讓物理大師“再現(xiàn)”課堂例舉

晏廷飛

挖掘物理學(xué)史素材，并有機(jī)滲透于日常教學(xué)中，能讓學(xué)生感受大師風(fēng)采和物理學(xué)魅力，可以更好讓學(xué)生了解物理知識(shí)的發(fā)生、發(fā)展過程和科學(xué)研究基本方法，促進(jìn)對(duì)知識(shí)本質(zhì)的理解，體會(huì)科學(xué)研究和人類文明形成之不易。在高中物理教學(xué)中滲透物理學(xué)史可以讓學(xué)生從中得到啟示、開闊眼界，從前人經(jīng)驗(yàn)中吸取營(yíng)養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生健全的人格，在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)注重學(xué)生“科學(xué)和人文”的雙重發(fā)展，能夠較為有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。在高中物理中許多物理學(xué)家的事跡感人至深，崇高的科學(xué)研究精神令人敬佩。學(xué)生邁入高中最先接觸到的物理學(xué)家是亞里士多德和伽利略。在高中物理必修1中，伽利略不畏懼、不迷信權(quán)威，兩次和前輩亞里士多德“正面交鋒”，并完勝，在學(xué)生心目中留下了深刻影響。重視伽利略及其事跡在物理教學(xué)中重要價(jià)值，這是我進(jìn)行“讓物理大師‘再現(xiàn)課堂”的一次教學(xué)實(shí)踐。

一、介紹大師，感受大師風(fēng)采

為了讓學(xué)生感受到大師的風(fēng)采，在教學(xué)中有必要給學(xué)生系統(tǒng)介紹伽利略的生平、典型故事、重要貢獻(xiàn)等。

伽利略1564年2月15日生于比薩一個(gè)樂師和數(shù)學(xué)家之家，是意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家，“近代科學(xué)之父”。愛好機(jī)械、數(shù)學(xué)和音樂、詩(shī)畫，喜歡做水磨、風(fēng)車、船舶模型。

對(duì)力學(xué)的廣泛研究，得到了落體定律。他的兩部著作：《關(guān)于托勒密與哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》（1632年）和《關(guān)于力學(xué)和運(yùn)動(dòng)兩種新科學(xué)的談話》（1638年），為力學(xué)的發(fā)展奠定了思想基礎(chǔ)。在運(yùn)動(dòng)理論方面奠立了科學(xué)力學(xué)的基石（如速度、加速度的引入，相對(duì)性原理、慣性定律、落體定律、擺的等時(shí)性、運(yùn)動(dòng)疊加原理等）。

他闖出了一條實(shí)驗(yàn)、邏輯思維與數(shù)學(xué)理論相結(jié)合的新路。開創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)并具有嚴(yán)密邏輯體系和數(shù)學(xué)表述形式的近代科學(xué)研究方法，他把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理結(jié)合在一起，既注重邏輯推理又依靠實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，其方法如下：

依靠工匠們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與數(shù)學(xué)理論的結(jié)合，依靠他自己敏銳的觀察和大量的實(shí)驗(yàn)成果，通過雄辯和事實(shí)，粉碎了教會(huì)支持的亞里士多德和托勒密思想體系兩千多年來對(duì)科學(xué)的禁錮。1610年3月發(fā)表《星空信使》一書，總結(jié)了他的觀察成果并用來有力地駁斥地心說。他認(rèn)真讀過亞里士多德的《物理學(xué)》等著作，認(rèn)為其中許多是錯(cuò)誤的。伽利略為推翻以亞里士多德為旗號(hào)的經(jīng)院哲學(xué)對(duì)科學(xué)的禁錮、改變與加深人類對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和宇宙的科學(xué)認(rèn)識(shí)而奮斗了一生。

二、課堂對(duì)話，再現(xiàn)歷史

關(guān)于落體運(yùn)動(dòng)、力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，亞里斯多德通過觀察生活事實(shí)，最早提出了自己觀點(diǎn)：“越重的物體下落越快”、“物體的運(yùn)動(dòng)需要力來維持”。他的觀點(diǎn)，在2000多年的時(shí)間里，被尊為信條，沒有人敢挑戰(zhàn)，直到伽利略的出現(xiàn)。伽利略通過實(shí)驗(yàn)與推理相結(jié)合的方法否定了亞里士多德的觀點(diǎn)，提出：“下落的快慢與輕重?zé)o關(guān)”、“物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持”。

關(guān)于落體運(yùn)動(dòng)、力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，很多由于生活經(jīng)驗(yàn)造成的前概念，學(xué)生的認(rèn)知和亞里士多德一樣。要糾正學(xué)生的錯(cuò)誤認(rèn)知，把學(xué)生的認(rèn)知水平從亞里士多德的年代提升到伽利略時(shí)代，再進(jìn)化到現(xiàn)代，從而建立正確的認(rèn)知，讓學(xué)生領(lǐng)略科學(xué)研究的不易。若只是簡(jiǎn)單說教，告訴學(xué)生物理學(xué)史，介紹歷史背景及他們各自的觀點(diǎn)如何，學(xué)生往往覺得枯燥乏味，教學(xué)效果有限。為此，不妨借鑒伽利略《關(guān)于力學(xué)和運(yùn)動(dòng)兩種新科學(xué)的談話》中對(duì)話的形式，讓學(xué)生模擬，安排“伽利略”和“亞里士多德”來一場(chǎng)穿越時(shí)空的對(duì)話。

教學(xué)場(chǎng)景1：探究落體運(yùn)動(dòng)

師：西方有句諺語，“對(duì)運(yùn)動(dòng)的無知，也就是對(duì)大自然的無知”。對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究一直以來都是人類認(rèn)識(shí)大自然的一個(gè)視角，其中對(duì)落體運(yùn)動(dòng)研究又是運(yùn)動(dòng)研究的重要組成部分。關(guān)于落體運(yùn)動(dòng)的思考，亞里士多德通過對(duì)生活事實(shí)的觀察得出結(jié)論：越重的物體下落得越快。這一觀點(diǎn)一直被人們廣泛接受，直到2000多年后的一天，一個(gè)叫伽利略的人出現(xiàn)了，他認(rèn)為：下落的快慢與輕重?zé)o關(guān)。這兩種觀點(diǎn)針鋒相對(duì)，究竟孰是孰非？今天我們就請(qǐng)“亞里士多德”和“伽利略”給我們來一場(chǎng)穿越時(shí)空的對(duì)話，看看物體下落的快慢究竟與輕重有沒有關(guān)系？有請(qǐng)兩位！

亞：我認(rèn)為越重的物體下落得越快。生活中蘋果和樹葉同時(shí)從樹上的同一高度下落，蘋果先落地，樹葉后落地就是最好的證據(jù)。

伽：我認(rèn)為先生的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。證明如下，假設(shè)：越重的物體下落越快?，F(xiàn)把重的蘋果和輕的樹葉捆在一起會(huì)怎樣呢？我們可以得到兩個(gè)矛盾的結(jié)論。結(jié)論1：捆在一起后，比原來的蘋果重，所以下落比單獨(dú)的蘋果快。結(jié)論2：蘋果下落快，而樹葉下落慢，快的蘋果會(huì)被慢的樹葉拖慢，捆在一起后比原來的蘋果慢。從先生的觀點(diǎn)出發(fā)，推出自相矛盾的結(jié)論，所以先生的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。

亞：不對(duì)，小伽，你說的只是推理，沒有說服力，我們還是用事實(shí)說話，請(qǐng)看實(shí)驗(yàn)。

亞開始演示實(shí)驗(yàn)1。

實(shí)驗(yàn)器材：硬幣、和硬幣橫截面（圓）相同的紙片。

實(shí)驗(yàn)過程：將紙片和硬幣放在等高的位置同時(shí)釋放。硬幣先落地，紙片后落地。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：重的硬幣下落快。

亞：從剛才的實(shí)驗(yàn)可以看出，我的觀點(diǎn)是正確的。

伽：我也有2個(gè)實(shí)驗(yàn)要給亞先生看看，我用的器材和先生基本一樣。

伽演示實(shí)驗(yàn)2。

實(shí)驗(yàn)器材：相同硬幣2枚（其中一枚貼有橫截面積相同的紙片）

實(shí)驗(yàn)過程：將兩枚硬幣從同一高度同時(shí)釋放。兩枚硬幣同時(shí)落地。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：輕重不同的硬幣下落一樣快。

伽演示實(shí)驗(yàn)3。

實(shí)驗(yàn)器材：兩塊一樣的紙片。

實(shí)驗(yàn)過程：把其中的一個(gè)紙片揉成紙團(tuán)；將紙片和紙團(tuán)從同一高度釋放；觀察到紙團(tuán)先落地，紙片后落地。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：輕重相同的紙片和紙團(tuán)下落快慢不同。

伽：從剛才的2個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看出，下落的快慢與輕重?zé)o關(guān)，先生的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。

亞：你不承認(rèn)我的觀點(diǎn)沒關(guān)系。請(qǐng)問小伽，如何解釋蘋果比樹葉快，硬幣比紙片快？

伽：先生沒有考慮到空氣阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響。以硬幣和紙片為例，下落過程中它們受到重力和空氣阻力，由于下落過程中橫截面積相同，所受的空氣阻力可認(rèn)為是一樣的。但是硬幣重力大，空氣阻力對(duì)其運(yùn)動(dòng)影響小，甚至可以忽略不計(jì)，而紙片重力小，空氣阻力對(duì)其運(yùn)動(dòng)影響較大，不能忽略。

亞：如此說來，物體的輕重對(duì)運(yùn)動(dòng)的快慢還是有影響的。

伽：尊敬的亞先生，請(qǐng)注意造成這種“錯(cuò)覺”的原因是因?yàn)橄壬鷽]有考慮空氣阻力的影響，造成輕重不同的物體下落快慢不一致的原因是空氣阻力的影響。先生，請(qǐng)讓我再為你演示一個(gè)實(shí)驗(yàn)。我需要用的實(shí)驗(yàn)器材叫做“牛頓管”，是我們物理學(xué)的一個(gè)后輩發(fā)明的。有請(qǐng)我的科學(xué)助理上場(chǎng)。

科學(xué)助理拿著牛頓管上場(chǎng)。

伽：先生，我有必要向你介紹一下這套裝置及實(shí)驗(yàn)過程。玻璃管中有羽毛和銅片，待會(huì)兒我們要把管中的空氣抽走，使其接近真空。然后瞬間把玻璃管翻轉(zhuǎn)，觀看金屬片和羽毛的下落情況。

科學(xué)助理和“伽利略”一起把牛頓管中的空氣抽走，開始演示實(shí)驗(yàn)。

伽：請(qǐng)問，你觀察到了什么？

亞：羽毛和金屬片同時(shí)落地。

伽：所以，先生你的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。應(yīng)該是：物體下落的快慢與輕重?zé)o關(guān)。

亞：謝謝你，小伽。

師：謝謝兩位“物理學(xué)家”，通過他們精彩辯論，我們知道了物體下落的快慢與輕重?zé)o關(guān)，生活中之所以會(huì)覺得越重越快，是因?yàn)榭諝庾枇Φ挠绊憽？諝庾枇?duì)輕的物體的運(yùn)動(dòng)影響較大，而對(duì)重的物體影響可以忽略不計(jì)。就好比學(xué)校組織捐款，老師捐款100元，對(duì)生活質(zhì)量沒有影響，但是如果一個(gè)學(xué)生他一周的生活費(fèi)是150元，他也捐款100元那么他這周的日子就沒法過了。

教學(xué)場(chǎng)景2：物體的運(yùn)動(dòng)需要力來維持嗎？

師：慣性定律是牛頓力學(xué)的基石之一，而慣性定律的建立離不開亞里士多德、伽利略、笛卡爾、惠更斯等人對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系思考、研究。最早亞里斯多德認(rèn)為力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，2000多年后伽利略通過實(shí)驗(yàn)和推理否定了亞里斯多德的觀點(diǎn)，認(rèn)為物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持。今天我們能就請(qǐng)兩位物理學(xué)“大師”給我們來一場(chǎng)辯論，看看物體的運(yùn)動(dòng)是否需要力來維持。

亞：物體運(yùn)動(dòng)需要力來維持。用手推桌子，桌子運(yùn)動(dòng)，撤去推力桌子馬上就停止運(yùn)動(dòng)。

伽：請(qǐng)讓我給先生呈現(xiàn)2個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1：把一輛小車放在足夠光滑的水平桌面上，用力推一下，撤去推力后小車還能繼續(xù)前進(jìn)，所以：物體運(yùn)動(dòng)不需要力來維持。

實(shí)驗(yàn)2：把小球從斜面的M點(diǎn)由靜止釋放，它能滾到第二個(gè)斜面上，第二個(gè)斜面的傾角變小后小球會(huì)經(jīng)過更長(zhǎng)的路程，如果斜面光滑小球?qū)?huì)滾到與M等高的位置，繼續(xù)減小第二個(gè)斜面傾角，直到水平小球?yàn)榱嘶氐降雀叩奈恢?，要?jīng)過無限長(zhǎng)的路程與時(shí)間，而一直運(yùn)動(dòng)下去。如圖1所示。

亞：小球能一直運(yùn)動(dòng)下去嗎？生活中我們推桌子，桌子運(yùn)動(dòng)，撤去推力馬上就停止了。

伽：先生，這是因?yàn)樽雷邮艿搅四Σ亮Φ淖饔?，是摩擦力使桌子停了下來。如果沒有摩擦力桌子將和小球一樣一直運(yùn)動(dòng)下去。

師：謝謝兩位“大師”精彩的辯論。人類正確認(rèn)識(shí)關(guān)于力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的時(shí)間，從最開始的古希臘時(shí)代的德漠克利特、伊壁鳩魯、亞里斯多德、伽利略經(jīng)歷了兩千多年的時(shí)間。伽利略否定了亞里斯多德“物體的運(yùn)動(dòng)需要力來維持”的觀點(diǎn)，提出了“物體的運(yùn)動(dòng)不要力來維持”、“沒有受力物體將一直運(yùn)動(dòng)下去，而他的直線運(yùn)動(dòng)是沿與地心等距的曲線，其實(shí)就是今天的圓周運(yùn)動(dòng)”，但這其實(shí)還沒有完全解決力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，在伽利略之后，笛卡爾在伽利略研究的基礎(chǔ)上邁進(jìn)了一大步?！八鞔_指出，除非物體受到外因的作用，物體將保持其靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且還特別聲明，慣性運(yùn)動(dòng)的物體將不會(huì)使自己趨向曲線運(yùn)動(dòng)，而是保持在直線上運(yùn)動(dòng)，他表述為兩條定律：（一）每一個(gè)單質(zhì)微粒都將繼續(xù)保持同一狀態(tài)，直到與其它微粒相撞改變這一狀態(tài)為止；（二）所有運(yùn)動(dòng)其本身都是沿直線的。”笛卡爾在伽利略的基礎(chǔ)上有三點(diǎn)創(chuàng)新：笛卡爾糾正伽利略物體貼著地球表面的直線運(yùn)動(dòng)；物體不受力時(shí)物體的狀態(tài)也從伽利略的“一直運(yùn)動(dòng)下去”變?yōu)椤氨３朱o止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（都將繼續(xù)保持同一狀態(tài)）”，新增了“保持靜止”這一狀態(tài)；笛卡爾“認(rèn)為慣性定律是解決力學(xué)問題的關(guān)鍵所在，是他最早把慣性定律作為原理加以確立，并視為整個(gè)自然觀的基礎(chǔ)，這對(duì)后來牛頓的綜合工作意義深遠(yuǎn)。”后來，牛頓在前人研究的基礎(chǔ)上總結(jié)提出了，牛頓第一定律，也就是慣性定律，至此人類對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系才算有了正確的認(rèn)識(shí)。

三、客觀評(píng)價(jià)亞里士多德的貢獻(xiàn)

通過兩次“正面交鋒”，學(xué)生對(duì)亞里士多德產(chǎn)生偏見，給學(xué)生一個(gè)錯(cuò)覺：亞里斯多德這個(gè)人很“笨”，總是提出錯(cuò)誤觀點(diǎn)，阻礙了社會(huì)的進(jìn)步。如何引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)、公正評(píng)價(jià)亞里斯多德是一個(gè)重要教育資源和教育契機(jī)。首先，可以引用伽利略對(duì)亞里斯多德的評(píng)價(jià)：“老實(shí)說我贊成亞里士多德的著作，并精心進(jìn)行研究，我只是責(zé)備那些把自己淪為亞里士多德奴隸的人?！逼浯?，正確看待亞里士多德的貢獻(xiàn)與歷史局限性。教學(xué)中需要講清楚：（1）亞里士多德對(duì)人類的貢獻(xiàn)是巨大的，他傳世著作有47部，是許多學(xué)科（包括哲學(xué)、生物學(xué)、教育學(xué)等）的奠基人。（2）亞里斯多德的很多觀點(diǎn)錯(cuò)誤，和他所處時(shí)代科學(xué)水平有密切關(guān)系，在亞里斯多德所處的時(shí)代科學(xué)還在萌芽階段，人類積累的科學(xué)知識(shí)有限、科學(xué)研究的方法、儀器更有限。（3）科學(xué)研究中，提出問題比解決問題更重要。提出問題是研究與解決問題的前提和基礎(chǔ)，雖然他的不少觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，但是他提出問題就是對(duì)科學(xué)研究的巨大貢獻(xiàn)。正是他提出問題，才促進(jìn)了其他人去進(jìn)行研究。

（作者單位：廣東中山東升高級(jí)中學(xué)）

本欄責(zé)任編輯 李 淳