例談《萬有引力與航天》中的物理學(xué)史教學(xué)

夏敏

摘要：著名哲學(xué)家馬赫認為：物理學(xué)史的教學(xué)是對學(xué)生進行富有成效的科學(xué)教學(xué)的一種輔助手段。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)通過物理學(xué)史知識來引導(dǎo)學(xué)生思考，順應(yīng)解決物理問題的邏輯和學(xué)生的思考邏輯來展開，構(gòu)建完整的“引力與航天”知識結(jié)構(gòu)，逐步深化學(xué)生對“萬有引力與航天”內(nèi)容的理解。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史教學(xué);萬有引力與航天;教學(xué)分析

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A???? 文章編號：1992-7711（2019）19-034-1

物理學(xué)是研究物體的基本運動規(guī)律和物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)的一門科學(xué)，物理學(xué)知識起源于自然現(xiàn)象之中，其中包含復(fù)雜的物理概念和物理規(guī)律。在物理教學(xué)中，部分高中生感覺物理難學(xué)、難懂，更難以應(yīng)用。例如，筆者在對人教版必修2第六章《萬有引力與航天》這一章節(jié)的教學(xué)調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生對這一章難以理解，甚至腦袋一片空白。究其原因，一方面是圓周運動的基礎(chǔ)知識掌握不牢固，另一方面是知識點和公式在學(xué)生頭腦中過于零散，并沒有形成有效的知識結(jié)構(gòu)。

為了解決學(xué)生難以理解的問題，筆者在此章節(jié)進行了適當?shù)奈锢韺W(xué)史知識滲透，以降低教學(xué)難度，激發(fā)學(xué)生興趣，幫助學(xué)生逐漸在頭腦中形成物質(zhì)結(jié)構(gòu)及物質(zhì)運動整體上的物理圖景，加深學(xué)生對物理概念的理解和對規(guī)律的掌握。

在以下內(nèi)容中，本文從行星的運動、萬有引力定律、萬有引力理論的成就、宇宙航行、經(jīng)典力學(xué)的局限性這幾部分內(nèi)容來說明物理學(xué)史的教學(xué)過程，并且對教師自身的要求做一些說明。

在“行星的運動”上課前，筆者可以首先介紹一些相關(guān)的物理學(xué)史知識來引入新課。比如：“地心說”和“日心說”之爭是宇宙發(fā)展史上的一個里程碑，提出兩個重要人物托勒密和哥白尼，兩種觀點地心說和日心說。隨著科技進步，“日心說”被證明是顛撲不破的真理。明確太陽的地位，指出行星繞太陽的運動是勻速圓周運動的模型。而實際情況是否如此呢？然后引出觀測家第谷，十年如一日地對行星的運動做了觀測，得出精確度較高的行星觀測數(shù)據(jù)。隨后，再引出第谷的學(xué)生開普勒對其數(shù)據(jù)進行整理分析，發(fā)現(xiàn)實際行星運動的數(shù)據(jù)并不如圓周運動那樣完美。尤其在這里，老師要加強對于開普勒的生平歷史介紹，開普勒的坎坷人生路，開普勒的悲歡離合，加深學(xué)生對開普勒的理解和同情，自然而然引出開普勒的偉大成就，即開普勒三大定律。然后再詳細介紹開普勒定律的內(nèi)容和開普勒定律的應(yīng)用。

太陽和行星之間的引力這節(jié)課內(nèi)容難度較大，難在內(nèi)容抽象，難在要建立運動模型的思想、要應(yīng)用牛頓運動定律以及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。單單一節(jié)課下來，很多學(xué)生聽下來云里霧里，不知學(xué)習目的，也不知這節(jié)內(nèi)容和其他章節(jié)有什么聯(lián)系。因此，在教學(xué)處理上，教師可以將太陽和行星間的引力和萬有引力定律的教學(xué)合并為一個整體，并且在教學(xué)過程中加強物理學(xué)史的教育，讓學(xué)生了解萬有引力定律得出的來龍去脈，形成完整的知識結(jié)構(gòu)，構(gòu)建萬有引力定律在整個知識結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)地位。比如在推導(dǎo)完成太陽和行星之間的引力的理論之后，科學(xué)家們又提出“什么力使得地面的物體不離開地球？”的問題，那就需要進行月地檢驗，于是又引出牛頓的蘋果，物理學(xué)史上被蘋果砸中的牛頓對引力的思考，地上的引力與天上的引力是否是統(tǒng)一重力的問題。此時，科學(xué)家就必須利用反證法進行思考：假如是同一種力滿足平方反比定律，那么在生活中能找到什么作為佐證？于是，科學(xué)家們開始求證月亮的數(shù)據(jù)，利用對月球觀測的數(shù)據(jù)驗證平方反比的正確性，最后得出是同一種力，從而得出萬有引力定律。

在萬有引力定律理論形成的過程中，有個關(guān)鍵人物叫卡文迪許。教師可以用“地球的質(zhì)量是多少？地球可以用天平來稱重嗎？”這樣的問題引出著名的英國物理學(xué)家卡文迪許。卡文迪許說他的實驗是稱量地球的質(zhì)量。圍繞如何稱地球的質(zhì)量進行理論推導(dǎo)，原來只要知道地面的重力加速度、地球的半徑、和引力常量就能計算出地球的質(zhì)量。當然此方法測量地球質(zhì)量是有前提條件的，這個條件就是重力等于萬有引力。那么，實際是否相等呢？老師引導(dǎo)學(xué)生深入思考，分析地球上物體重力與萬有引力的關(guān)系，得出只有在忽略地球自轉(zhuǎn)的情況下重力才能看做等于萬有引力。只能通過此途徑測出天體質(zhì)量嗎？再引出運用天體圓周運動的模型來測量天體的質(zhì)量。當然，發(fā)現(xiàn)未知天體的除了卡文迪許還有其他人物，教師還可以介紹亞當斯、勒維耶、伽樂等人在完成萬有引力理論方面作出的貢獻。

宇宙航行的內(nèi)容抽象綜合能力要求高，切入點還是物理學(xué)史曾經(jīng)牛頓對萬有引力定律的設(shè)想，在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓設(shè)想，拋出的物體速度很大時，物體就不會落回地面。然后理論分析物體不落回地面的最小速度，即物體成為地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，第一宇宙速度。是否只要滿足宇宙速度就能完成衛(wèi)星的發(fā)射呢？再涉及發(fā)射速度、環(huán)繞速度、三個宇宙速度、幾種不同衛(wèi)星以及衛(wèi)星的變軌等方面的教學(xué)。在此過程中，教師應(yīng)以歷史上牛頓的思考為切入點，結(jié)合歷史上衛(wèi)星發(fā)射的理論進階，讓學(xué)生從頭到尾搞清楚什么是宇宙航行，怎么進行宇宙航行。

經(jīng)典力學(xué)的局限性雖然與考試內(nèi)容關(guān)系不大，但也是本章不可缺少的知識構(gòu)成，不可忽略不計。沿著科學(xué)的足跡，從宏觀到微觀，從弱力到強力，學(xué)生可以通過自主學(xué)習的形式完成學(xué)習。因此，通過環(huán)環(huán)相扣，《萬有引力與航天》這一章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容就完成了。教師通過對科學(xué)歷史的介紹，使學(xué)生更加明白科學(xué)不是坦途，人生不是坦途;作為一個有追求的人，既要心懷美好，也要追求理性;要不懼挑戰(zhàn)，更要堅持到底攀登人生高峰。

總之，在物理教學(xué)中引入物理學(xué)史知識的例子還很多，本文只是以《萬有引力與航天》這一章節(jié)為例進行了淺析。筆者認為，應(yīng)用物理學(xué)史教學(xué)可以激發(fā)學(xué)生興趣，幫助學(xué)生理解物理知識。作為物理教師，我們需要不斷學(xué)習不斷提升專業(yè)水平，有效地將物理學(xué)史知識滲透在物理教學(xué)之中，以提高教學(xué)效率。

（作者單位：南京市天印高級中學(xué)，江蘇 南京211100）