2017年物理學(xué)術(shù)論文(2)
2017年物理學(xué)術(shù)論文
2017年物理學(xué)術(shù)論文篇二
萬有引力的發(fā)現(xiàn)及其對物理教學(xué)的啟示
【摘 要】本文系統(tǒng)地介紹萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)發(fā)展過程，重點(diǎn)揭示牛頓的科學(xué)思想和科學(xué)方法，并將其與中學(xué)物理教學(xué)相結(jié)合，闡述了學(xué)史教育對物理課堂教學(xué)的啟示。
【關(guān)鍵詞】萬有引力 ;科學(xué)思想 ;物理教學(xué)
錢三強(qiáng)教授指出：“物理學(xué)發(fā)展史是一塊蘊(yùn)藏著巨大精神財(cái)富的寶地。這塊寶地很值得我們?nèi)ラ_懇，這些精神財(cái)富很值得我們?nèi)グl(fā)掘。如果我們都重視這塊寶地，把寶貴的精神財(cái)富都發(fā)掘出來，從中吸取營養(yǎng)，獲得教益，我相信這對我國的教育事業(yè)和人才培養(yǎng)都會是大有益處的。”重視物理學(xué)史教學(xué)，把物理學(xué)史同化在物理教學(xué)中，已是國際上物理教學(xué)改革的發(fā)展趨勢。我國現(xiàn)行試用的中學(xué)物理教科書，在引入歷史方面作了很大的改進(jìn)。可見，利用學(xué)史教學(xué)已越來越重視。但有的教師為節(jié)省時(shí)間，無視物理學(xué)史，有的教師在利用史料時(shí)沒有根據(jù)歷史內(nèi)容的特點(diǎn)采用合適的引入形式或引入的量不當(dāng)。因此，沒有產(chǎn)生預(yù)期的效果。本文將談?wù)勅f有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程及其對物理教學(xué)的啟示。
1 引力平方反比思想的形成
16世紀(jì)以前，人們對引力的認(rèn)識主要受亞里斯多德學(xué)說的影響，認(rèn)為引力是物體自然趨向宇宙中心的力，這個(gè)中心就是地球中心。1600年英國吉爾伯特根據(jù)磁石的相互吸引的實(shí)驗(yàn)，提出磁力是維持太陽系運(yùn)行的原因，為近代引力理論提出第一個(gè)物理模型。開普勒在吉爾伯特的影響下，認(rèn)為引力就是太陽發(fā)出的磁力流。他是第一位試圖用力學(xué)機(jī)制解釋行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的人。伽利略是牛頓之前最早提出離心力和向心力概念，他的運(yùn)動(dòng)合成思想，關(guān)于“天地統(tǒng)一”的猜想，慣性運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識，力和加速度依賴關(guān)系的觀點(diǎn)，在牛頓的發(fā)現(xiàn)工作中都有至關(guān)重要的作用。尤其是伽利略開創(chuàng)的運(yùn)用數(shù)學(xué)原理研究科學(xué)問題以及“理想實(shí)驗(yàn)”等方法都給牛頓以直接的影響。
自開普勒、伽利略以來，試圖從動(dòng)力學(xué)角度解釋天體運(yùn)動(dòng)的思想由萌芽到發(fā)展，引起不少科學(xué)家的興趣，并推動(dòng)著引力研究的深入。1644年，笛卡兒提出“漩渦說”，是牛頓以前最有影響力的引力理論。1645年，法國的布里阿德認(rèn)為：太陽的引力應(yīng)當(dāng)與距離的平方成反比。這是歷史上第一次提出“平方反比”的猜想。60年代初，英國皇家學(xué)會成立一個(gè)專門委員會來研究引力問題。英國的胡克、倫恩、以及哈雷在引力問題的研究上都作出重要貢獻(xiàn)。應(yīng)該肯定胡克在這期間對引力作了較多的研究。他已覺察到引力與重力有共同的本質(zhì)，并試圖用實(shí)驗(yàn)證明這種力與距離的關(guān)系，他在1662年和1666年在深山和高山上比較物體重力的變化，但還沒有得出結(jié)論。隨后，1674年他還提出過萬有引力的猜想，但無法證明在引力作用下行星如何沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)以及具有極大形狀的天體、質(zhì)量能否看作集中在球心上來處理。而牛頓卻運(yùn)用數(shù)學(xué)推導(dǎo)確立了萬有引力定律。
2 牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的思路與方法
2.1 平方反比定律的證明
受17世紀(jì)科學(xué)傳統(tǒng)的影響，牛頓產(chǎn)生并發(fā)展了引力平方反比關(guān)系的思想，要將這思想轉(zhuǎn)化成定律必須經(jīng)過嚴(yán)格的理論論證。依附當(dāng)時(shí)的科學(xué)傳統(tǒng)，胡克等人企圖從引力的作用機(jī)理上探索引力平方反比關(guān)系。而牛頓則采用了另一條思路，避開引力的作用機(jī)理的問題，直接從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)引力與距離的關(guān)系。他從分析天體運(yùn)行現(xiàn)象入手，以開普勒定律為起點(diǎn)，借助關(guān)系定律、落體定律等，并以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)方式完成天體運(yùn)行軌道形狀以及引力平方定律的有關(guān)證明。牛頓所以能完成同時(shí)代的學(xué)者不能完成的證明，一個(gè)重要的因素是因?yàn)榫哂型瑫r(shí)代學(xué)者無以相比的數(shù)學(xué)才能，尤其是關(guān)于極限和微積分概念方面的造詣。
2.2 關(guān)于“天地統(tǒng)一”的三個(gè)思想實(shí)驗(yàn)
如果說牛頓主要以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)方式在平方反比定律問題上作出突破性的話，他卻是以猜想與直覺開始關(guān)于引力問題的思考。他通過三個(gè)思想實(shí)驗(yàn)把地上物體所受的重力與繞地旋轉(zhuǎn)的月球受到的引力統(tǒng)一起來。
其一 為“平拋鉛球”實(shí)驗(yàn)，牛頓寫道：如果從山上用彈藥把一個(gè)鉛球平拋出去，用增加發(fā)射速度的辦法，我們可以隨意增加其射程，并同時(shí)減少他所畫的曲線的曲率，甚至可以使它在落以前繞地球一周;或者最后也可以把它發(fā)射導(dǎo)空中去，在那里繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至無窮遠(yuǎn)而永遠(yuǎn)不落到地面。”
其二 為“小月球?qū)嶒?yàn)”，設(shè)想有一個(gè)小月球很靠近地球，以至幾乎觸及到地球上最高的山頂，那么他保持軌道的向心力當(dāng)然就等于他在山頂受到的重力。此時(shí)若小月球突然失去了軌道運(yùn)動(dòng)，他就如同山頂處的物體一樣以相同速度下落。若他所受的向心力不是重力，那他就將在兩種力共同作用下以更大的速度下落，這與我們的經(jīng)驗(yàn)不符?？梢娭匚锏闹亓驮虑虻南蛐牧Ρ厝怀雠c同一個(gè)原因。因此可推斷出“使月球保持在它軌道上的力就是我們通常稱為重力的那個(gè)力。
其三 為“月地檢驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)，它是牛頓以定量的方法驗(yàn)證平方反比關(guān)系以及“天地統(tǒng)一”假說的又一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)“實(shí)驗(yàn)”中，牛頓首先把月球繞地球的圓運(yùn)動(dòng)看作一種無終止的下落，然后根據(jù)月地距離，月球軌道長度及其運(yùn)轉(zhuǎn)周期，再借助向心力概念和幾何方法，可求得月球離開直線，徑向地墜落的速度。
至此，牛頓把地上日?？梢姷闹亓吞祗w運(yùn)動(dòng)的引力統(tǒng)一起來，糾正了亞里斯多德關(guān)于天上和地面附近運(yùn)動(dòng)服從不同規(guī)律的錯(cuò)誤看法，在物理學(xué)史上是第一次建立起的統(tǒng)一理論，在科學(xué)史上占有重要地位。
2.3 引力與質(zhì)量的關(guān)系以及引力普適性的發(fā)現(xiàn)
萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，除了引力平方反比定律以外，還必須發(fā)現(xiàn)引力與相互作用物體的質(zhì)量乘積成比例，以及對引力普適性的認(rèn)定。為此，牛頓進(jìn)一步確立了質(zhì)量的概念，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代物理學(xué)家所說的慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等價(jià)的突破。而后的進(jìn)展，作用力與反作用力定律在牛頓的發(fā)現(xiàn)中起到關(guān)鍵作用。牛頓根據(jù)開普勒定律得出：行星和太陽之間的引力跟行星的質(zhì)量成正比，跟行星到太陽的距離的二次方成反比。由牛三律可知，行星吸引太陽的力跟太陽吸引行星的力大小相等并有相同的性質(zhì)。牛頓認(rèn)為，既然這個(gè)引力與行星的質(zhì)量成正比，當(dāng)然也該和太陽的質(zhì)量成正比。這就是萬有引力定律的雛形。牛頓從未像我們所用的形式，而是以比值的形式進(jìn)行運(yùn)算的，至于引力常數(shù)G的測定，則是《原理》問世百余年之后的事。
2.4 萬有引力定律的檢驗(yàn)
萬有引力定律的建立，不但解決了天體運(yùn)行軌道形狀問題，而且解釋了許多以前不能解釋的現(xiàn)象：如潮汐、歲差的成因。隨著牛頓關(guān)于地球形狀預(yù)言的證實(shí)和哈雷慧星按牛頓理論計(jì)算的結(jié)果預(yù)期出現(xiàn)，尤其1978年，卡文迪許實(shí)驗(yàn)使萬有引力定律在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)提供了直接證明。在天文學(xué)方面也取得驚人成就-海王星的發(fā)現(xiàn)，牛頓的理論獲得世界的公認(rèn)，其影響也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出物理學(xué)的范疇。
3 對物理教學(xué)的啟示
3.1 揭示物理理論的本質(zhì)，突破教學(xué)難點(diǎn)
一般物體間的萬有引力極小，學(xué)生缺乏感性認(rèn)識，又無法演示實(shí)驗(yàn)，故我認(rèn)為在進(jìn)行該內(nèi)容教學(xué)時(shí)，可以物理學(xué)史為主線，向?qū)W生展示該定律形成的全過程，以達(dá)到教學(xué)目的。記得自己在學(xué)完此內(nèi)容時(shí)，曾有些疑惑：在牛頓那個(gè)年代，他是如何測得兩個(gè)天體的質(zhì)量、距離、和相互作用而得到萬有引力定律呢?現(xiàn)在，處于教學(xué)的角度考慮，若不向?qū)W生介紹形成過程，或許也會有很多疑惑。有的教師把該定律的得出簡單介紹為他從看到蘋果落地的現(xiàn)象中受到啟發(fā)，從而創(chuàng)造出定律，這會使學(xué)生認(rèn)為，該定律是靠天才的靈感一下子得出的，是偶然的。事實(shí)上，現(xiàn)有的物理學(xué)知識都是人類從與物理世界長期的對話中，經(jīng)過無數(shù)的曲折和反復(fù)、抽象與概括而獲得的。但教材中那種公理化、邏輯化的講述方式卻掩蓋了重要理論的發(fā)展過程。使學(xué)生對知識的來源和理論體系感到深?yuàn)W莫測，形成對知識的僵化的絕地理解。故在教學(xué)中如能突出“物理過程教學(xué)“，讓學(xué)生了解理論的產(chǎn)生，形成和發(fā)展的過程、即具體了解到他們是根據(jù)什么科學(xué)問題和實(shí)際原型被提出來的，又由于哪些矛盾和發(fā)現(xiàn)，而得到修正和發(fā)展。經(jīng)歷了哪些重要發(fā)展階段，為什么呈現(xiàn)出目前的狀態(tài)，這有助學(xué)生真正懂得他們的本質(zhì)，理解他們豐富的內(nèi)涵。正如愛因斯坦所說：“科學(xué)結(jié)論幾乎總是以完美的形式出現(xiàn)在讀者面前，讀者體驗(yàn)不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅，感覺不到思想形成的生動(dòng)過程，也很難達(dá)到清楚地理解全部情況。”
物理學(xué)發(fā)展中有爭議的概念、定律，也是學(xué)生最難接受的，最易出錯(cuò)的地方即教學(xué)的難點(diǎn)。而物理學(xué)史中關(guān)鍵性的突破和物理學(xué)家偉大貢獻(xiàn)的精髓，也正是物理教學(xué)的重點(diǎn)。例如:：物體受力而運(yùn)動(dòng)，不受力而停止;熱是一種物質(zhì);光的傳播需要介質(zhì)等等。這些歷史上科學(xué)家曾犯過的錯(cuò)誤，教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生開始也會犯同樣的錯(cuò)誤。圍繞這些問題著意點(diǎn)染，利用史料把中心問題襯托出來，有利于突破教學(xué)難點(diǎn)，但應(yīng)注意，課程中引入史料是為了教學(xué)目的服務(wù)的，不能喧賓奪主，應(yīng)立足于教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
3.2 使學(xué)生受到科學(xué)思維方法的教育
現(xiàn)有的物理教材強(qiáng)調(diào)的是邏輯推理方法，對于在實(shí)際的科學(xué)發(fā)現(xiàn)中，物理學(xué)家所用的創(chuàng)造性思維方法，如物理類比、理想模式、理想實(shí)驗(yàn)、科學(xué)想象、科學(xué)直覺、試探性猜測等等，介紹得不多，這不利于發(fā)展學(xué)生的能力和培養(yǎng)開創(chuàng)性人才。在萬有引力教學(xué)中，通過牛頓發(fā)現(xiàn)該定律的思考過程和卡文迪許扭秤的設(shè)計(jì)方法，可向?qū)W生滲透科學(xué)思想方法的教育。通過歷史的回顧，學(xué)生可以從中領(lǐng)會到物理學(xué)家實(shí)際創(chuàng)造過程和他們思考問題和處理問題的方法，也體會到任何物理學(xué)理論的建立，都要經(jīng)歷提出猜想和假設(shè)-經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)-上升為科學(xué)的理論-新的條件下發(fā)展為更新的理論的過程。在這些史料中，物理學(xué)家重視觀察、精于實(shí)驗(yàn)、擅長思考、講究方法而取得成功的范例，可讓學(xué)生了解到觀察、實(shí)驗(yàn)、思維、和方法的重要性。從而自覺接受這方面的訓(xùn)練。物理學(xué)家們的創(chuàng)造思路可使學(xué)生受到熏陶，從中得到啟發(fā)。物理學(xué)家勞厄指出：“重要的不是獲得知識，而是發(fā)展思維的能力，他認(rèn)為，教育無非是一切已學(xué)過的東西都已經(jīng)遺忘的時(shí)候，所剩下的東西。”而利用史料教學(xué)有利于啟迪學(xué)生的物理思維。
3.3 有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神與科學(xué)態(tài)度
物理學(xué)史是物理學(xué)家集體智慧的結(jié)晶，是時(shí)代的產(chǎn)物。雖然定律幾乎都是用物理學(xué)家的名字命名的，但每個(gè)定律的建立往往經(jīng)過一代人或幾代人的努力。萬有引力也是幾代人的努力，在探索中，錯(cuò)誤、失敗、曲折、反復(fù)中，甚至獻(xiàn)出自己的生命。哥白尼潛心工作40年，布魯諾獻(xiàn)出生命，伽利略終生監(jiān)禁，開普勒貧病交加，牛頓潛心鉆研，終生獨(dú)居。這就是他們的敬業(yè)精神。開普勒發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與觀察值僅差八分，他堅(jiān)持誤差是理論不正確造成的，用4年刻苦計(jì)算，發(fā)現(xiàn)勒火星軌道是橢圓的。尊重事實(shí)、實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、一絲不茍是科學(xué)家最基本的態(tài)度。雖然歷史條件發(fā)生變化，但科學(xué)沒有平坦的道路。這些都將潛移默化地感染學(xué)生，使他們樹立起敬業(yè)、持之以恒攀登科學(xué)高峰的科學(xué)精神。
3.4 有助于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和信心
讓學(xué)生參與知識的發(fā)現(xiàn)過程，體會到科學(xué)發(fā)現(xiàn)的樂趣和心理上的滿足，這樣可培養(yǎng)學(xué)習(xí)的興趣。另一方面，物理學(xué)的發(fā)展史是一副理論與實(shí)驗(yàn)交叉，失敗和成功并存，邏輯與非邏輯思維并用的畫面，將學(xué)史引入到教學(xué)中來，可打破傳統(tǒng)教學(xué)給學(xué)生留下的物理學(xué)發(fā)展是直線前進(jìn)的印象，打破學(xué)生對科學(xué)家的迷信，提高信心和興趣。這種興趣不是外部的感性興趣，而是內(nèi)在的理性興趣，是學(xué)生內(nèi)心自然產(chǎn)生出一種內(nèi)在的動(dòng)力，可使學(xué)生持久性地主動(dòng)思維。
4 結(jié)論
運(yùn)用物理學(xué)史教學(xué)符合學(xué)生分認(rèn)知規(guī)律和教學(xué)規(guī)律，有助于實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和思想道德素質(zhì)。學(xué)史教育與知識教育相結(jié)合與開設(shè)單純的學(xué)史課不同，沒有大量時(shí)間，應(yīng)結(jié)合到教學(xué)內(nèi)容，立足于教學(xué)難點(diǎn)的突破，因時(shí)制宜。通常的一些物理學(xué)思維方法貫穿在整個(gè)物理學(xué)發(fā)展過程中，不同的史料隱含著各自不同的物理思想。因此教師因注意挖掘隱含在知識背后的物理學(xué)思想方法，使其成為發(fā)展學(xué)生物理思維的源頭活水。
參考文獻(xiàn)
[1] 申先甲等編著，《物理學(xué)史簡編》，山東教育出版社，1980年
[2] 何圣靜主編，《物理定律的形成和發(fā)展》，測繪出版社，1988
[3] 查有梁等編著，《物理教學(xué)論》，廣西教育出版社，1996
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