例談《萬有引力與航天》中的物理學史教學

夏敏

摘要：著名哲學家馬赫認為：物理學史的教學是對學生進行富有成效的科學教學的一種輔助手段。在教學過程中，教師應通過物理學史知識來引導學生思考，順應解決物理問題的邏輯和學生的思考邏輯來展開，構建完整的“引力與航天”知識結構，逐步深化學生對“萬有引力與航天”內容的理解。

關鍵詞：物理學史教學;萬有引力與航天;教學分析

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A???? 文章編號：1992-7711（2019）19-034-1

物理學是研究物體的基本運動規律和物質的基本結構的一門科學，物理學知識起源于自然現象之中，其中包含復雜的物理概念和物理規律。在物理教學中，部分高中生感覺物理難學、難懂，更難以應用。例如，筆者在對人教版必修2第六章《萬有引力與航天》這一章節的教學調查時發現，很多學生對這一章難以理解，甚至腦袋一片空白。究其原因，一方面是圓周運動的基礎知識掌握不牢固，另一方面是知識點和公式在學生頭腦中過于零散，并沒有形成有效的知識結構。

為了解決學生難以理解的問題，筆者在此章節進行了適當的物理學史知識滲透，以降低教學難度，激發學生興趣，幫助學生逐漸在頭腦中形成物質結構及物質運動整體上的物理圖景，加深學生對物理概念的理解和對規律的掌握。

在以下內容中，本文從行星的運動、萬有引力定律、萬有引力理論的成就、宇宙航行、經典力學的局限性這幾部分內容來說明物理學史的教學過程，并且對教師自身的要求做一些說明。

在“行星的運動”上課前，筆者可以首先介紹一些相關的物理學史知識來引入新課。比如：“地心說”和“日心說”之爭是宇宙發展史上的一個里程碑，提出兩個重要人物托勒密和哥白尼，兩種觀點地心說和日心說。隨著科技進步，“日心說”被證明是顛撲不破的真理。明確太陽的地位，指出行星繞太陽的運動是勻速圓周運動的模型。而實際情況是否如此呢？然后引出觀測家第谷，十年如一日地對行星的運動做了觀測，得出精確度較高的行星觀測數據。隨后，再引出第谷的學生開普勒對其數據進行整理分析，發現實際行星運動的數據并不如圓周運動那樣完美。尤其在這里，老師要加強對于開普勒的生平歷史介紹，開普勒的坎坷人生路，開普勒的悲歡離合，加深學生對開普勒的理解和同情，自然而然引出開普勒的偉大成就，即開普勒三大定律。然后再詳細介紹開普勒定律的內容和開普勒定律的應用。

太陽和行星之間的引力這節課內容難度較大，難在內容抽象，難在要建立運動模型的思想、要應用牛頓運動定律以及大量的數學推導。單單一節課下來，很多學生聽下來云里霧里，不知學習目的，也不知這節內容和其他章節有什么聯系。因此，在教學處理上，教師可以將太陽和行星間的引力和萬有引力定律的教學合并為一個整體，并且在教學過程中加強物理學史的教育，讓學生了解萬有引力定律得出的來龍去脈，形成完整的知識結構，構建萬有引力定律在整個知識結構中的基礎地位。比如在推導完成太陽和行星之間的引力的理論之后，科學家們又提出“什么力使得地面的物體不離開地球？”的問題，那就需要進行月地檢驗，于是又引出牛頓的蘋果，物理學史上被蘋果砸中的牛頓對引力的思考，地上的引力與天上的引力是否是統一重力的問題。此時，科學家就必須利用反證法進行思考：假如是同一種力滿足平方反比定律，那么在生活中能找到什么作為佐證？于是，科學家們開始求證月亮的數據，利用對月球觀測的數據驗證平方反比的正確性，最后得出是同一種力，從而得出萬有引力定律。

在萬有引力定律理論形成的過程中，有個關鍵人物叫卡文迪許。教師可以用“地球的質量是多少？地球可以用天平來稱重嗎？”這樣的問題引出著名的英國物理學家卡文迪許。卡文迪許說他的實驗是稱量地球的質量。圍繞如何稱地球的質量進行理論推導，原來只要知道地面的重力加速度、地球的半徑、和引力常量就能計算出地球的質量。當然此方法測量地球質量是有前提條件的，這個條件就是重力等于萬有引力。那么，實際是否相等呢？老師引導學生深入思考，分析地球上物體重力與萬有引力的關系，得出只有在忽略地球自轉的情況下重力才能看做等于萬有引力。只能通過此途徑測出天體質量嗎？再引出運用天體圓周運動的模型來測量天體的質量。當然，發現未知天體的除了卡文迪許還有其他人物，教師還可以介紹亞當斯、勒維耶、伽樂等人在完成萬有引力理論方面作出的貢獻。

宇宙航行的內容抽象綜合能力要求高，切入點還是物理學史曾經牛頓對萬有引力定律的設想，在1687年出版的《自然哲學的數學原理》中，牛頓設想，拋出的物體速度很大時，物體就不會落回地面。然后理論分析物體不落回地面的最小速度，即物體成為地球衛星的最小發射速度，第一宇宙速度。是否只要滿足宇宙速度就能完成衛星的發射呢？再涉及發射速度、環繞速度、三個宇宙速度、幾種不同衛星以及衛星的變軌等方面的教學。在此過程中，教師應以歷史上牛頓的思考為切入點，結合歷史上衛星發射的理論進階，讓學生從頭到尾搞清楚什么是宇宙航行，怎么進行宇宙航行。

經典力學的局限性雖然與考試內容關系不大，但也是本章不可缺少的知識構成，不可忽略不計。沿著科學的足跡，從宏觀到微觀，從弱力到強力，學生可以通過自主學習的形式完成學習。因此，通過環環相扣，《萬有引力與航天》這一章節的教學內容就完成了。教師通過對科學歷史的介紹，使學生更加明白科學不是坦途，人生不是坦途;作為一個有追求的人，既要心懷美好，也要追求理性;要不懼挑戰，更要堅持到底攀登人生高峰。

總之，在物理教學中引入物理學史知識的例子還很多，本文只是以《萬有引力與航天》這一章節為例進行了淺析。筆者認為，應用物理學史教學可以激發學生興趣，幫助學生理解物理知識。作為物理教師，我們需要不斷學習不斷提升專業水平，有效地將物理學史知識滲透在物理教學之中，以提高教學效率。

（作者單位：南京市天印高級中學，江蘇 南京211100）