如何備考“物理學史”

劉國瑞

近幾年全國各地的高考題加大了對物理學史知識的考查，比如山東卷從2011年開始連續三年考查物理學史，全國新課標卷也在2009年、2010年、2013年考查了三次.考生解答這道題時正確率偏低，教師備考這部分內容時，也陷入茫然，因為《2013年普通高等學校招生考試說明》的考試內容與要求中并不包含物理學史.所以備考過程中就出現了盲目的情況，甚至把高中物理涉及的所有物理學家的事跡都印發給學生，讓學生背誦.這樣就違背考查物理學史的意義.因為物理學史的重要價值在于通過對物理學史的教學，提高學生的人文素養，使學生形成正確的科學觀和世界觀.筆者認真查閱了《2013年普通高等學校招生考試說明》和《2013年普通高等學校招生全國統一考試大綱（理科·課程標準實驗版）》，二者均明確提到命題依據2003年頒布的《普通高中物理課程標準（實驗）》.而《普通高中物理課程標準（實驗）》對物理學史有明確要求，所以筆者嘗試從解讀課程標準的角度來備考“物理學史”.一、課程標準對物理學史的要求

（一）力學中有關物理學史的課程標準.

1.通過史實，初步了解近代實驗科學產生的背景，認識實驗對物理學發展的推動作用.

例1了解亞里士多德關于力與運動的主要觀點和研究方法.

例2了解伽利略的實驗研究工作，認識伽利略有關實驗的科學思想和方法.

例3通過史實了解伽利略研究自由落體運動用的實驗和推理方法.

2.（1）通過有關事實了解萬有引力定律的發現過程.知道萬有引力定律.認識發現萬有引力定律的重要意義，體會科學定律對人類探索未知世界的作用.

例1通過用萬有引力定律發現未知天體的事實，說明科學定律對人類認識世界的作用.

（2）通過實例了解經典力學的發展歷程和偉大成就，體會經典力學創立的價值與意義，認識經典力學的實用范圍和局限性.

（二）電磁學中有關物理學史的課程標準

1.收集資料，了解電磁感應現象的發現過程，體會人類探索自然規律的科學態度和科學精神.

（三）熱學中有關物理學史的課程標準

1. 通過有關史實，了解熱力學第一定律和能量守恒定律的發現過程.體會科學探索中的挫折和失敗對科學發現的意義.

二、課程標準解讀

（一）對自由落體運動性質得出過程的解讀

研究自由落體運動時，專門加了一節《伽俐略對自由落體運動的研究》，介紹關于自由落體運動的研究歷史.亞里士多德認為物體下落的快慢由他們的重量決定.他的這一論斷符合人們的常識，以至于在其后的兩千年的時間里，大家都奉為經典.伽俐略運用歸謬法，以亞里士多德“重物比輕物落的快”為前提，經縝密的邏輯推理，得出了與前提相矛盾的結論，因此能得出這樣一個可能性：重物與輕物應該下落的一樣快.伽俐略從科技美原理出發，認為自然界是簡單的，自然界的規律也是簡單的.從這一信念出發，他猜想，落體運動也一定是一種最簡單的運動，而最簡單的運動，它的速度應該是均勻變化的，他又進一步從理論上猜想，這種運動的速度的變化應當是均勻的，關于速度變化是均勻的，伽俐略考慮了兩種可能性：一種是速度變化對時間來說是均勻的，即v∝t；另一種是速度的變化對位移來說是均勻的，即v∝x.后來發現，對于后一種情況，將會導出荒謬的結論，只有v∝t才成為可能.于是伽俐略開始用實驗來驗證關于v∝t的猜想的真偽.用實驗直接驗證v∝t是困難的.他又用數學的方法進行推演.數學推理的結果：對于初速度為零的運動來說，只要v∝t，那么其位移x一定與t2成正比，即x∝t2.這樣實驗驗證轉換為驗證x∝t2.伽俐略設計了斜面實驗，讓小球從靜止開始沿斜面滾下，他的實驗證明x∝t2，也就可以推出ν∝t.而且它證明只要傾角相同，不論m多大，加速度都相同，即與重量無關.他不斷增大傾角，重復上述實驗，得出了相同的結論.于是，伽俐略做了合理的外推，當傾角增大到90時，小球不就做自由落體運動了嗎？這時小球仍然做勻加速運動，而且所有物體的加速度都一樣.如何解釋日常生活中常見到的重物下落的較快的現象呢？伽俐略寫道：“如果排除空氣阻力，那么，所有物體將下落得同樣快.”為此，他特別指出，在科學研究中，懂得忽略什么，有時比懂得重視什么同等重要.

（二）對萬有引力定律得出過程的解讀

牛頓建立萬有引力定律的過程中，體現出科學方法的合理運用.根據開普勒行星運動第一、第二定律，行星運動可以近似地看成繞太陽做勻速圓周運動，并且猜想行星運動的向心力來自太陽對行星的引力.設行星的質量為m，行星公轉的周期T，行星到太陽的距離為r，則行星繞太陽做勻速圓周運動的向心力F=4π2mr1T2，進一步根據開普勒第三定律r31T2=K，代入上式便得到，f=4π2k·m1r2，所以F∝m1r2.然后牛頓猜想，既然太陽吸引行星，行星也必然吸引太陽，而且這兩個力大小相等，方向相反.就行星對太陽的吸引力F來說，太陽是受力星體，所以F′∝M1r2.而F和F′又是相等的，因此概括地得出F∝mM1r2，寫成等式就是F=GMm1r2，式中G是比例系數，與太陽、行星都沒有關系.進一步設想：既然是行星與太陽之間的力使得行星不能飛離太陽，那么，是什么力使得地面的物體不能離開地球，總要落回地面？也就是說，地球與太陽之間的吸引力會不會與地球吸引蘋果的力是同一種力呢？還有，即使在最高的建筑物上和最高的山頂上，都不會發現重力有明顯的減弱，那么，這個力必定延伸到很遠的地方，它會不會作用到月球上？也就是說，拉住月球使它圍繞地球運動的力，與拉著蘋果下落的力，以及地球、眾行星與太陽之間的作用力也許真的是同一種力，遵循相同的規律？月——地檢驗的成功表明，地面物體所受地球的引力，與月球所受地球的引力，真的是同一種力！

讀了這一段科學史，最能震撼學生心靈的不是結果，而是過程.學生獲益最大的不是有關知識，而是探究方法.伽俐略和牛頓科學思想方法的核心是把邏輯推理（包括數學推演）、科學猜測和實驗和諧的結合起來，讓學生學習并在日后的實踐中應用這些方法比掌握知識更重要.

（三）對能量守恒定律得出過程的解讀

1755年至1807年間，瑞士物理學家歐拉提出與速度和重力有關的“力函數”、“速度勢”概念，法國物理學家拉格朗日則給出了“重力勢函數”；1807年英國著名物理學家托馬斯·楊在《自然哲學與機械技術》講義中，最先提出了能量的概念，指出產生運動需要的功等于“物體的質量和速度的二次方積”；1829年，法國物理學家科里奧利建議將托馬斯·楊提出的“能量”乘以1/2，稱為動能，這很快得到了公認；同年，物理學家龐斯萊明確提出了動能定理.

1834年至1835年間，愛爾蘭數學物理學家哈密頓提出了哈密頓原理，闡明了保守力場中動能和勢能的轉化及它們的總和保持不變.這就是機械能轉化與守恒定律.早在力學初步

近幾年全國各地的高考題加大了對物理學史知識的考查，比如山東卷從2011年開始連續三年考查物理學史，全國新課標卷也在2009年、2010年、2013年考查了三次.考生解答這道題時正確率偏低，教師備考這部分內容時，也陷入茫然，因為《2013年普通高等學校招生考試說明》的考試內容與要求中并不包含物理學史.所以備考過程中就出現了盲目的情況，甚至把高中物理涉及的所有物理學家的事跡都印發給學生，讓學生背誦.這樣就違背考查物理學史的意義.因為物理學史的重要價值在于通過對物理學史的教學，提高學生的人文素養，使學生形成正確的科學觀和世界觀.筆者認真查閱了《2013年普通高等學校招生考試說明》和《2013年普通高等學校招生全國統一考試大綱（理科·課程標準實驗版）》，二者均明確提到命題依據2003年頒布的《普通高中物理課程標準（實驗）》.而《普通高中物理課程標準（實驗）》對物理學史有明確要求，所以筆者嘗試從解讀課程標準的角度來備考“物理學史”.一、課程標準對物理學史的要求

（一）力學中有關物理學史的課程標準.

1.通過史實，初步了解近代實驗科學產生的背景，認識實驗對物理學發展的推動作用.

例1了解亞里士多德關于力與運動的主要觀點和研究方法.

例2了解伽利略的實驗研究工作，認識伽利略有關實驗的科學思想和方法.

例3通過史實了解伽利略研究自由落體運動用的實驗和推理方法.

2.（1）通過有關事實了解萬有引力定律的發現過程.知道萬有引力定律.認識發現萬有引力定律的重要意義，體會科學定律對人類探索未知世界的作用.

例1通過用萬有引力定律發現未知天體的事實，說明科學定律對人類認識世界的作用.

（2）通過實例了解經典力學的發展歷程和偉大成就，體會經典力學創立的價值與意義，認識經典力學的實用范圍和局限性.

（二）電磁學中有關物理學史的課程標準

1.收集資料，了解電磁感應現象的發現過程，體會人類探索自然規律的科學態度和科學精神.

（三）熱學中有關物理學史的課程標準

1. 通過有關史實，了解熱力學第一定律和能量守恒定律的發現過程.體會科學探索中的挫折和失敗對科學發現的意義.

二、課程標準解讀

（一）對自由落體運動性質得出過程的解讀

研究自由落體運動時，專門加了一節《伽俐略對自由落體運動的研究》，介紹關于自由落體運動的研究歷史.亞里士多德認為物體下落的快慢由他們的重量決定.他的這一論斷符合人們的常識，以至于在其后的兩千年的時間里，大家都奉為經典.伽俐略運用歸謬法，以亞里士多德“重物比輕物落的快”為前提，經縝密的邏輯推理，得出了與前提相矛盾的結論，因此能得出這樣一個可能性：重物與輕物應該下落的一樣快.伽俐略從科技美原理出發，認為自然界是簡單的，自然界的規律也是簡單的.從這一信念出發，他猜想，落體運動也一定是一種最簡單的運動，而最簡單的運動，它的速度應該是均勻變化的，他又進一步從理論上猜想，這種運動的速度的變化應當是均勻的，關于速度變化是均勻的，伽俐略考慮了兩種可能性：一種是速度變化對時間來說是均勻的，即v∝t；另一種是速度的變化對位移來說是均勻的，即v∝x.后來發現，對于后一種情況，將會導出荒謬的結論，只有v∝t才成為可能.于是伽俐略開始用實驗來驗證關于v∝t的猜想的真偽.用實驗直接驗證v∝t是困難的.他又用數學的方法進行推演.數學推理的結果：對于初速度為零的運動來說，只要v∝t，那么其位移x一定與t2成正比，即x∝t2.這樣實驗驗證轉換為驗證x∝t2.伽俐略設計了斜面實驗，讓小球從靜止開始沿斜面滾下，他的實驗證明x∝t2，也就可以推出ν∝t.而且它證明只要傾角相同，不論m多大，加速度都相同，即與重量無關.他不斷增大傾角，重復上述實驗，得出了相同的結論.于是，伽俐略做了合理的外推，當傾角增大到90時，小球不就做自由落體運動了嗎？這時小球仍然做勻加速運動，而且所有物體的加速度都一樣.如何解釋日常生活中常見到的重物下落的較快的現象呢？伽俐略寫道：“如果排除空氣阻力，那么，所有物體將下落得同樣快.”為此，他特別指出，在科學研究中，懂得忽略什么，有時比懂得重視什么同等重要.

（二）對萬有引力定律得出過程的解讀

牛頓建立萬有引力定律的過程中，體現出科學方法的合理運用.根據開普勒行星運動第一、第二定律，行星運動可以近似地看成繞太陽做勻速圓周運動，并且猜想行星運動的向心力來自太陽對行星的引力.設行星的質量為m，行星公轉的周期T，行星到太陽的距離為r，則行星繞太陽做勻速圓周運動的向心力F=4π2mr1T2，進一步根據開普勒第三定律r31T2=K，代入上式便得到，f=4π2k·m1r2，所以F∝m1r2.然后牛頓猜想，既然太陽吸引行星，行星也必然吸引太陽，而且這兩個力大小相等，方向相反.就行星對太陽的吸引力F來說，太陽是受力星體，所以F′∝M1r2.而F和F′又是相等的，因此概括地得出F∝mM1r2，寫成等式就是F=GMm1r2，式中G是比例系數，與太陽、行星都沒有關系.進一步設想：既然是行星與太陽之間的力使得行星不能飛離太陽，那么，是什么力使得地面的物體不能離開地球，總要落回地面？也就是說，地球與太陽之間的吸引力會不會與地球吸引蘋果的力是同一種力呢？還有，即使在最高的建筑物上和最高的山頂上，都不會發現重力有明顯的減弱，那么，這個力必定延伸到很遠的地方，它會不會作用到月球上？也就是說，拉住月球使它圍繞地球運動的力，與拉著蘋果下落的力，以及地球、眾行星與太陽之間的作用力也許真的是同一種力，遵循相同的規律？月——地檢驗的成功表明，地面物體所受地球的引力，與月球所受地球的引力，真的是同一種力！

讀了這一段科學史，最能震撼學生心靈的不是結果，而是過程.學生獲益最大的不是有關知識，而是探究方法.伽俐略和牛頓科學思想方法的核心是把邏輯推理（包括數學推演）、科學猜測和實驗和諧的結合起來，讓學生學習并在日后的實踐中應用這些方法比掌握知識更重要.

（三）對能量守恒定律得出過程的解讀

1755年至1807年間，瑞士物理學家歐拉提出與速度和重力有關的“力函數”、“速度勢”概念，法國物理學家拉格朗日則給出了“重力勢函數”；1807年英國著名物理學家托馬斯·楊在《自然哲學與機械技術》講義中，最先提出了能量的概念，指出產生運動需要的功等于“物體的質量和速度的二次方積”；1829年，法國物理學家科里奧利建議將托馬斯·楊提出的“能量”乘以1/2，稱為動能，這很快得到了公認；同年，物理學家龐斯萊明確提出了動能定理.

1834年至1835年間，愛爾蘭數學物理學家哈密頓提出了哈密頓原理，闡明了保守力場中動能和勢能的轉化及它們的總和保持不變.這就是機械能轉化與守恒定律.早在力學初步

近幾年全國各地的高考題加大了對物理學史知識的考查，比如山東卷從2011年開始連續三年考查物理學史，全國新課標卷也在2009年、2010年、2013年考查了三次.考生解答這道題時正確率偏低，教師備考這部分內容時，也陷入茫然，因為《2013年普通高等學校招生考試說明》的考試內容與要求中并不包含物理學史.所以備考過程中就出現了盲目的情況，甚至把高中物理涉及的所有物理學家的事跡都印發給學生，讓學生背誦.這樣就違背考查物理學史的意義.因為物理學史的重要價值在于通過對物理學史的教學，提高學生的人文素養，使學生形成正確的科學觀和世界觀.筆者認真查閱了《2013年普通高等學校招生考試說明》和《2013年普通高等學校招生全國統一考試大綱（理科·課程標準實驗版）》，二者均明確提到命題依據2003年頒布的《普通高中物理課程標準（實驗）》.而《普通高中物理課程標準（實驗）》對物理學史有明確要求，所以筆者嘗試從解讀課程標準的角度來備考“物理學史”.一、課程標準對物理學史的要求

（一）力學中有關物理學史的課程標準.

1.通過史實，初步了解近代實驗科學產生的背景，認識實驗對物理學發展的推動作用.

例1了解亞里士多德關于力與運動的主要觀點和研究方法.

例2了解伽利略的實驗研究工作，認識伽利略有關實驗的科學思想和方法.

例3通過史實了解伽利略研究自由落體運動用的實驗和推理方法.

2.（1）通過有關事實了解萬有引力定律的發現過程.知道萬有引力定律.認識發現萬有引力定律的重要意義，體會科學定律對人類探索未知世界的作用.

例1通過用萬有引力定律發現未知天體的事實，說明科學定律對人類認識世界的作用.

（2）通過實例了解經典力學的發展歷程和偉大成就，體會經典力學創立的價值與意義，認識經典力學的實用范圍和局限性.

（二）電磁學中有關物理學史的課程標準

1.收集資料，了解電磁感應現象的發現過程，體會人類探索自然規律的科學態度和科學精神.

（三）熱學中有關物理學史的課程標準

1. 通過有關史實，了解熱力學第一定律和能量守恒定律的發現過程.體會科學探索中的挫折和失敗對科學發現的意義.

二、課程標準解讀

（一）對自由落體運動性質得出過程的解讀

研究自由落體運動時，專門加了一節《伽俐略對自由落體運動的研究》，介紹關于自由落體運動的研究歷史.亞里士多德認為物體下落的快慢由他們的重量決定.他的這一論斷符合人們的常識，以至于在其后的兩千年的時間里，大家都奉為經典.伽俐略運用歸謬法，以亞里士多德“重物比輕物落的快”為前提，經縝密的邏輯推理，得出了與前提相矛盾的結論，因此能得出這樣一個可能性：重物與輕物應該下落的一樣快.伽俐略從科技美原理出發，認為自然界是簡單的，自然界的規律也是簡單的.從這一信念出發，他猜想，落體運動也一定是一種最簡單的運動，而最簡單的運動，它的速度應該是均勻變化的，他又進一步從理論上猜想，這種運動的速度的變化應當是均勻的，關于速度變化是均勻的，伽俐略考慮了兩種可能性：一種是速度變化對時間來說是均勻的，即v∝t；另一種是速度的變化對位移來說是均勻的，即v∝x.后來發現，對于后一種情況，將會導出荒謬的結論，只有v∝t才成為可能.于是伽俐略開始用實驗來驗證關于v∝t的猜想的真偽.用實驗直接驗證v∝t是困難的.他又用數學的方法進行推演.數學推理的結果：對于初速度為零的運動來說，只要v∝t，那么其位移x一定與t2成正比，即x∝t2.這樣實驗驗證轉換為驗證x∝t2.伽俐略設計了斜面實驗，讓小球從靜止開始沿斜面滾下，他的實驗證明x∝t2，也就可以推出ν∝t.而且它證明只要傾角相同，不論m多大，加速度都相同，即與重量無關.他不斷增大傾角，重復上述實驗，得出了相同的結論.于是，伽俐略做了合理的外推，當傾角增大到90時，小球不就做自由落體運動了嗎？這時小球仍然做勻加速運動，而且所有物體的加速度都一樣.如何解釋日常生活中常見到的重物下落的較快的現象呢？伽俐略寫道：“如果排除空氣阻力，那么，所有物體將下落得同樣快.”為此，他特別指出，在科學研究中，懂得忽略什么，有時比懂得重視什么同等重要.

（二）對萬有引力定律得出過程的解讀

牛頓建立萬有引力定律的過程中，體現出科學方法的合理運用.根據開普勒行星運動第一、第二定律，行星運動可以近似地看成繞太陽做勻速圓周運動，并且猜想行星運動的向心力來自太陽對行星的引力.設行星的質量為m，行星公轉的周期T，行星到太陽的距離為r，則行星繞太陽做勻速圓周運動的向心力F=4π2mr1T2，進一步根據開普勒第三定律r31T2=K，代入上式便得到，f=4π2k·m1r2，所以F∝m1r2.然后牛頓猜想，既然太陽吸引行星，行星也必然吸引太陽，而且這兩個力大小相等，方向相反.就行星對太陽的吸引力F來說，太陽是受力星體，所以F′∝M1r2.而F和F′又是相等的，因此概括地得出F∝mM1r2，寫成等式就是F=GMm1r2，式中G是比例系數，與太陽、行星都沒有關系.進一步設想：既然是行星與太陽之間的力使得行星不能飛離太陽，那么，是什么力使得地面的物體不能離開地球，總要落回地面？也就是說，地球與太陽之間的吸引力會不會與地球吸引蘋果的力是同一種力呢？還有，即使在最高的建筑物上和最高的山頂上，都不會發現重力有明顯的減弱，那么，這個力必定延伸到很遠的地方，它會不會作用到月球上？也就是說，拉住月球使它圍繞地球運動的力，與拉著蘋果下落的力，以及地球、眾行星與太陽之間的作用力也許真的是同一種力，遵循相同的規律？月——地檢驗的成功表明，地面物體所受地球的引力，與月球所受地球的引力，真的是同一種力！

讀了這一段科學史，最能震撼學生心靈的不是結果，而是過程.學生獲益最大的不是有關知識，而是探究方法.伽俐略和牛頓科學思想方法的核心是把邏輯推理（包括數學推演）、科學猜測和實驗和諧的結合起來，讓學生學習并在日后的實踐中應用這些方法比掌握知識更重要.

（三）對能量守恒定律得出過程的解讀

1755年至1807年間，瑞士物理學家歐拉提出與速度和重力有關的“力函數”、“速度勢”概念，法國物理學家拉格朗日則給出了“重力勢函數”；1807年英國著名物理學家托馬斯·楊在《自然哲學與機械技術》講義中，最先提出了能量的概念，指出產生運動需要的功等于“物體的質量和速度的二次方積”；1829年，法國物理學家科里奧利建議將托馬斯·楊提出的“能量”乘以1/2，稱為動能，這很快得到了公認；同年，物理學家龐斯萊明確提出了動能定理.

1834年至1835年間，愛爾蘭數學物理學家哈密頓提出了哈密頓原理，闡明了保守力場中動能和勢能的轉化及它們的總和保持不變.這就是機械能轉化與守恒定律.早在力學初步