢驗(yàn)”的論證過(guò)程，是對(duì)物理思維的深入挖掘，也是一次思維教學(xué)的嘗試.

3.1 培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維

寫(xiě)作本文的初衷就來(lái)于學(xué)生的質(zhì)疑：牛頓真的就是猜測(cè)到“月地檢驗(yàn)”嗎？當(dāng)時(shí)筆者也無(wú)法回答，但是當(dāng)打開(kāi)《原理》認(rèn)真品讀后發(fā)現(xiàn)，牛頓的獨(dú)立思考本身也來(lái)源于質(zhì)疑：到底是什么原因使得天體做圓周運(yùn)動(dòng)而不會(huì)脫離軌道？月球“下落”、運(yùn)動(dòng)的分解、微元法等極富有創(chuàng)造力的物理思想也是在思考過(guò)程中逐漸產(chǎn)生和成熟的.創(chuàng)新往往來(lái)源于質(zhì)疑，這是一個(gè)引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維的好機(jī)會(huì).

3.2 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理和科學(xué)論證的思維

人教社2019版《物理》教材體現(xiàn)的思想是：什么力使得行星保持在軌道上？不妨先猜想這個(gè)力是太陽(yáng)對(duì)行星的引力.地球?qū)μO(píng)果的力和對(duì)月球的力是同一種力嗎？也不妨先猜想是同一種力，再通過(guò)定量計(jì)算向心加速度來(lái)進(jìn)行證明.

而《原理》第3篇命題1～3從天文觀測(cè)的數(shù)據(jù)證明了天體保持在軌道上的力與距離的平方成反比.命題4證明地球?qū)κ沟迷虑虮３衷谲壍郎系牧吞O(píng)果的重力是同一種力，都與距離的平方成反比，所以應(yīng)該是地球?qū)υ虑虻摹爸亓Α碧峁┢渥鰣A周運(yùn)動(dòng)的向心力.直到命題5的注釋部分，牛頓才得出結(jié)論：“使天體保持在某軌道中的力至今都稱(chēng)為向心力，但是現(xiàn)在越來(lái)越明顯了，它只能是一種吸引作用，此后我們稱(chēng)之為引力”[1～4].這才第一次出現(xiàn)了引力的概念，可見(jiàn)由向心力過(guò)渡到引力，并非偶然，而是經(jīng)過(guò)了一步步的科學(xué)論證.引力的普適性，是牛頓深邃思維的展現(xiàn)，“月地檢驗(yàn)”是建立這種統(tǒng)一和聯(lián)系的關(guān)鍵一步[4].

人教版教材的編寫(xiě)側(cè)重于“先猜想后推理”，而《原理》的思路更強(qiáng)調(diào)通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹皻w納演繹”進(jìn)行科學(xué)論證，兩者相輔相成，將兩者結(jié)合更能提升學(xué)生的科學(xué)思維能力.

3.3 讓學(xué)生走入歷史 具備創(chuàng)造歷史的能力 品格和情懷

如果將《原理》中記載的論證方式作為正常教學(xué)的補(bǔ)充，將能帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷人類(lèi)發(fā)現(xiàn)知識(shí)的過(guò)程，讓學(xué)生現(xiàn)有水平轉(zhuǎn)向更高的層次去，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí).正是通過(guò)這樣的過(guò)程，幫助學(xué)生養(yǎng)成走入歷史，并具有創(chuàng)造未來(lái)歷史的能力、品格和情懷[5].

綜上所述,筆者認(rèn)為教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)該源于教材但不拘泥于教材，而應(yīng)該抓住每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)過(guò)程，解答學(xué)生的困惑，開(kāi)闊學(xué)生的眼界，啟迪學(xué)生思維，促成深度學(xué)習(xí)的發(fā)生，把培養(yǎng)核心素養(yǎng)落到實(shí)處.“月地檢驗(yàn)”絕不是牛頓簡(jiǎn)單的猜測(cè)，而是經(jīng)歷了數(shù)十年的反復(fù)思考不斷走向成熟的結(jié)果，萬(wàn)有引力定律的提出也是嚴(yán)密的推理和論證的結(jié)果，我們應(yīng)該深入挖掘其教育價(jià)值.