牛頓運動定律與批判性思維

鄭 丹

(華中師范大學物理科學與技術學院,湖北武漢 430079)

批判性思維存在于認識的整個過程,是創(chuàng)造性思維的基礎,而創(chuàng)造性思維則是批判性思維發(fā)展的必然結果,是認識的目的.科學研究離不開批判性思維和創(chuàng)造性思維,牛頓運動三定律的提出過程就能很好的體現(xiàn)批判性思維在物理學發(fā)展中的重要作用.

1 運動第一定律的發(fā)展過程

古代的自然運動是一個廣泛注意并做了很多研究的題目.亞里士多德在《物理學》中,把一切運動分為自然運動和強制運動兩種,他對自然運動的定義是:被自身推動的運動者是自然地運動的.伽利略約在1590年寫的《論運動》手稿中批判了亞里士多德的這種說法,他認為水平面上的物體運動就不具備這種性質(zhì),初步提出了慣性概念的想法.伽利略把向地球中心落下的運動和慣性運動都稱作自然運動,這與古希臘哲學家們(如伊壁鳩魯和亞里士多德等)把重量看作物體的特質(zhì)或?qū)傩灾坏目捶ú煌?

開普勒在《行星的原因》中,認為慣性是一種與重量類似的東西,天體沒有它就不會有一種力量使它們從所在的地方運動.他又認為凡物質(zhì)必須有慣性,只有慣性才能說明運動的差異.他從慣性是物質(zhì)內(nèi)在屬性的觀點所做的發(fā)展卻受到笛卡爾和伽桑狄的批判.伽桑狄試圖擺脫說明內(nèi)部物質(zhì)對運動無阻抗,他完全接受伊壁鳩魯?shù)脑討T性運動和不同重量的原子以相等的速度下降的觀點.而笛卡爾在《哲學原理》中,不承認物質(zhì)之內(nèi)存在屬性,認為客觀存在的只是廣延,物質(zhì)或物體不過是一種廣延,物質(zhì)的本質(zhì)就是廣延的.他是在伽利略的基礎上,把只限于水平線或水平面的條件推廣到一切直線,而這樣做的缺點是未限定“等速運動”這個前提,因為非水平面上的直線運動必然是加速運動.這些對牛頓后來的思想產(chǎn)生重要的影響,在此基礎上提出了運動第一定律.

2 運動第二定律的發(fā)展過程

力與運動的關系在古代和近代物理學的發(fā)展中,都起過重要作用,力與機械運動變化的關系是近代物理學發(fā)展的基本課題.

伊壁鳩魯認為原子運動和變化的原因有3種:(1)自然運動,即由重量引起的向下運動;(2)由沖撞引起的向下或側向運動;(3)原子下落過程中因某種原因出現(xiàn)的偶然偏斜運動.后兩者是強制運動.

亞里士多德卻提出作用力與速度成比例的觀點.這個觀點主要是通過個別現(xiàn)象的粗略觀察得出的思辨性看法,沒有認真地做各種實驗并進行分析比較.

文藝復興運動后期,在意大利就出現(xiàn)懷疑和反對亞里士多德運動觀的思潮.其中比較著名的是伽利略的比薩斜塔實驗,他以雄辯的事實批判了亞里士多德的運動觀,為加速度概念的出現(xiàn)準備了條件,并導致他的斜面落體實驗和發(fā)現(xiàn)落體定律.從而奠定了動力學的基礎,而動力學的出現(xiàn)又是近代物理學的起點.

質(zhì)量的概念和定義在牛頓發(fā)現(xiàn)運動定律的過程中意義十分重大.牛頓在1684年發(fā)表的《論物體的運動》一書明確提出了“物質(zhì)之量由密度和大小共同產(chǎn)生的”這個定義.1687年,牛頓發(fā)表了《自然哲學的數(shù)學原理》,開篇就對質(zhì)量進行了定義:物質(zhì)的量是用他的密度和體積一起來度量的.并且指出質(zhì)量與重量成正比,因而可以由物質(zhì)的重量得到它的質(zhì)量.至此人們才真正把物體的重量和它的質(zhì)量區(qū)分開來.

牛頓對質(zhì)量概念的認識分靜質(zhì)量和動質(zhì)量兩個方面.靜質(zhì)量就是由物體的重量知道的,并與其重量成比例的物質(zhì)之量;動質(zhì)量就是物體得以繼續(xù)保持其運動狀態(tài)而對外力反抗的一種內(nèi)在固有的力,對于慣性運動來說就是慣性質(zhì)量,對于落體運動來說就是引力質(zhì)量.[1]但是,水平面上的運動與落體和磁力作用產(chǎn)生的運動不同,因其作用力并不是持續(xù)地作用于一物體上,因此由水平面上得出的運動第二定律并不能用于落體運動.牛頓利用磁體在水平和垂直方向都可持續(xù)施力于鐵塊的特點,將二者聯(lián)系起來,證明了慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量等效,從而得出普遍的運動第二定律及其表示式.

兩個世紀后,奧地利物理學家馬赫對牛頓的質(zhì)量概念提出了嚴厲的批判.他認為牛頓對質(zhì)量的定義在邏輯上陷入了循環(huán)論證的怪圈.這是因為一方面質(zhì)量由體積和密度決定,而另一方面又只能把密度定義為單位體積的質(zhì)量.而且,把質(zhì)量與運動完全分割開來,認為質(zhì)量與運動無關,夸大了質(zhì)量的不變性.沒有真正區(qū)分慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等一系列在牛頓力學質(zhì)量觀上所顯示的局限性也正是近代物理學進一步發(fā)展的切入點.[2]

3 運動第三定律的發(fā)展過程

運動第一和第二定律是關于物體慣性運動和打破慣性運動的定律,但是對于一個物體系統(tǒng)來說,必須存在作用和反作用或運動傳遞的問題,這就需要一個有關物體之間相互作用的定律加以補充.笛卡兒從運動變化的觀點和萊布尼茲從活力的觀點,分別研究過物體碰撞前后運動量的傳遞和守恒關系.在此基礎上,牛頓卻從力的觀點研究了物體碰撞過程中相互作用的關系,在一般意義上說碰撞過程中力的關系更為基本些.在《原理》一書中牛頓正式提出運動第三定律:“對于每一個作用,永遠有一個相反而相等的反作用,或者,二物體彼此的相互作用是永遠相等的,并且指向相反的方向.”

4 批判性思維對學生的必要性

在信息爆炸的時代,知識的概念早已發(fā)生質(zhì)的變化,要求每個人必須具備批判性吸收的能力,不只是專門工具和專業(yè)語言的運用、特殊技能的掌握,也不只是能夠解決問題,知識的范圍已擴展到“運用系統(tǒng)知識來解決未知問題,并且創(chuàng)造新的知識”[3],就是說創(chuàng)新也是知識的一個層面.因此,具備良好的批判性思維習慣,才能更有效地學習知識.

物理學是一門自然科學,要認識自然界的規(guī)律,并把這種認識轉化為促進社會發(fā)展的生產(chǎn)力,這就要求物理學理論的“真”:在一定的條件與范圍內(nèi)的客觀真理,能經(jīng)得起實驗和實踐的檢驗.因此,人們在正確認識物理世界的過程中要具備高度的批判性.正如霍布森(Hobson)所說,“根本上說,科學是這樣運作的:它把細心的觀察和艱苦的思考——證據(jù)和智力——結合起來理解大自然.”“科學的最基本價值:一切觀念都要接受經(jīng)驗的考驗和批判理性思維的挑戰(zhàn).”[4]

為了有效培養(yǎng)學生的批判性思維能力,首先教師必須具備批判性思維能力,而且教師還需具備精深的專業(yè)知識,除了給學生傳授知識外,還要創(chuàng)造學習情境,讓學生產(chǎn)生認知沖突,提出問題,達到批判性思維的培養(yǎng)目的.其次教師還可以結合物理學史對學生進行科學態(tài)度和科學精神的教育.如利用物理學理論形成過程的史實材料,從亞士里多德對落體運動、運動和力關系的認識到伽利略對這些問題的探究;由牛頓光的微粒說,到惠更斯光的波動說,到麥克斯韋光的電磁波說,到愛因斯坦的光量子說;從古代人們對原子認識,到湯姆生的原子模型,到盧瑟福的原子核式模型,到玻爾的原子模型,到原子的量子理論等等,引導學生進行思考,分析,判斷,評價等體驗批判性思維活動的過程.最后教師還需關注科學技術發(fā)展與社會的關系,結合教學內(nèi)容,把基本科學思維方法的教育滲透到教學中,發(fā)展學生的批判性思維,促進學生自主學習能力的養(yǎng)成.

1 閻康年.牛頓的科學發(fā)現(xiàn)與科學思想.長沙:湖南教育出版社.1989,134～158.

2 黃征、王世濤.質(zhì)量概念的發(fā)展.物理通報.2006(4).

3 蘭州大學化學系人才培養(yǎng)“基地”領導小組.深化教學改革,努力辦好化學基礎科學研究和教學人才培養(yǎng)基地.高等理科教育,1994(1).

4 朱鐵成.物理思維的批判性、范疇及其培養(yǎng).物理教師.2004(2).