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1、牛頓運(yùn)動(dòng)定律的歷史追問與現(xiàn)實(shí)教學(xué) 作者簡介：張維善，北京教育學(xué)院教授,原副院長。1965年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系。多年從事普通物理和理論物理教學(xué)。近年介入中學(xué)物理教育研究和教科書編寫。編著有《近代物理基礎(chǔ)》、《電磁場與電磁波》等10多部著作,發(fā)表《物理科學(xué)進(jìn)展與中學(xué)教學(xué)內(nèi)容改革》等論文30多篇?！ ≌罕疚耐ㄟ^對牛頓運(yùn)動(dòng)定律確立過程的歷史追問，探索科學(xué)定律的確立過程與現(xiàn)實(shí)教學(xué)的關(guān)系?！ ￡P(guān)鍵詞：牛頓運(yùn)動(dòng)定律；歷史追問；現(xiàn)實(shí)教學(xué) 1問題的提出 1687年，牛頓在他的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（以下簡
2、稱《原理》）一書中，提出了三條運(yùn)動(dòng)定律，它們構(gòu)成了動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。因此，牛頓運(yùn)動(dòng)定律在高中物理教學(xué)中具有重要地位和作用。 但是，在高中物理教學(xué)中講授牛頓運(yùn)動(dòng)定律，尤其是講授牛頓第二定律時(shí)，并沒有按照牛頓第二定律確立的歷史過程和線索進(jìn)行講授，而是在首先給出力和質(zhì)量的單位及它們的量度方法后，通過學(xué)生對加速度與力、加速度與質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)探究得出了牛頓第二定律。對此，有一種意見認(rèn)為，這樣的教學(xué)結(jié)構(gòu)有違史實(shí)，尤其是掩蓋了正是在牛頓第二定律建立的過程中，才確立了力和質(zhì)量如何量度的科學(xué)內(nèi)涵，是不可取的。于是，建議按照第二定
3、律確立過程的歷史發(fā)展線索，重新設(shè)計(jì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律的教學(xué)結(jié)構(gòu)和線索?！ ∵@就出現(xiàn)了兩個(gè)問題。第一，現(xiàn)行的牛頓第二定律的教學(xué)結(jié)構(gòu)和線索是否真的是不可取的；第二，如何設(shè)計(jì)一種新的教學(xué)結(jié)構(gòu)和線索，既符合牛頓第二定律確立的歷史過程，特別是這一過程中前輩科學(xué)家的思維方式，以便取其精髓，有所教益，又能與學(xué)生的已有基礎(chǔ)和認(rèn)知水平相銜接?！ ∥覀冋J(rèn)為，對牛頓運(yùn)動(dòng)定律的確立過程進(jìn)行必要的歷史追向，并探討科學(xué)定律的確立過程與現(xiàn)實(shí)教學(xué)的關(guān)系，對認(rèn)識和解決上述問題是有益的，甚至是不可缺少的?！ ?牛頓運(yùn)動(dòng)定律的歷史追向 2.1
4、第一定律 牛頓在《原理》中敘述的第一定律的中譯文是： 任何物體都保持靜止的或沿一條直線勻速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)?！ 〉谝欢苫蚪袘T性定律最早是伽俐略為質(zhì)疑亞里士多德關(guān)于力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的見解而提出的。他以兩個(gè)著名的理想實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論： 任何速度一旦施加給一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，只要除去加速或減速的外因，此速度就可保持不變?！ ∵@就是說，運(yùn)動(dòng)并不需要外界因素來維持。但是他又指出： 不過，這是只能在水平面上發(fā)生的一種情形。而他所講的水平面是各部分和地心等距離的球面，所以他所講的水平面上的
5、運(yùn)動(dòng)并不是直線運(yùn)動(dòng)。這表明，伽俐略關(guān)于慣性運(yùn)動(dòng)的表述并不準(zhǔn)確。 法國數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家笛卡爾基于運(yùn)動(dòng)量守恒的思想，對慣性運(yùn)動(dòng)作出了準(zhǔn)確的表述。他寫道： 運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是，如果物體處在運(yùn)動(dòng)之中，那么如果無其他原因作用的話，它將繼續(xù)以同一速度在同一直線方向上運(yùn)動(dòng)，既不停下也不偏離原來的方向。 這就突破了伽俐略所認(rèn)定的水平面的局限?！ ∨c笛卡爾同時(shí)代的法國學(xué)者伽桑狄也獨(dú)立地指出：在既無吸引亦無阻滯的虛空中，物體將沿原來運(yùn)動(dòng)的方向永恒地保持其均勻的運(yùn)動(dòng)?！ ∨ｎD的第二定律并非伽俐略和笛卡爾等人論述的簡單綜合。首先，他將
6、物體間復(fù)雜多樣的相互作用抽象為一個(gè)力，即把力定義為物體間的相互作用，而伽俐略、笛卡爾等都未曾建立起關(guān)于力的概念?！ 〈送?，人們一般總把靜止和運(yùn)動(dòng)相區(qū)別，但牛頓認(rèn)為靜止和勻速直線運(yùn)動(dòng)并無區(qū)別。雖然伽俐略也已認(rèn)識到這一點(diǎn)，但他和笛卡爾一樣，在確立各自的慣性原理表述時(shí)，都未曾把靜止?fàn)顟B(tài)包括于其中，牛頓則明確了這一點(diǎn)?！ 「鼮橹匾氖?，在牛頓的表述中，直接定義了兩個(gè)力學(xué)的基本概念，指出了它們的物理意義。一個(gè)是物體的慣性，它是物體本身具有的保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的性質(zhì)，并被他直接說成是物體抵抗運(yùn)動(dòng)變化的能力；另一個(gè)就是力，這
7、是迫使一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的別的物體對它的作用?！ ∵€有，由于靜止或運(yùn)動(dòng)只有相對一定的參考系才有意義，所以第一定律實(shí)際上也定義了一種參考系。在這種參考系中觀察，一個(gè)不受力的物體將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這就叫做慣性參考系。同時(shí)，這表明，牛頓已經(jīng)明確，并非任何參考系都是慣性系?！ ≈档弥赋龅氖?，牛頓為建立他的力學(xué)體系，在挑選作為其基礎(chǔ)的定律時(shí)，曾提出過四條、五條、六條運(yùn)動(dòng)定律，最后才確定為三條，但每次他都把慣性定律作為第一條基本定律。這是因?yàn)椴皇紫却_定與慣性定律相聯(lián)系的慣性系，就無法正確地表述其他定律。
8、因此，第一定律是動(dòng)力學(xué)的出發(fā)點(diǎn)和基石。 總之，第一定律定性地指出了力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。那么，力和運(yùn)動(dòng)的定量關(guān)系是什么呢？這就又引發(fā)出兩個(gè)問題。一個(gè)是，力應(yīng)該如何量變，或者說怎樣給出力的操作性定義？牛頓把這一問題的回答留給了第二定律。另一個(gè)是，物體的慣性如何量變？雖然要真正回答這一問題是第一定律力所不能及的，但牛頓還是指出了物質(zhì)的量同物體的慣性成正比?？梢?，牛頓已把慣性的量變和質(zhì)量聯(lián)系起來。在牛頓那里，
