牛頓第一定律情景劇活動(dòng)方案

徐光永

筆者精心導(dǎo)演一幕以牛頓第一定律的發(fā)展史為線索的穿越劇，在課堂上讓五位學(xué)生表演.

其中的一位學(xué)生扮演當(dāng)代的中學(xué)生，通過(guò)時(shí)光隧道，分別穿越到公元前4世紀(jì)的古希臘、16世紀(jì)的意大利、17世紀(jì)的法國(guó)和英國(guó)，分別聆聽(tīng)亞里士多德、伽利略、笛卡兒和牛頓等大師對(duì)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的精彩描述.

投影儀打出一位中國(guó)學(xué)生穿越到公元前4世紀(jì)的古希臘雅典柏拉圖學(xué)院的背景.

學(xué)生：尊敬的亞里士多德先生，我知道您是一位集哲學(xué)家、教育家、物理學(xué)家和生物學(xué)家于一身的大師，你的著作涉及到邏輯學(xué)、修辭學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)、政治學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、美學(xué)和博物學(xué)等，據(jù)說(shuō)有四百到一千部，您的講課被認(rèn)為是古希臘思想的百科全書.我從遙遠(yuǎn)的中國(guó)來(lái)到這里，向你請(qǐng)教.

亞里士多德：不敢當(dāng)，歡迎來(lái)自中國(guó)的貴賓.我們先來(lái)做個(gè)實(shí)驗(yàn)：用手推車，車就前進(jìn)，停止用力，車就停止.對(duì)此，你有什么看法？

學(xué)生：用手推車，車受到了力的作用就前進(jìn)，停止用力，車不受力的作用就停止，說(shuō)明物體的運(yùn)動(dòng)是受到力作用的結(jié)果.

亞里士多德：了不起，中國(guó)人真是太聰明了，這就是我最新的發(fā)現(xiàn)：力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因.哈哈哈！（退出表演）

投影儀播出亞里士多德的觀點(diǎn)在科學(xué)界統(tǒng)治了長(zhǎng)達(dá)近兩千年之久.

學(xué)生：不對(duì)呀，據(jù)說(shuō)亞里士多德的這一觀點(diǎn)是被伽利略否定的呀，我得去拜訪伽利略.

投影儀打出這位中國(guó)學(xué)生穿越到16世紀(jì)意大利的比薩大學(xué)教學(xué)樓的背景.

學(xué)生：尊敬的伽利略先生，我知道您是一位集文學(xué)家、力學(xué)家、哲學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家于一身的大師，是近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的先驅(qū)者.聽(tīng)說(shuō)您對(duì)亞里士多德先生“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”的觀點(diǎn)持不同的看法？

伽利略：是的.我們先來(lái)做這樣的實(shí)驗(yàn)：同一小車從同樣光滑斜面的同一高度處滑下，接著在表面材料不同（毛巾、棉布、木板）的水平面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，分別停在不同的地方，如圖1所示.你能分析其中的原因嗎？

學(xué)生：讓同一小車從同樣光滑斜面的同一高度滑下，目的使小車獲得相同的速度.而毛巾表面最粗糙，小車受到的摩擦阻力最大，運(yùn)動(dòng)得最近;棉布次之，木板表面比較光滑，小車受到的摩擦阻力最小，運(yùn)動(dòng)得就最遠(yuǎn).

伽利略：如果小車運(yùn)動(dòng)的水平面非常光滑，請(qǐng)猜想一下，小車將怎樣運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生：小車在光滑的水平面上可能永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.

伽利略：中國(guó)的學(xué)生就是聰明，我也是這么思考的.現(xiàn)在你能找到我否定亞里士多德“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”的根據(jù)了嗎？

學(xué)生：找到了.小車停下來(lái)的原因是小車受到了摩擦阻力，阻力越大，小車越容易停下來(lái)，這就否定了“無(wú)力則停”的觀點(diǎn);當(dāng)水平面摩擦力越小，小車停下來(lái)要走的路程就越長(zhǎng)，小車不受阻力時(shí)將永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，也就否定了“有力則動(dòng)”的觀點(diǎn).很顯然，“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的.

伽利略：講得好.請(qǐng)你再看我新設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，如圖2所示.這是兩個(gè)對(duì)接的斜面，讓靜止的小球沿一個(gè)斜面滾下，小球?qū)L上另一個(gè)斜面.如果斜面做得非常光滑，你想想看，小球的運(yùn)動(dòng)有何特點(diǎn)？

學(xué)生：小球?qū)⑸仙皆瓉?lái)釋放時(shí)的高度.

伽利略：現(xiàn)在減小第二個(gè)斜面的傾角，最后使它成水平面，此時(shí)小球的運(yùn)動(dòng)有何特點(diǎn)？

學(xué)生：小球在該斜面上仍然要達(dá)到原來(lái)的高度.當(dāng)傾角為0，即小球在水平面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，小球因?yàn)橛肋h(yuǎn)也到不了原來(lái)的高度，所以沿水平面將永遠(yuǎn)的運(yùn)動(dòng)下去.

伽利略：亞里士多德認(rèn)為物體有力才運(yùn)動(dòng)，無(wú)力就停止;而剛才的實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是物體無(wú)力才運(yùn)動(dòng)，有力就停止.當(dāng)然這里說(shuō)的力是阻力，而亞里士多德描述中的力是動(dòng)力.動(dòng)力使物體由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)，阻力使物體由運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止，但不論動(dòng)力也好，阻力也罷，說(shuō)力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因顯然是不妥的.

投影讓17世紀(jì)的笛卡兒和牛頓一塊穿越到伽利略的實(shí)驗(yàn)中來(lái).

學(xué)生：尊敬的笛卡兒先生，您是法國(guó)著名的數(shù)學(xué)家、科學(xué)家和哲學(xué)家，據(jù)說(shuō)您對(duì)伽利略的觀點(diǎn)很有見(jiàn)地，是真的嗎？

笛卡兒：是的.我同意伽利略的觀點(diǎn)，并作這樣的補(bǔ)充：如果沒(méi)有其他原因，運(yùn)動(dòng)的物體將繼續(xù)以同一速度沿著一條直線運(yùn)動(dòng)，既不會(huì)停下來(lái)，也不會(huì)偏離原來(lái)的方向.

學(xué)生：你的說(shuō)法已經(jīng)逼近牛頓描述的勻速直線運(yùn)動(dòng)了.尊敬的牛頓爵士，你是人類歷史上出現(xiàn)過(guò)的最偉大、最有影響的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家，是中國(guó)人民最崇拜的偶像，你是怎樣將伽利略的發(fā)現(xiàn)，上升為用你的名字命名的牛頓第一定律的？

牛頓：我可沒(méi)有給自己的發(fā)現(xiàn)命名呀.伽利略的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)劃時(shí)代的貢獻(xiàn)，沒(méi)有伽利略的發(fā)現(xiàn)，就不可能有我的所謂牛頓第一定律.伽利略和笛卡兒對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)都作了準(zhǔn)確的描述，但是沒(méi)有指明其本質(zhì)原因是什么，這個(gè)原因跟運(yùn)動(dòng)有怎樣的關(guān)系.我是從力與運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)關(guān)系入手，對(duì)伽利略的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行概括，得出力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，而是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因.因?yàn)橐磺形矬w總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止.

伽利略：笛卡兒和牛頓的補(bǔ)充和深化，使我的研究成果產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，尤其是牛頓從力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行概括，成為力學(xué)的經(jīng)典定律，真是站得高、看得遠(yuǎn)啊，實(shí)在佩服.

牛頓：那是我站在你們這些巨人的肩膀上的緣故罷了.其實(shí)，我不過(guò)就像是一個(gè)在海濱玩耍的小孩，為不時(shí)發(fā)現(xiàn)比尋常更為光滑的一塊卵石或比尋常更為美麗的一片貝殼而沾沾自喜，而對(duì)于展現(xiàn)在我面前的浩瀚的真理的海洋，卻全然沒(méi)有發(fā)現(xiàn).我要好好感謝你們，向你們學(xué)習(xí)才對(duì).

學(xué)生：這次穿越，使我對(duì)牛頓第一定律誕生的過(guò)程有了更深刻的認(rèn)識(shí)，它經(jīng)歷了兩千多年時(shí)間的跨越，經(jīng)過(guò)了從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的躍遷，凝聚了無(wú)數(shù)物理學(xué)家的求真、求善、求美的人文精神，在物理學(xué)史上將永遠(yuǎn)閃耀著奇光異彩.（謝幕）