牛頓第一定律情景劇活動方案

徐光永

筆者精心導演一幕以牛頓第一定律的發展史為線索的穿越劇，在課堂上讓五位學生表演.

其中的一位學生扮演當代的中學生，通過時光隧道，分別穿越到公元前4世紀的古希臘、16世紀的意大利、17世紀的法國和英國，分別聆聽亞里士多德、伽利略、笛卡兒和牛頓等大師對力與運動關系的精彩描述.

投影儀打出一位中國學生穿越到公元前4世紀的古希臘雅典柏拉圖學院的背景.

學生：尊敬的亞里士多德先生，我知道您是一位集哲學家、教育家、物理學家和生物學家于一身的大師，你的著作涉及到邏輯學、修辭學、物理學、生物學、教育學、心理學、政治學、經濟學、美學和博物學等，據說有四百到一千部，您的講課被認為是古希臘思想的百科全書.我從遙遠的中國來到這里，向你請教.

亞里士多德：不敢當，歡迎來自中國的貴賓.我們先來做個實驗：用手推車，車就前進，停止用力，車就停止.對此，你有什么看法？

學生：用手推車，車受到了力的作用就前進，停止用力，車不受力的作用就停止，說明物體的運動是受到力作用的結果.

亞里士多德：了不起，中國人真是太聰明了，這就是我最新的發現：力是維持物體運動的原因.哈哈哈！（退出表演）

投影儀播出亞里士多德的觀點在科學界統治了長達近兩千年之久.

學生：不對呀，據說亞里士多德的這一觀點是被伽利略否定的呀，我得去拜訪伽利略.

投影儀打出這位中國學生穿越到16世紀意大利的比薩大學教學樓的背景.

學生：尊敬的伽利略先生，我知道您是一位集文學家、力學家、哲學家、物理學家和數學家于一身的大師，是近代實驗科學的先驅者.聽說您對亞里士多德先生“力是維持物體運動的原因”的觀點持不同的看法？

伽利略：是的.我們先來做這樣的實驗：同一小車從同樣光滑斜面的同一高度處滑下，接著在表面材料不同（毛巾、棉布、木板）的水平面上繼續運動，分別停在不同的地方，如圖1所示.你能分析其中的原因嗎？

學生：讓同一小車從同樣光滑斜面的同一高度滑下，目的使小車獲得相同的速度.而毛巾表面最粗糙，小車受到的摩擦阻力最大，運動得最近;棉布次之，木板表面比較光滑，小車受到的摩擦阻力最小，運動得就最遠.

伽利略：如果小車運動的水平面非常光滑，請猜想一下，小車將怎樣運動？

學生：小車在光滑的水平面上可能永遠運動下去.

伽利略：中國的學生就是聰明，我也是這么思考的.現在你能找到我否定亞里士多德“力是維持物體運動的原因”的根據了嗎？

學生：找到了.小車停下來的原因是小車受到了摩擦阻力，阻力越大，小車越容易停下來，這就否定了“無力則停”的觀點;當水平面摩擦力越小，小車停下來要走的路程就越長，小車不受阻力時將永遠運動下去，也就否定了“有力則動”的觀點.很顯然，“力是維持物體運動的原因”的觀點是錯誤的.

伽利略：講得好.請你再看我新設計的一個實驗，如圖2所示.這是兩個對接的斜面，讓靜止的小球沿一個斜面滾下，小球將滾上另一個斜面.如果斜面做得非常光滑，你想想看，小球的運動有何特點？

學生：小球將上升到原來釋放時的高度.

伽利略：現在減小第二個斜面的傾角，最后使它成水平面，此時小球的運動有何特點？

學生：小球在該斜面上仍然要達到原來的高度.當傾角為0，即小球在水平面上運動時，小球因為永遠也到不了原來的高度，所以沿水平面將永遠的運動下去.

伽利略：亞里士多德認為物體有力才運動，無力就停止;而剛才的實驗得出的結論是物體無力才運動，有力就停止.當然這里說的力是阻力，而亞里士多德描述中的力是動力.動力使物體由靜止變為運動，阻力使物體由運動變為靜止，但不論動力也好，阻力也罷，說力是維持物體運動的原因顯然是不妥的.

投影讓17世紀的笛卡兒和牛頓一塊穿越到伽利略的實驗中來.

學生：尊敬的笛卡兒先生，您是法國著名的數學家、科學家和哲學家，據說您對伽利略的觀點很有見地，是真的嗎？

笛卡兒：是的.我同意伽利略的觀點，并作這樣的補充：如果沒有其他原因，運動的物體將繼續以同一速度沿著一條直線運動，既不會停下來，也不會偏離原來的方向.

學生：你的說法已經逼近牛頓描述的勻速直線運動了.尊敬的牛頓爵士，你是人類歷史上出現過的最偉大、最有影響的物理學家、數學家和哲學家，是中國人民最崇拜的偶像，你是怎樣將伽利略的發現，上升為用你的名字命名的牛頓第一定律的？

牛頓：我可沒有給自己的發現命名呀.伽利略的發現是一個劃時代的貢獻，沒有伽利略的發現，就不可能有我的所謂牛頓第一定律.伽利略和笛卡兒對物體的運動都作了準確的描述，但是沒有指明其本質原因是什么，這個原因跟運動有怎樣的關系.我是從力與運動的本質關系入手，對伽利略的發現進行概括，得出力不是維持物體運動的原因，而是改變物體運動狀態的原因.因為一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，直到有外力迫使它改變這種狀態為止.

伽利略：笛卡兒和牛頓的補充和深化，使我的研究成果產生了深遠的影響，尤其是牛頓從力與運動的關系進行概括，成為力學的經典定律，真是站得高、看得遠啊，實在佩服.

牛頓：那是我站在你們這些巨人的肩膀上的緣故罷了.其實，我不過就像是一個在海濱玩耍的小孩，為不時發現比尋常更為光滑的一塊卵石或比尋常更為美麗的一片貝殼而沾沾自喜，而對于展現在我面前的浩瀚的真理的海洋，卻全然沒有發現.我要好好感謝你們，向你們學習才對.

學生：這次穿越，使我對牛頓第一定律誕生的過程有了更深刻的認識，它經歷了兩千多年時間的跨越，經過了從感性認識到理性認識的躍遷，凝聚了無數物理學家的求真、求善、求美的人文精神，在物理學史上將永遠閃耀著奇光異彩.（謝幕）