落體觀念的演變對科學觀念教育的啟示

張福林

(北京市順義區(qū)第一中學 北京 101300)

科學觀念是由于科學知識的長期積累及科學方法的多次卓有成效的運用后，使人們深信某些知識與方法具有更為深刻與普遍的意義，從而在信念、世界觀、價值論等方面引起較為深刻的變化，并形成穩(wěn)定的取向，它使一些基本科學規(guī)律、科學原理被提升到判斷是非標準的地位，形成一種科學的理性.愛因斯坦曾經說過：“物理教學不應該教成一堆技術，而應教成思想觀念的詩劇.應該強調思想觀念的演變，強調我們企圖了解物理世界的歷史，以使學生具備洞察未來的能力.”由此可見，在高中物理教學中開展培養(yǎng)學生科學觀念的教育顯得尤為重要.

在多年自由落體運動教學中，越發(fā)感到自由落體運動教學對于培養(yǎng)學生的科學觀念具有重要價值.本文以落體觀念演變?yōu)槔龑υ诟咧形锢碇腥绾闻囵B(yǎng)學生科學觀念做些探討，以求對物理教學有所啟發(fā).

1 物理環(huán)境對亞里士多德落體觀念形成的影響及啟示

我們知道，亞里士多德的落體觀念是：越重的物體下落得越快.我們現(xiàn)代人認為亞里士多德的落體觀念是不對的.但是我們要追問：亞里士多德的落體觀念是不是就沒有根據？不是，這種觀念的得出是與當時的物理環(huán)境相契合的.

直覺經驗：自然界中的四元素火、氣、水、土的分布有一定層次，火與氣自發(fā)向上運動，水與土自發(fā)向下運動.(亞里士多德把那些在沒有其他干擾的條件下總是向上運動的東西稱為輕物體，總是向下運動的物體稱作重物體.

歸納前提：四元素均各有其自然位置，火在最上、氣次之、水再次之，土在最下.火、氣、水、土四元素按其自然本性趨向其自然位置.

演繹結論：物體越重，則趨向其自然位置的傾向就越強，下落的速度就越快，所以重物自由下落的速度與其重量成正比.這就是著名的亞里士多德的落體觀念.

啟示：物理環(huán)境與經歷對觀念的形成有著重要的影響.形成什么樣的觀念是與人的自身經歷的客觀環(huán)境息息相關的，我們對學生進行科學觀念教育必須營造科學的教育環(huán)境.

2 亞里士多德研究落體運動的方法對觀念形成的影響與啟示

亞里士多德研究落體運動的方法,如圖1所示,從經驗與直覺出發(fā)歸納得出前提，并作為絕對真理，然后在此前提的基礎上進行演繹.

圖1 亞里士多德研究落體運動的方法

研究方法的局限：

(1)從直覺經驗出發(fā)歸納出前提——而直覺經驗有時不一定可靠，直覺經驗可能掩蓋事實真相.

(2)沒有把理性思維與實驗檢驗相結合，不注意用實驗檢驗理性思維結果.(由于當時實驗條件的限制，客觀上造成了不注意用實驗檢驗的現(xiàn)實)

啟示：研究方法的局限性制約著觀念適用的局限性，方法的科學與否決定著所形成觀念是否科學.

3 意識對觀念形成的影響

人們不禁要問：亞里士多德這個偉大的人物，難道不知道物體下落時會受到阻力嗎？這一點亞里士多德是知道的.亞里士多德認為，由于媒質的阻力，下落的速度應當變小.但是亞里士多德并沒有做出進一步的推斷：在沒有任何介質阻力的真空，所有物體將以同樣的速度下落——因為亞里士多德認為不存在真空.

啟示：潛意識對觀念的形成有著重要的牽制作用，培養(yǎng)學生的科學觀念要考慮學生的潛意識.

4 伽利略否定亞里士多德落體觀念所帶來的啟示

亞里士多德有這樣的觀點：“從100肘高處下落的100磅重的鐵球，比從1肘高處下落的1磅重的鐵球先落到地面”.這個觀點引起了伽利略的懷疑.

證偽：1638年，伽利略在寫他的《兩門新科學》一書中設計了一個“落體佯謬”的理想實驗，如圖2所示，來否定亞里士多德的落體運動觀點.

圖2 伽利略設計的“落體佯謬”實驗示意圖

設：m——v、M——V，

啟示： 自洽與否是檢驗觀念是否合理的重要標志，敢于質疑才可能認識觀念、澄清觀念、打破舊觀念，懷疑與證偽是打破舊觀念的重要手段.

5 伽利略研究方法對落體觀念形成的影響及啟示

(1)問題:在當時還不能獲得真空的條件下，伽利略是怎樣知道輕重不同的物體在真空里的下落情況呢？

伽利略設想了一個理想實驗如圖3所示，用金、鉛和木頭做3個球.他在思想中讓這3個球在水銀、水里和空氣中下落.在水銀里，只有金球往下落.在水里金球和鉛球往下落，而金球下落得比鉛球更快.在空氣中3個球都下落.這時金球與鉛球下落速度沒有差別，只有木球下落得稍慢一些.

圖3 伽利略設想的理想實驗

接著，他做了如下巧妙的論證：如果我們事實上發(fā)現(xiàn)重量不同的物體在媒質中下落時，他們的速度差別隨媒質的密度減小而減小，而且媒質非常稀薄時這一差別非常小而不能被觀察，于是就得出了物體在真空中下落的重要結論.他在《兩門新科學》中寫到：“鑒于這點，我認為如果人們完全排除空氣阻力，那么，所有物體將下落得同樣快.”——人們稱他的這種推論方法為“外推法”.

(2)問題：自由落體下落的速度越來越快，自由落體運動的性質如何？下落速度是與下落的距離成正比還是與下落的時間成正比？

伽利略很快發(fā)現(xiàn)：如果假設“下落速度與下落的距離成正比”，這個假設會導致謬誤.

如圖4所示，如果，物體從靜止開始下落第一段距離h后得到某一速度v.

物體從靜止開始下落第一段距離2h后得到某一速度2v.

伽利略認為，將會得到物體由靜止開始下落2h的距離所用的時間與物體從靜止開始下落h距離所用的時間一樣.這同客觀事實不符，于是他轉向了第二個假設.

圖4 下落速度與下落距離示意圖

(3)驗證第二個假設，下落的速度與下落的時間成正比.

1)合理的假設：在下落過程中物體得到的速度與下落的時間成正比——叫勻加速運動.

2)問題：如何檢驗自由落體的速度隨時間均勻增加,v=at？

在伽利略年代技術上的困難：沒有直接測量瞬時速度的儀器，要直接測量迅速下落的物體各瞬時對應的位置是很困難的，當時只能測量運動較長距離及所用的時間.

3)轉換問題：伽利略給出了轉換問題的思路,根據某一假設所得到的推論如果嚴格符合實驗結果，該假設的真實性便得到了確證.

在做了上述理論分析后，伽利略就力圖用實驗來驗證這一關系.

5)斜面上的實驗——“沖淡重力、減緩”自由落體運動，如圖5所示.

圖5 斜面實驗

②當斜面的傾角改變時，比值也隨之改變，但規(guī)律的形式不變.

進而證明：在斜面上的運動v正比于t.

6)合理外推——將斜面立直,即成為自由落體運動，如圖6所示.

圖6 斜面直立示意圖

驗證了自由落體是勻加速直線運動.

(4)落體觀念的證實——現(xiàn)在的實驗手段

1)利用毛錢管實驗證明在真空中不同物體自由下落的速度都一樣,如圖7所示.

圖7 毛錢管實驗

2)用打點計時器驗證自由落體運動是勻加速運動,如圖8所示.

圖8 打點計時器驗證自由落體運動實驗

在教學中發(fā)現(xiàn)，通過毛錢管實驗使學生對伽利略落體觀念深信不疑.

啟示：求真是形成觀念的出發(fā)點，思考是形成觀念的內因，證實是觀念形成的根基.實踐是檢驗觀念正確與否的標準.科學方法有助于形成科學理念，科學理念又促進科學方法科學實施.伽利略研究方法的精髓：理性思維與實驗相結合的方法.正如伽利略在《兩門新科學》中寫到：“我們可以說，大門已經向新方法打開，這種將帶來大量奇妙成果的新方法，在未來年代里會博得許多人的重視.” 愛因斯坦說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所用的科學方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端.”

6 社會環(huán)境對觀念傳播的影響與啟示

亞里士多德的落體觀念為什么能延續(xù)近2 000年的時間？ 這是由于亞里士多德的很多話都富有哲理,他的很多觀點(如亞里士多德認為，地球是宇宙的中心)又與基督教的教義一致，亞里士多德不幸地被奉做了神明.在迷信權威及宗教干預下，亞里士多德的落體觀念延續(xù)了近2 000年.伽利略冒著違反基督教教義的危險對亞里士多德落體運動觀念的懷疑，對傳統(tǒng)錯誤觀念發(fā)出挑戰(zhàn)！伽利略一生與傳統(tǒng)的錯誤觀念進行了不屈不撓的斗爭，由于他的科學主張違反了基督教教義，1633年被羅馬宗教判刑入獄.時隔346年，于1979年羅馬教廷才為他“恢復名譽”.

啟示：打破舊觀念建立新觀念，需要解放思想，需要懷疑態(tài)度、 探究的精神和堅持真理的勇氣.打破舊觀念的束縛是傳播新觀念的前提，傳播科學觀念需要良好的社會環(huán)境.正如伽利略對亞里士多德的評價所講：“老實說，我贊成亞里士多德的著作，并精心地加以研究.我只是責備那些使自己完全淪為他的奴隸的人，變得不管他講什么都盲目地贊成，并把他的話一律當作絲毫不能違抗的圣旨一樣，而不深究其他任何依據.”

7 結束語

高中物理中所蘊藏的科學觀念，如實證(根據)的觀念、邏輯與自洽、質疑與被質疑、否定與包容、辯證的觀點、系統(tǒng)與聯(lián)系、絕對與相對、精確與近似、轉化與轉換等.培養(yǎng)學生的科學觀念要成為物理教學的自覺，在物理教學中，要將知識、技能、思想、方法、情感、態(tài)度、價值觀相統(tǒng)一.在培養(yǎng)科學觀念的過程中貫穿著人與自然、人與社會、人與自身的關系，教育者要充分利用好這種關系，在傳授知識、培養(yǎng)能力的同時，發(fā)揮物理教學所固有的教育功能.