2017年物理學術論文(2)
2017年物理學術論文
2017年物理學術論文篇二
萬有引力的發(fā)現(xiàn)及其對物理教學的啟示
【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，重點揭示牛頓的科學思想和科學方法，并將其與中學物理教學相結合，闡述了學史教育對物理課堂教學的啟示。
【關鍵詞】萬有引力 ;科學思想 ;物理教學
錢三強教授指出：“物理學發(fā)展史是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地。這塊寶地很值得我們?nèi)ラ_懇，這些精神財富很值得我們?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。”重視物理學史教學，把物理學史同化在物理教學中，已是國際上物理教學改革的發(fā)展趨勢。我國現(xiàn)行試用的中學物理教科書，在引入歷史方面作了很大的改進?？梢?，利用學史教學已越來越重視。但有的教師為節(jié)省時間，無視物理學史，有的教師在利用史料時沒有根據(jù)歷史內(nèi)容的特點采用合適的引入形式或引入的量不當。因此，沒有產(chǎn)生預期的效果。本文將談談萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程及其對物理教學的啟示。
1 引力平方反比思想的形成
16世紀以前，人們對引力的認識主要受亞里斯多德學說的影響，認為引力是物體自然趨向宇宙中心的力，這個中心就是地球中心。1600年英國吉爾伯特根據(jù)磁石的相互吸引的實驗，提出磁力是維持太陽系運行的原因，為近代引力理論提出第一個物理模型。開普勒在吉爾伯特的影響下，認為引力就是太陽發(fā)出的磁力流。他是第一位試圖用力學機制解釋行星運動規(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，他的運動合成思想，關于“天地統(tǒng)一”的猜想，慣性運動的認識，力和加速度依賴關系的觀點，在牛頓的發(fā)現(xiàn)工作中都有至關重要的作用。尤其是伽利略開創(chuàng)的運用數(shù)學原理研究科學問題以及“理想實驗”等方法都給牛頓以直接的影響。
自開普勒、伽利略以來，試圖從動力學角度解釋天體運動的思想由萌芽到發(fā)展，引起不少科學家的興趣，并推動著引力研究的深入。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，法國的布里阿德認為：太陽的引力應當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，英國皇家學會成立一個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。應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，并試圖用實驗證明這種力與距離的關系，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動以及具有極大形狀的天體、質量能否看作集中在球心上來處理。而牛頓卻運用數(shù)學推導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世紀科學傳統(tǒng)的影響，牛頓產(chǎn)生并發(fā)展了引力平方反比關系的思想，要將這思想轉化成定律必須經(jīng)過嚴格的理論論證。依附當時的科學傳統(tǒng)，胡克等人企圖從引力的作用機理上探索引力平方反比關系。而牛頓則采用了另一條思路，避開引力的作用機理的問題，直接從數(shù)學上推導引力與距離的關系。他從分析天體運行現(xiàn)象入手，以開普勒定律為起點，借助關系定律、落體定律等，并以嚴謹?shù)臄?shù)學推導方式完成天體運行軌道形狀以及引力平方定律的有關證明。牛頓所以能完成同時代的學者不能完成的證明，一個重要的因素是因為具有同時代學者無以相比的數(shù)學才能，尤其是關于極限和微積分概念方面的造詣。
2.2 關于“天地統(tǒng)一”的三個思想實驗
如果說牛頓主要以嚴謹?shù)臄?shù)學推導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于引力問題的思考。他通過三個思想實驗把地上物體所受的重力與繞地旋轉的月球受到的引力統(tǒng)一起來。
其一 為“平拋鉛球”實驗，牛頓寫道：如果從山上用彈藥把一個鉛球平拋出去，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)射導空中去，在那里繼續(xù)運動至無窮遠而永遠不落到地面。”
其二 為“小月球實驗”，設想有一個小月球很靠近地球，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然就等于他在山頂受到的重力。此時若小月球突然失去了軌道運動，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)驗不符?？梢娭匚锏闹亓驮虑虻南蛐牧Ρ厝怀雠c同一個原因。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力。
其三 為“月地檢驗”實驗，它是牛頓以定量的方法驗證平方反比關系以及“天地統(tǒng)一”假說的又一個理想實驗。在這個“實驗”中，牛頓首先把月球繞地球的圓運動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轉周期，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，牛頓把地上日常可見的重力和天體運動的引力統(tǒng)一起來，糾正了亞里斯多德關于天上和地面附近運動服從不同規(guī)律的錯誤看法，在物理學史上是第一次建立起的統(tǒng)一理論，在科學史上占有重要地位。
2.3 引力與質量的關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量乘積成比例，以及對引力普適性的認定。為此，牛頓進一步確立了質量的概念，實現(xiàn)了現(xiàn)代物理學家所說的慣性質量與引力質量等價的突破。而后的進展，作用力與反作用力定律在牛頓的發(fā)現(xiàn)中起到關鍵作用。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。牛頓認為，既然這個引力與行星的質量成正比，當然也該和太陽的質量成正比。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行運算的，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
萬有引力定律的建立，不但解決了天體運行軌道形狀問題，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。隨著牛頓關于地球形狀預言的證實和哈雷慧星按牛頓理論計算的結果預期出現(xiàn)，尤其1978年，卡文迪許實驗使萬有引力定律在實驗室內(nèi)提供了直接證明。在天文學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，其影響也遠遠超出物理學的范疇。
3 對物理教學的啟示
3.1 揭示物理理論的本質，突破教學難點
一般物體間的萬有引力極小，學生缺乏感性認識，又無法演示實驗，故我認為在進行該內(nèi)容教學時，可以物理學史為主線，向學生展示該定律形成的全過程，以達到教學目的。記得自己在學完此內(nèi)容時，曾有些疑惑：在牛頓那個年代，他是如何測得兩個天體的質量、距離、和相互作用而得到萬有引力定律呢?現(xiàn)在，處于教學的角度考慮，若不向學生介紹形成過程，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，這會使學生認為，該定律是靠天才的靈感一下子得出的，是偶然的。事實上，現(xiàn)有的物理學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、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。使學生對知識的來源和理論體系感到深奧莫測，形成對知識的僵化的絕地理解。故在教學中如能突出“物理過程教學“，讓學生了解理論的產(chǎn)生，形成和發(fā)展的過程、即具體了解到他們是根據(jù)什么科學問題和實際原型被提出來的，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)，這有助學生真正懂得他們的本質，理解他們豐富的內(nèi)涵。正如愛因斯坦所說：“科學結論幾乎總是以完美的形式出現(xiàn)在讀者面前，讀者體驗不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅，感覺不到思想形成的生動過程，也很難達到清楚地理解全部情況。”
物理學發(fā)展中有爭議的概念、定律，也是學生最難接受的，最易出錯的地方即教學的難點。而物理學史中關鍵性的突破和物理學家偉大貢獻的精髓，也正是物理教學的重點。例如:：物體受力而運動，不受力而停止;熱是一種物質;光的傳播需要介質等等。這些歷史上科學家曾犯過的錯誤，教學實踐證明，學生開始也會犯同樣的錯誤。圍繞這些問題著意點染，利用史料把中心問題襯托出來，有利于突破教學難點，但應注意，課程中引入史料是為了教學目的服務的，不能喧賓奪主，應立足于教學的重點和難點。
3.2 使學生受到科學思維方法的教育
現(xiàn)有的物理教材強調(diào)的是邏輯推理方法，對于在實際的科學發(fā)現(xiàn)中，物理學家所用的創(chuàng)造性思維方法，如物理類比、理想模式、理想實驗、科學想象、科學直覺、試探性猜測等等，介紹得不多，這不利于發(fā)展學生的能力和培養(yǎng)開創(chuàng)性人才。在萬有引力教學中，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計方法，可向學生滲透科學思想方法的教育。通過歷史的回顧，學生可以從中領會到物理學家實際創(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理論的建立，都要經(jīng)歷提出猜想和假設-經(jīng)過實踐的檢驗-上升為科學的理論-新的條件下發(fā)展為更新的理論的過程。在這些史料中，物理學家重視觀察、精于實驗、擅長思考、講究方法而取得成功的范例，可讓學生了解到觀察、實驗、思維、和方法的重要性。從而自覺接受這方面的訓練。物理學家們的創(chuàng)造思路可使學生受到熏陶，從中得到啟發(fā)。物理學家勞厄指出：“重要的不是獲得知識，而是發(fā)展思維的能力，他認為，教育無非是一切已學過的東西都已經(jīng)遺忘的時候，所剩下的東西。”而利用史料教學有利于啟迪學生的物理思維。
3.3 有助于培養(yǎng)學生的科學精神與科學態(tài)度
物理學史是物理學家集體智慧的結晶，是時代的產(chǎn)物。雖然定律幾乎都是用物理學家的名字命名的，但每個定律的建立往往經(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，錯誤、失敗、曲折、反復中，甚至獻出自己的生命。哥白尼潛心工作40年，布魯諾獻出生命，伽利略終生監(jiān)禁，開普勒貧病交加，牛頓潛心鉆研，終生獨居。這就是他們的敬業(yè)精神。開普勒發(fā)現(xiàn)計算值與觀察值僅差八分，他堅持誤差是理論不正確造成的，用4年刻苦計算，發(fā)現(xiàn)勒火星軌道是橢圓的。尊重事實、實事求是、嚴謹治學、一絲不茍是科學家最基本的態(tài)度。雖然歷史條件發(fā)生變化，但科學沒有平坦的道路。這些都將潛移默化地感染學生，使他們樹立起敬業(yè)、持之以恒攀登科學高峰的科學精神。
3.4 有助于增強學生學習物理的興趣和信心
讓學生參與知識的發(fā)現(xiàn)過程，體會到科學發(fā)現(xiàn)的樂趣和心理上的滿足，這樣可培養(yǎng)學習的興趣。另一方面，物理學的發(fā)展史是一副理論與實驗交叉，失敗和成功并存，邏輯與非邏輯思維并用的畫面，將學史引入到教學中來，可打破傳統(tǒng)教學給學生留下的物理學發(fā)展是直線前進的印象，打破學生對科學家的迷信，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，是學生內(nèi)心自然產(chǎn)生出一種內(nèi)在的動力，可使學生持久性地主動思維。
4 結論
運用物理學史教學符合學生分認知規(guī)律和教學規(guī)律，有助于實現(xiàn)教學目標，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和思想道德素質。學史教育與知識教育相結合與開設單純的學史課不同，沒有大量時間，應結合到教學內(nèi)容，立足于教學難點的突破，因時制宜。通常的一些物理學思維方法貫穿在整個物理學發(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思想方法，使其成為發(fā)展學生物理思維的源頭活水。
參考文獻
[1] 申先甲等編著，《物理學史簡編》，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，《物理教學論》，廣西教育出版社，1996
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