“牛頓第一定律”內(nèi)容表述的比較分析及啟示

劉德玉 錢長炎 左崇睿

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

“牛頓第一定律”是中學(xué)物理的重要內(nèi)容，該定律內(nèi)容表述的準(zhǔn)確性影響到學(xué)生對(duì)它的理解.通過廣泛的文獻(xiàn)研讀，發(fā)現(xiàn)我國不同時(shí)期代表性高中物理教科書與牛頓著作在“牛頓第一定律”某些關(guān)鍵詞的表述上存在著差異.

從我國教育改革之初至今的代表性高中物理教科書與權(quán)威物理教育期刊中，關(guān)于“牛頓第一定律”的研究對(duì)象都表述為“一切物體”，但是，在牛頓著作中的表述是“每一個(gè)物體”，進(jìn)一步研讀英文版本，考證出“Every body”的翻譯是“每一個(gè)物體”.為了對(duì)這個(gè)問題有更清晰的認(rèn)識(shí)，需要對(duì)“牛頓第一定律”內(nèi)容表述的形成重新考察.

1 “牛頓第一定律”內(nèi)容表述的歷史追尋

“牛頓第一定律”又稱為“慣性定律”，它揭示了慣性是一切物體的基本屬性，并得出物體的運(yùn)動(dòng)并不需要力的維持,它在物理學(xué)史的長河中經(jīng)歷了漫長的發(fā)展.對(duì)于該定律的內(nèi)容表述，可追溯到近代物理學(xué)的開端，從伽利略到笛卡爾，最終到牛頓才得以完成[1].

伽利略是最早對(duì)運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系給出正確認(rèn)識(shí)的近代物理學(xué)家，他的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法都是人類思想史上最偉大的成就之一.伽利略未曾對(duì)慣性定律進(jìn)行明確的表述，但是在他的研究中，我們可以發(fā)現(xiàn)他對(duì)慣性定律的描述，見圖1文字[2].

在伽利略的描述中，一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體在理想化的條件下，如果沿著無限長的水平面以某一速度滑行，那么這個(gè)物體將一直以那個(gè)速度運(yùn)動(dòng)下去.據(jù)此可以看出，伽利略已經(jīng)形成了對(duì)慣性定律的基本認(rèn)識(shí).但是，他卻未能成功地對(duì)慣性定律做出明確的表述，原因在于他還不具有慣性運(yùn)動(dòng)是直線運(yùn)動(dòng)的觀念[3].

笛卡爾在論述慣性定律這一主題時(shí)，突破了伽利略設(shè)想的“水平面”運(yùn)動(dòng)的局限，他認(rèn)為自然運(yùn)動(dòng)是沿直線前進(jìn)的.并且他用兩條結(jié)論給慣性定律作出了清晰明確的表述，稱之為笛卡爾慣性原理[4].相較于伽利略慣性原理，笛卡爾慣性原理雖然實(shí)現(xiàn)了直線運(yùn)動(dòng)取代圓周運(yùn)動(dòng)的地位，但是，他并沒有明確提出物體“不受任何力”的思想，所以笛卡爾慣性原理仍不是真正意義上的慣性定律.

牛頓在伽利略對(duì)物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合笛卡爾等科學(xué)家的成果，逐步建立了完整的牛頓力學(xué)[5].在牛頓的代表性著作中，對(duì)慣性定律的內(nèi)容表述如圖2所示[6].

這一表述引自目前牛頓著作的最新翻譯本，當(dāng)然，此前有多個(gè)版本，根據(jù)不同時(shí)期的拉丁文以及英文版本的牛頓著作，我們認(rèn)為，目前為止這一種對(duì)“牛頓第一定律”的內(nèi)容表述是最準(zhǔn)確的.在這一表述中，我們要對(duì)“每個(gè)物體”和“除非”這兩個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行詳細(xì)的分析.首先，“每個(gè)物體”具體是指適用于慣性參考系的某一個(gè)物體，對(duì)應(yīng)的英文是“Every body”.其次，“除非”這一轉(zhuǎn)折詞對(duì)中學(xué)學(xué)生來說，可以更好地幫助他們理解物體的慣性以及運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系[7].

由上文分析的“牛頓第一定律”內(nèi)容表述的得出過程可知，圖2這一表述是目前最為標(biāo)準(zhǔn)的中文譯本.因此，我們認(rèn)為中學(xué)物理教科書對(duì)“牛頓第一定律”一節(jié)的編排以及相關(guān)教學(xué)研究中的表述都要以此作為主要參考.

2 “牛頓第一定律”在代表性教科書中的表述及分析

追尋了伽利略、牛頓等科學(xué)家的研究，我們認(rèn)識(shí)到“牛頓第一定律”的內(nèi)容表述經(jīng)歷了一個(gè)漫長而曲折的過程，同時(shí)，我們認(rèn)識(shí)到該定律的內(nèi)容表述必須以牛頓著作為主要依據(jù).通過廣泛的文獻(xiàn)研讀，發(fā)現(xiàn)我國不同時(shí)期的代表性高中物理教科書與牛頓著作相比，在“牛頓第一定律”某些關(guān)鍵詞的表述上存在差異.

為了更加深入地分析這個(gè)問題，我們擬對(duì)20世紀(jì)八十年代至今的代表性高中物理教科書中“牛頓第一定律”的內(nèi)容表述進(jìn)行比較分析.其中，1983年和2003年出版的代表性高中物理教科書對(duì)“牛頓第一定律”的內(nèi)容表述如圖3所示[8，9].

在這期間教科書對(duì)該定律的內(nèi)容表述沒有發(fā)生變化.用最簡潔最清晰的方式將“牛頓第一定律”的概念呈現(xiàn)出來,這一點(diǎn)1983年教科書做得是合格的.但是在“牛頓第一定律”的內(nèi)容表述上并沒有以當(dāng)時(shí)牛頓著作的中文譯本為依據(jù)，而是照搬當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)教科書的內(nèi)容，這反映了當(dāng)時(shí)教科書編寫人員對(duì)牛頓著作的不尊重.這一問題進(jìn)而影響到教育改革之后20多年的相關(guān)物理研究[10].

2010年和2019年出版的兩本代表性高中物理教科書對(duì)“牛頓第一定律”的內(nèi)容表述也是一樣的，如圖4所示[11,12].將其與1983年教科書中的內(nèi)容表述(如圖3所示)進(jìn)行對(duì)比，雖然在轉(zhuǎn)折詞上有了一定的變動(dòng)，但是，從物理概念內(nèi)容表述的準(zhǔn)確性來說，與牛頓著作(如圖2所示)相比，有兩點(diǎn)不同之處.一是轉(zhuǎn)折詞的使用；二是對(duì)“牛頓第一定律”研究對(duì)象的表述：“一切物體”指的是全部的事物，而“每個(gè)物體”指的是一個(gè)物體[13].“牛頓第一定律”的研究對(duì)象是具體的某一個(gè)事物，“一切物體”卻夸大了“牛頓第一定律”研究對(duì)象的適用范圍.

由此可知，我國代表性高中物理教科書在“牛頓第一定律”研究對(duì)象的表述上，一直都未能與牛頓著作中的表述保持一致.“牛頓第一定律”內(nèi)容表述的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，無論是在研究對(duì)象還是在轉(zhuǎn)折詞的表述上，任何改動(dòng)都是對(duì)牛頓著作的歪曲.它不僅會(huì)影響學(xué)生對(duì)該定律的學(xué)習(xí)，而且也會(huì)影響同時(shí)期的教師教學(xué)和科學(xué)研究等領(lǐng)域[14].

“牛頓第一定律”的內(nèi)容表述必須以最新翻譯的牛頓著作為依據(jù)，這樣才能保證文本的準(zhǔn)確性，使之更貼近牛頓著作的原義.因此，我們建議現(xiàn)今中學(xué)物理教科書在“牛頓第一定律”的內(nèi)容編排上，首要借鑒的是王克迪學(xué)者的中文譯本.

3 小結(jié)與啟示

經(jīng)過對(duì)“牛頓第一定律”內(nèi)容表述的重新考察，我們認(rèn)識(shí)到該定律的內(nèi)容表述最牢靠的依據(jù)是牛頓著作最新的中文譯本.任何一處改動(dòng)都會(huì)影響學(xué)生對(duì)“牛頓第一定律”的理解，然而我國高中物理教科書在某些關(guān)鍵詞的表述上卻與牛頓著作不一致，這反映了我國教科書編寫人員對(duì)牛頓著作解讀的深淺以及對(duì)物理學(xué)史經(jīng)典著作的尊重程度，此類錯(cuò)誤理應(yīng)糾正.

通過這些，我們深深地認(rèn)識(shí)到物理教科書關(guān)于重要的物理概念和物理規(guī)律表述的編寫都要以物理學(xué)家的經(jīng)典著作為主要依據(jù)，并且要及時(shí)吸納最新的有關(guān)物理學(xué)史的研究文獻(xiàn).如此，才有可能使教科書中的重要概念和規(guī)律既不失歷史的印跡又不乏現(xiàn)代的氣息.讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)過程中,還可以對(duì)理論的建立進(jìn)行歷史追尋，同時(shí)獲得物理學(xué)史的熏陶.在核心素養(yǎng)作為整體目標(biāo)的背景下，這無疑對(duì)進(jìn)入新時(shí)期的基礎(chǔ)教育課程改革是極為重要的.