牛頓運動定律與批判性思維

鄭 丹

(華中師范大學物理科學與技術學院,湖北武漢 430079)

批判性思維存在于認識的整個過程,是創造性思維的基礎,而創造性思維則是批判性思維發展的必然結果,是認識的目的.科學研究離不開批判性思維和創造性思維,牛頓運動三定律的提出過程就能很好的體現批判性思維在物理學發展中的重要作用.

1 運動第一定律的發展過程

古代的自然運動是一個廣泛注意并做了很多研究的題目.亞里士多德在《物理學》中,把一切運動分為自然運動和強制運動兩種,他對自然運動的定義是:被自身推動的運動者是自然地運動的.伽利略約在1590年寫的《論運動》手稿中批判了亞里士多德的這種說法,他認為水平面上的物體運動就不具備這種性質,初步提出了慣性概念的想法.伽利略把向地球中心落下的運動和慣性運動都稱作自然運動,這與古希臘哲學家們(如伊壁鳩魯和亞里士多德等)把重量看作物體的特質或屬性之一的看法不同.

開普勒在《行星的原因》中,認為慣性是一種與重量類似的東西,天體沒有它就不會有一種力量使它們從所在的地方運動.他又認為凡物質必須有慣性,只有慣性才能說明運動的差異.他從慣性是物質內在屬性的觀點所做的發展卻受到笛卡爾和伽桑狄的批判.伽桑狄試圖擺脫說明內部物質對運動無阻抗,他完全接受伊壁鳩魯的原子慣性運動和不同重量的原子以相等的速度下降的觀點.而笛卡爾在《哲學原理》中,不承認物質之內存在屬性,認為客觀存在的只是廣延,物質或物體不過是一種廣延,物質的本質就是廣延的.他是在伽利略的基礎上,把只限于水平線或水平面的條件推廣到一切直線,而這樣做的缺點是未限定“等速運動”這個前提,因為非水平面上的直線運動必然是加速運動.這些對牛頓后來的思想產生重要的影響,在此基礎上提出了運動第一定律.

2 運動第二定律的發展過程

力與運動的關系在古代和近代物理學的發展中,都起過重要作用,力與機械運動變化的關系是近代物理學發展的基本課題.

伊壁鳩魯認為原子運動和變化的原因有3種:(1)自然運動,即由重量引起的向下運動;(2)由沖撞引起的向下或側向運動;(3)原子下落過程中因某種原因出現的偶然偏斜運動.后兩者是強制運動.

亞里士多德卻提出作用力與速度成比例的觀點.這個觀點主要是通過個別現象的粗略觀察得出的思辨性看法,沒有認真地做各種實驗并進行分析比較.

文藝復興運動后期,在意大利就出現懷疑和反對亞里士多德運動觀的思潮.其中比較著名的是伽利略的比薩斜塔實驗,他以雄辯的事實批判了亞里士多德的運動觀,為加速度概念的出現準備了條件,并導致他的斜面落體實驗和發現落體定律.從而奠定了動力學的基礎,而動力學的出現又是近代物理學的起點.

質量的概念和定義在牛頓發現運動定律的過程中意義十分重大.牛頓在1684年發表的《論物體的運動》一書明確提出了“物質之量由密度和大小共同產生的”這個定義.1687年,牛頓發表了《自然哲學的數學原理》,開篇就對質量進行了定義:物質的量是用他的密度和體積一起來度量的.并且指出質量與重量成正比,因而可以由物質的重量得到它的質量.至此人們才真正把物體的重量和它的質量區分開來.

牛頓對質量概念的認識分靜質量和動質量兩個方面.靜質量就是由物體的重量知道的,并與其重量成比例的物質之量;動質量就是物體得以繼續保持其運動狀態而對外力反抗的一種內在固有的力,對于慣性運動來說就是慣性質量,對于落體運動來說就是引力質量.[1]但是,水平面上的運動與落體和磁力作用產生的運動不同,因其作用力并不是持續地作用于一物體上,因此由水平面上得出的運動第二定律并不能用于落體運動.牛頓利用磁體在水平和垂直方向都可持續施力于鐵塊的特點,將二者聯系起來,證明了慣性質量和引力質量等效,從而得出普遍的運動第二定律及其表示式.

兩個世紀后,奧地利物理學家馬赫對牛頓的質量概念提出了嚴厲的批判.他認為牛頓對質量的定義在邏輯上陷入了循環論證的怪圈.這是因為一方面質量由體積和密度決定,而另一方面又只能把密度定義為單位體積的質量.而且,把質量與運動完全分割開來,認為質量與運動無關,夸大了質量的不變性.沒有真正區分慣性質量與引力質量等一系列在牛頓力學質量觀上所顯示的局限性也正是近代物理學進一步發展的切入點.[2]

3 運動第三定律的發展過程

運動第一和第二定律是關于物體慣性運動和打破慣性運動的定律,但是對于一個物體系統來說,必須存在作用和反作用或運動傳遞的問題,這就需要一個有關物體之間相互作用的定律加以補充.笛卡兒從運動變化的觀點和萊布尼茲從活力的觀點,分別研究過物體碰撞前后運動量的傳遞和守恒關系.在此基礎上,牛頓卻從力的觀點研究了物體碰撞過程中相互作用的關系,在一般意義上說碰撞過程中力的關系更為基本些.在《原理》一書中牛頓正式提出運動第三定律:“對于每一個作用,永遠有一個相反而相等的反作用,或者,二物體彼此的相互作用是永遠相等的,并且指向相反的方向.”

4 批判性思維對學生的必要性

在信息爆炸的時代,知識的概念早已發生質的變化,要求每個人必須具備批判性吸收的能力,不只是專門工具和專業語言的運用、特殊技能的掌握,也不只是能夠解決問題,知識的范圍已擴展到“運用系統知識來解決未知問題,并且創造新的知識”[3],就是說創新也是知識的一個層面.因此,具備良好的批判性思維習慣,才能更有效地學習知識.

物理學是一門自然科學,要認識自然界的規律,并把這種認識轉化為促進社會發展的生產力,這就要求物理學理論的“真”:在一定的條件與范圍內的客觀真理,能經得起實驗和實踐的檢驗.因此,人們在正確認識物理世界的過程中要具備高度的批判性.正如霍布森(Hobson)所說,“根本上說,科學是這樣運作的:它把細心的觀察和艱苦的思考——證據和智力——結合起來理解大自然.”“科學的最基本價值:一切觀念都要接受經驗的考驗和批判理性思維的挑戰.”[4]

為了有效培養學生的批判性思維能力,首先教師必須具備批判性思維能力,而且教師還需具備精深的專業知識,除了給學生傳授知識外,還要創造學習情境,讓學生產生認知沖突,提出問題,達到批判性思維的培養目的.其次教師還可以結合物理學史對學生進行科學態度和科學精神的教育.如利用物理學理論形成過程的史實材料,從亞士里多德對落體運動、運動和力關系的認識到伽利略對這些問題的探究;由牛頓光的微粒說,到惠更斯光的波動說,到麥克斯韋光的電磁波說,到愛因斯坦的光量子說;從古代人們對原子認識,到湯姆生的原子模型,到盧瑟福的原子核式模型,到玻爾的原子模型,到原子的量子理論等等,引導學生進行思考,分析,判斷,評價等體驗批判性思維活動的過程.最后教師還需關注科學技術發展與社會的關系,結合教學內容,把基本科學思維方法的教育滲透到教學中,發展學生的批判性思維,促進學生自主學習能力的養成.

1 閻康年.牛頓的科學發現與科學思想.長沙:湖南教育出版社.1989,134～158.

2 黃征、王世濤.質量概念的發展.物理通報.2006(4).

3 蘭州大學化學系人才培養“基地”領導小組.深化教學改革,努力辦好化學基礎科學研究和教學人才培養基地.高等理科教育,1994(1).

4 朱鐵成.物理思維的批判性、范疇及其培養.物理教師.2004(2).