物理史在高中物理學習中的作用

董宜達

【摘 要】本文以萬有引力定律為例探討了高中物理教學中結合物理史，可以使同學們體會到科學由量變到質變的發展過程；科學家孜孜不倦、鍥而不舍的探索精神；科學家勇于質疑、勇于創新的勇氣與氣魄；科學家腳踏實地、尊重事實的嚴謹態度；所學知識中蘊含的簡潔美；所學知識的來之不易；所學知識并不是枯燥的公式，而是有鮮活的生命；對所學知識的來龍去脈印象深刻，舉一反三。

【關鍵詞】物理史；高中物理；學習；作用

0 引言

高中物理教材中不僅有很多物理史的介紹，而且有些內容直接就是結合物理史進行的引入與展開。非常典型的例子就是科學史上最偉大的定律之一——萬有引力定律的引入與展開，就是完全追尋著物理史上的科學家的足跡而引入的。

1 物理史上發現萬有引力定律時科學家的足跡

第谷全身心投入得到行星位置的測量中，他把測量天體位置的誤差大約從10'減小到2'，他的觀測結果為哥白尼的日心說提供了關鍵性的支持。

開普勒以全部精力整理第谷的數據，期望求得行星運動軌道的更準確的描述。他對第谷數據的精確性深信不疑，在根據哥白尼的學說驗證行星繞太陽作圓周運動與觀測數據出現偏差后，他第一次對天體在做“完美的”勻速圓周運動產生懷疑。經過多年的嘗試性運算，終于在第谷數據的基礎上提出了開普勒三定律。

不過開普勒并不知道，他所發現的三個定律蘊含著極其重大的“天機”，就是最后由牛頓在開普勒定律基礎上發現的萬有引力定律。牛頓利用數學的方法，結合牛頓運動定律，對開普勒定律做了加工，得到萬有引力定律的表達式，揭示了控制行星運動的力，比開普勒定律更深刻、更簡潔。并且牛頓又向前走了一大步，他的思想超越了行星與太陽，推廣到了宇宙中的一切物體之間，萬有引力定律清楚地向人們揭示，復雜運動的背后隱藏著間接地科學規律；它明確地向人們宣告，天上和地上的物體都遵循著完全相同的科學法則。

2 物理史在高中物理學習中的作用

2.1 體會到科學由量變到質變的發展過程

第谷的觀測數據，開普勒的三個定律，牛頓的萬有引力定律是一環扣一環，環環相扣的。沒有第谷的觀測數據，開普勒的三個定律就成了無源之水無本之木；沒有開普勒的三個定律，牛頓也很難得到這么簡潔、漂亮的萬有引力定律的關系式。這個過程是一個由量變到質變的過程，沒有前面的基礎，就沒有科學史上最偉大的定律之一的萬有引力定律。由此同學們可以想到，我們所學的所有知識的發展都是這樣由量變到質變而發展起來的。或者，不僅是知識，要成功做成一件事，總要經過這種由量變到質變的階段。學習，或者做事，都需要厚積而薄發。只有經過積累的暗淡階段，才會到達燦爛輝煌的光明。

2.2 體會到科學家孜孜不倦、鍥而不舍的探索精神

第谷用了二十多年的時間全身心地投入到天體的觀測中，一直堅持進行出色的精確觀察，其編纂的星表的數據甚至已經接近了肉眼分辨率的極限。開普勒認真地研究了第谷多年對行星進行仔細觀察所做的大量記錄，經過多年煞費苦心的數學計算，開始懷疑哥白尼認為的行星的軌道是圓的正確性，認為行星軌道不是圓形而是橢圓形。就在找到基本的解決辦法后，開普勒仍不得不花費數月的時間來進行復雜而冗長的計算，證實了他的學說與第谷的觀察相符合，這個過程用了16年。牛頓從1665年至1685年，花了整整20年的時間，才沿著離心力—向心力—重力—萬有引力概念的演化順序，終于提出“萬有引力”這個概念。從中我們可以想象出科學家在這個過程中所付出的艱辛勞動，也為科學家們孜孜不倦、鍥而不舍的探索精神所折服。

2.3 體會到科學家勇于質疑、勇于創新的勇氣與氣魄

在開普勒之前，第谷、哥白尼以及所有的經典天文學家都假定行星軌道是由圓或復合圓組成的。但是在對火星軌道的研究中，經過多年的數學計算，開普勒發現運算結果與第谷的觀測數據不相符。開普勒深信第谷觀測數據的精確性，于是大膽懷疑人們長期以來視為真理的天體在做“完美的”勻速圓周運動這一觀念，由此展開了天文學與物理學的新的篇章。牛頓在前人對慣性研究的基礎上，開始思考“物體怎樣才會不沿著直線運動”這一問題，根據他建立的“力”的概念，他認為使行星沿圓或橢圓運動，需要指向圓心或橢圓焦點的力。于是，牛頓利用他的運動定律把行星的向心加速度與太陽對它的引力聯系了起來。他進一步推廣開來，認為引力存在于所有物體之間，從而闡述了普遍意義下的萬有引力定律。從這個過程中我們可以看到開普勒與牛頓一直在對前人的認識進行質疑，并在回答提出的問題的過程中進行大膽地創新。

2.4 體會到科學家腳踏實地、尊重事實的嚴謹態度

開普勒與牛頓在提出質疑、進行創新的過程中始終都堅持尊重事實的嚴謹態度，他們并不是毫無根據地去質疑、去創新。開普勒為什么懷疑天體在做完美的勻速圓周運動這個主流觀念呢？是因為他發現這個主流觀念與第谷的觀測數據不符。牛頓的創新也是建立在前人對慣性研究的基礎上的，由對慣性的研究，他才提出：以任何方式改變速度（包括改變速度的方向）都需要力，從而認為太陽對行星有引力，更進一步提出所有物體之間都有引力的。從中可以看到科學家進行科學研究時的腳踏實地、尊重事實的嚴謹的科學態度。我們不僅在學習中要堅持科學家的這些精神，在我們的日常生活中也同樣離不開這些精神。

2.5 體會到所學知識中蘊含的簡潔美

開普勒的三定律，把第谷積累的數千個數據歸納成如此簡潔的三句話，展示了行星運動的規律性，與原始數據相比既深刻又簡潔。牛頓利用數學的方法，結合牛頓運動定律，對開普勒定律做了加工后，揭示了控制行星運動的力，進而推廣到所有物體間的力的萬有引力定律，比開普勒定律更深刻、更簡潔。這些定律公式都蘊含著深刻的簡潔美。很多科學規律中都蘊含著深刻的簡潔美，在學習這些知識的過程中能給人以美的享受。

2.6 體會到所學知識的來之不易

現在我們學習萬有引力定律，在教材中不過就是幾頁紙，而在歷史上這個定律的發現過程則很漫長。從第谷的二十多年的觀測，到開普勒的16年的計算、嘗試、再計算，再經過牛頓整整20年的摸索，這個過程真是很不容易。“發現”總是比“學習”要困難很多很多。我們所學的所有知識的發現過程都類似，都經過了漫長而又曲折的過程，在一代又一代的科學家們的接力下才發現與發展起來。我們所學的知識，都是人類思想的精華，來之不易。不僅值得我們好好珍惜，還要在我們這一代的手上進一步發展壯大，我們也應為人類的知識大廈添磚加瓦。

2.7 體會到所學知識并不是枯燥的公式，而是有鮮活的生命

萬有引力定律是科學家經過艱辛的勞動才發現的蘊藏在現實世界中的秘密，它揭示了大自然中的規則，是我們認識世界的有力的工具。有了萬有引力定律，人類才可以克服引力進入太空，在太空翱翔，去發現更多蘊含在太空中的秘密。萬有引力定律并不僅是枯燥的公式，它具有鮮活的生命，它所換發的光彩一直在照亮人類探索宇宙的步伐。

2.8 對所學知識的來龍去脈印象深刻，舉一反三

追尋著科學家的足跡發現萬有引力定律的過程帶給同學們的感覺是引人入勝，激潮澎湃，不僅使同學們對此定律的來龍去脈印象深刻，還使同學們對萬有引力定律的本質思想有了更深一步的理解。遇到相似的問題，同學們可以借鑒科學家們的思考過程去進行思考，舉一反三。著名文學家馬克·吐溫滿懷激情地說：“科學真是迷人。根據零星的事實，增添一點猜想，竟能贏得那么多收獲！”在學習了科學家的探索的思想路程后，同學們收獲良多。

【參考文獻】

[1]人民教育出版社，課程研究所，物理課程教材研究開發中心.物理2必修[M].3版.人民教育出版社，2014.

[責任編輯：田吉捷]