2017年物理学术论文(2)
2017年物理学术论文篇二
万有引力的发现及其对物理教学的启示
【摘 要】本文系统地介绍万有引力定律的发现发展过程，重点揭示牛顿的科学思想和科学方法，并将其与中学物理教学相结合，阐述了学史教育对物理课堂教学的启示。
【关键词】万有引力 ;科学思想 ;物理教学
钱三强教授指出：“物理学发展史是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地。这块宝地很值得我们去开恳，这些精神财富很值得我们去发掘。如果我们都重视这块宝地，把宝贵的精神财富都发掘出来，从中吸取营养，获得教益，我相信这对我国的教育事业和人才培养都会是大有益处的。”重视物理学史教学，把物理学史同化在物理教学中，已是国际上物理教学改革的发展趋势。我国现行试用的中学物理教科书，在引入历史方面作了很大的改进。可见，利用学史教学已越来越重视。但有的教师为节省时间，无视物理学史，有的教师在利用史料时没有根据历史内容的特点采用合适的引入形式或引入的量不当。因此，没有产生预期的效果。本文将谈谈万有引力定律的发现过程及其对物理教学的启示。
1 引力平方反比思想的形成
16世纪以前，人们对引力的认识主要受亚里斯多德学说的影响，认为引力是物体自然趋向宇宙中心的力，这个中心就是地球中心。1600年英国吉尔伯特根据磁石的相互吸引的实验，提出磁力是维持太阳系运行的原因，为近代引力理论提出第一个物理模型。开普勒在吉尔伯特的影响下，认为引力就是太阳发出的磁力流。他是第一位试图用力学机制解释行星运动规律的人。伽利略是牛顿之前最早提出离心力和向心力概念，他的运动合成思想，关于“天地统一”的猜想，惯性运动的认识，力和加速度依赖关系的观点，在牛顿的发现工作中都有至关重要的作用。尤其是伽利略开创的运用数学原理研究科学问题以及“理想实验”等方法都给牛顿以直接的影响。
自开普勒、伽利略以来，试图从动力学角度解释天体运动的思想由萌芽到发展，引起不少科学家的兴趣，并推动着引力研究的深入。1644年，笛卡儿提出“漩涡说”，是牛顿以前最有影响力的引力理论。1645年，法国的布里阿德认为：太阳的引力应当与距离的平方成反比。这是历史上第一次提出“平方反比”的猜想。60年代初，英国皇家学会成立一个专门委员会来研究引力问题。英国的胡克、伦恩、以及哈雷在引力问题的研究上都作出重要贡献。应该肯定胡克在这期间对引力作了较多的研究。他已觉察到引力与重力有共同的本质，并试图用实验证明这种力与距离的关系，他在1662年和1666年在深山和高山上比较物体重力的变化，但还没有得出结论。随后，1674年他还提出过万有引力的猜想，但无法证明在引力作用下行星如何沿椭圆轨道运动以及具有极大形状的天体、质量能否看作集中在球心上来处理。而牛顿却运用数学推导确立了万有引力定律。
2 牛顿发现万有引力定律的思路与方法
2.1 平方反比定律的证明
受17世纪科学传统的影响，牛顿产生并发展了引力平方反比关系的思想，要将这思想转化成定律必须经过严格的理论论证。依附当时的科学传统，胡克等人企图从引力的作用机理上探索引力平方反比关系。而牛顿则采用了另一条思路，避开引力的作用机理的问题，直接从数学上推导引力与距离的关系。他从分析天体运行现象入手，以开普勒定律为起点，借助关系定律、落体定律等，并以严谨的数学推导方式完成天体运行轨道形状以及引力平方定律的有关证明。牛顿所以能完成同时代的学者不能完成的证明，一个重要的因素是因为具有同时代学者无以相比的数学才能，尤其是关于极限和微积分概念方面的造诣。
2.2 关于“天地统一”的三个思想实验
如果说牛顿主要以严谨的数学推导方式在平方反比定律问题上作出突破性的话，他却是以猜想与直觉开始关于引力问题的思考。他通过三个思想实验把地上物体所受的重力与绕地旋转的月球受到的引力统一起来。
其一 为“平抛铅球”实验，牛顿写道：如果从山上用弹药把一个铅球平抛出去，用增加发射速度的办法，我们可以随意增加其射程，并同时减少他所画的曲线的曲率，甚至可以使它在落以前绕地球一周;或者最后也可以把它发射导空中去，在那里继续运动至无穷远而永远不落到地面。”
其二 为“小月球实验”，设想有一个小月球很靠近地球，以至几乎触及到地球上最高的山顶，那么他保持轨道的向心力当然就等于他在山顶受到的重力。此时若小月球突然失去了轨道运动，他就如同山顶处的物体一样以相同速度下落。若他所受的向心力不是重力，那他就将在两种力共同作用下以更大的速度下落，这与我们的经验不符。可见重物的重力和月球的向心力必然出与同一个原因。因此可推断出“使月球保持在它轨道上的力就是我们通常称为重力的那个力。
其三 为“月地检验”实验，它是牛顿以定量的方法验证平方反比关系以及“天地统一”假说的又一个理想实验。在这个“实验”中，牛顿首先把月球绕地球的圆运动看作一种无终止的下落，然后根据月地距离，月球轨道长度及其运转周期，再借助向心力概念和几何方法，可求得月球离开直线，径向地坠落的速度。
至此，牛顿把地上日常可见的重力和天体运动的引力统一起来，纠正了亚里斯多德关于天上和地面附近运动服从不同规律的错误看法，在物理学史上是第一次建立起的统一理论，在科学史上占有重要地位。
2.3 引力与质量的关系以及引力普适性的发现
万有引力定律的发现，除了引力平方反比定律以外，还必须发现引力与相互作用物体的质量乘积成比例，以及对引力普适性的认定。为此，牛顿进一步确立了质量的概念，实现了现代物理学家所说的惯性质量与引力质量等价的突破。而后的进展，作用力与反作用力定律在牛顿的发现中起到关键作用。牛顿根据开普勒定律得出：行星和太阳之间的引力跟行星的质量成正比，跟行星到太阳的距离的二次方成反比。由牛三律可知，行星吸引太阳的力跟太阳吸引行星的力大小相等并有相同的性质。牛顿认为，既然这个引力与行星的质量成正比，当然也该和太阳的质量成正比。这就是万有引力定律的雏形。牛顿从未像我们所用的形式，而是以比值的形式进行运算的，至于引力常数G的测定，则是《原理》问世百余年之后的事。
2.4 万有引力定律的检验
万有引力定律的建立，不但解决了天体运行轨道形状问题，而且解释了许多以前不能解释的现象：如潮汐、岁差的成因。随着牛顿关于地球形状预言的证实和哈雷慧星按牛顿理论计算的结果预期出现，尤其1978年，卡文迪许实验使万有引力定律在实验室内提供了直接证明。在天文学方面也取得惊人成就-海王星的发现，牛顿的理论获得世界的公认，其影响也远远超出物理学的范畴。
3 对物理教学的启示
3.1 揭示物理理论的本质，突破教学难点
一般物体间的万有引力极小，学生缺乏感性认识，又无法演示实验，故我认为在进行该内容教学时，可以物理学史为主线，向学生展示该定律形成的全过程，以达到教学目的。记得自己在学完此内容时，曾有些疑惑：在牛顿那个年代，他是如何测得两个天体的质量、距离、和相互作用而得到万有引力定律呢?现在，处于教学的角度考虑，若不向学生介绍形成过程，或许也会有很多疑惑。有的教师把该定律的得出简单介绍为他从看到苹果落地的现象中受到启发，从而创造出定律，这会使学生认为，该定律是靠天才的灵感一下子得出的，是偶然的。事实上，现有的物理学知识都是人类从与物理世界长期的对话中，经过无数的曲折和反复、抽象与概括而获得的。但教材中那种公理化、逻辑化的讲述方式却掩盖了重要理论的发展过程。使学生对知识的来源和理论体系感到深奥莫测，形成对知识的僵化的绝地理解。故在教学中如能突出“物理过程教学“，让学生了解理论的产生，形成和发展的过程、即具体了解到他们是根据什么科学问题和实际原型被提出来的，又由于哪些矛盾和发现，而得到修正和发展。经历了哪些重要发展阶段，为什么呈现出目前的状态，这有助学生真正懂得他们的本质，理解他们丰富的内涵。正如爱因斯坦所说：“科学结论几乎总是以完美的形式出现在读者面前，读者体验不到探索和发现的喜悦，感觉不到思想形成的生动过程，也很难达到清楚地理解全部情况。”
物理学发展中有争议的概念、定律，也是学生最难接受的，最易出错的地方即教学的难点。而物理学史中关键性的突破和物理学家伟大贡献的精髓，也正是物理教学的重点。例如:：物体受力而运动，不受力而停止;热是一种物质;光的传播需要介质等等。这些历史上科学家曾犯过的错误，教学实践证明，学生开始也会犯同样的错误。围绕这些问题着意点染，利用史料把中心问题衬托出来，有利于突破教学难点，但应注意，课程中引入史料是为了教学目的服务的，不能喧宾夺主，应立足于教学的重点和难点。
3.2 使学生受到科学思维方法的教育
现有的物理教材强调的是逻辑推理方法，对于在实际的科学发现中，物理学家所用的创造性思维方法，如物理类比、理想模式、理想实验、科学想象、科学直觉、试探性猜测等等，介绍得不多，这不利于发展学生的能力和培养开创性人才。在万有引力教学中，通过牛顿发现该定律的思考过程和卡文迪许扭秤的设计方法，可向学生渗透科学思想方法的教育。通过历史的回顾，学生可以从中领会到物理学家实际创造过程和他们思考问题和处理问题的方法，也体会到任何物理学理论的建立，都要经历提出猜想和假设-经过实践的检验-上升为科学的理论-新的条件下发展为更新的理论的过程。在这些史料中，物理学家重视观察、精于实验、擅长思考、讲究方法而取得成功的范例，可让学生了解到观察、实验、思维、和方法的重要性。从而自觉接受这方面的训练。物理学家们的创造思路可使学生受到熏陶，从中得到启发。物理学家劳厄指出：“重要的不是获得知识，而是发展思维的能力，他认为，教育无非是一切已学过的东西都已经遗忘的时候，所剩下的东西。”而利用史料教学有利于启迪学生的物理思维。
3.3 有助于培养学生的科学精神与科学态度
物理学史是物理学家集体智慧的结晶，是时代的产物。虽然定律几乎都是用物理学家的名字命名的，但每个定律的建立往往经过一代人或几代人的努力。万有引力也是几代人的努力，在探索中，错误、失败、曲折、反复中，甚至献出自己的生命。哥白尼潜心工作40年，布鲁诺献出生命，伽利略终生监禁，开普勒贫病交加，牛顿潜心钻研，终生独居。这就是他们的敬业精神。开普勒发现计算值与观察值仅差八分，他坚持误差是理论不正确造成的，用4年刻苦计算，发现勒火星轨道是椭圆的。尊重事实、实事求是、严谨治学、一丝不苟是科学家最基本的态度。虽然历史条件发生变化，但科学没有平坦的道路。这些都将潜移默化地感染学生，使他们树立起敬业、持之以恒攀登科学高峰的科学精神。
3.4 有助于增强学生学习物理的兴趣和信心
让学生参与知识的发现过程，体会到科学发现的乐趣和心理上的满足，这样可培养学习的兴趣。另一方面，物理学的发展史是一副理论与实验交叉，失败和成功并存，逻辑与非逻辑思维并用的画面，将学史引入到教学中来，可打破传统教学给学生留下的物理学发展是直线前进的印象，打破学生对科学家的迷信，提高信心和兴趣。这种兴趣不是外部的感性兴趣，而是内在的理性兴趣，是学生内心自然产生出一种内在的动力，可使学生持久性地主动思维。
4 结论
运用物理学史教学符合学生分认知规律和教学规律，有助于实现教学目标，培养学生的科学素养和思想道德素质。学史教育与知识教育相结合与开设单纯的学史课不同，没有大量时间，应结合到教学内容，立足于教学难点的突破，因时制宜。通常的一些物理学思维方法贯穿在整个物理学发展过程中，不同的史料隐含着各自不同的物理思想。因此教师因注意挖掘隐含在知识背后的物理学思想方法，使其成为发展学生物理思维的源头活水。
参考文献
[1] 申先甲等编著，《物理学史简编》，山东教育出版社，1980年
[2] 何圣静主编，《物理定律的形成和发展》，测绘出版社，1988
[3] 查有梁等编著，《物理教学论》，广西教育出版社，1996
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