牛顿运动定律与批判性思维

郑 丹

(华中师范大学物理科学与技术学院,湖北武汉 430079)

批判性思维存在于认识的整个过程,是创造性思维的基础,而创造性思维则是批判性思维发展的必然结果,是认识的目的.科学研究离不开批判性思维和创造性思维,牛顿运动三定律的提出过程就能很好的体现批判性思维在物理学发展中的重要作用.

1 运动第一定律的发展过程

古代的自然运动是一个广泛注意并做了很多研究的题目.亚里士多德在《物理学》中,把一切运动分为自然运动和强制运动两种,他对自然运动的定义是:被自身推动的运动者是自然地运动的.伽利略约在1590年写的《论运动》手稿中批判了亚里士多德的这种说法,他认为水平面上的物体运动就不具备这种性质,初步提出了惯性概念的想法.伽利略把向地球中心落下的运动和惯性运动都称作自然运动,这与古希腊哲学家们(如伊壁鸠鲁和亚里士多德等)把重量看作物体的特质或属性之一的看法不同.

开普勒在《行星的原因》中,认为惯性是一种与重量类似的东西,天体没有它就不会有一种力量使它们从所在的地方运动.他又认为凡物质必须有惯性,只有惯性才能说明运动的差异.他从惯性是物质内在属性的观点所做的发展却受到笛卡尔和伽桑狄的批判.伽桑狄试图摆脱说明内部物质对运动无阻抗,他完全接受伊壁鸠鲁的原子惯性运动和不同重量的原子以相等的速度下降的观点.而笛卡尔在《哲学原理》中,不承认物质之内存在属性,认为客观存在的只是广延,物质或物体不过是一种广延,物质的本质就是广延的.他是在伽利略的基础上,把只限于水平线或水平面的条件推广到一切直线,而这样做的缺点是未限定“等速运动”这个前提,因为非水平面上的直线运动必然是加速运动.这些对牛顿后来的思想产生重要的影响,在此基础上提出了运动第一定律.

2 运动第二定律的发展过程

力与运动的关系在古代和近代物理学的发展中,都起过重要作用,力与机械运动变化的关系是近代物理学发展的基本课题.

伊壁鸠鲁认为原子运动和变化的原因有3种:(1)自然运动,即由重量引起的向下运动;(2)由冲撞引起的向下或侧向运动;(3)原子下落过程中因某种原因出现的偶然偏斜运动.后两者是强制运动.

亚里士多德却提出作用力与速度成比例的观点.这个观点主要是通过个别现象的粗略观察得出的思辨性看法,没有认真地做各种实验并进行分析比较.

文艺复兴运动后期,在意大利就出现怀疑和反对亚里士多德运动观的思潮.其中比较著名的是伽利略的比萨斜塔实验,他以雄辩的事实批判了亚里士多德的运动观,为加速度概念的出现准备了条件,并导致他的斜面落体实验和发现落体定律.从而奠定了动力学的基础,而动力学的出现又是近代物理学的起点.

质量的概念和定义在牛顿发现运动定律的过程中意义十分重大.牛顿在1684年发表的《论物体的运动》一书明确提出了“物质之量由密度和大小共同产生的”这个定义.1687年,牛顿发表了《自然哲学的数学原理》,开篇就对质量进行了定义:物质的量是用他的密度和体积一起来度量的.并且指出质量与重量成正比,因而可以由物质的重量得到它的质量.至此人们才真正把物体的重量和它的质量区分开来.

牛顿对质量概念的认识分静质量和动质量两个方面.静质量就是由物体的重量知道的,并与其重量成比例的物质之量;动质量就是物体得以继续保持其运动状态而对外力反抗的一种内在固有的力,对于惯性运动来说就是惯性质量,对于落体运动来说就是引力质量.[1]但是,水平面上的运动与落体和磁力作用产生的运动不同,因其作用力并不是持续地作用于一物体上,因此由水平面上得出的运动第二定律并不能用于落体运动.牛顿利用磁体在水平和垂直方向都可持续施力于铁块的特点,将二者联系起来,证明了惯性质量和引力质量等效,从而得出普遍的运动第二定律及其表示式.

两个世纪后,奥地利物理学家马赫对牛顿的质量概念提出了严厉的批判.他认为牛顿对质量的定义在逻辑上陷入了循环论证的怪圈.这是因为一方面质量由体积和密度决定,而另一方面又只能把密度定义为单位体积的质量.而且,把质量与运动完全分割开来,认为质量与运动无关,夸大了质量的不变性.没有真正区分惯性质量与引力质量等一系列在牛顿力学质量观上所显示的局限性也正是近代物理学进一步发展的切入点.[2]

3 运动第三定律的发展过程

运动第一和第二定律是关于物体惯性运动和打破惯性运动的定律,但是对于一个物体系统来说,必须存在作用和反作用或运动传递的问题,这就需要一个有关物体之间相互作用的定律加以补充.笛卡儿从运动变化的观点和莱布尼兹从活力的观点,分别研究过物体碰撞前后运动量的传递和守恒关系.在此基础上,牛顿却从力的观点研究了物体碰撞过程中相互作用的关系,在一般意义上说碰撞过程中力的关系更为基本些.在《原理》一书中牛顿正式提出运动第三定律:“对于每一个作用,永远有一个相反而相等的反作用,或者,二物体彼此的相互作用是永远相等的,并且指向相反的方向.”

4 批判性思维对学生的必要性

在信息爆炸的时代,知识的概念早已发生质的变化,要求每个人必须具备批判性吸收的能力,不只是专门工具和专业语言的运用、特殊技能的掌握,也不只是能够解决问题,知识的范围已扩展到“运用系统知识来解决未知问题,并且创造新的知识”[3],就是说创新也是知识的一个层面.因此,具备良好的批判性思维习惯,才能更有效地学习知识.

物理学是一门自然科学,要认识自然界的规律,并把这种认识转化为促进社会发展的生产力,这就要求物理学理论的“真”:在一定的条件与范围内的客观真理,能经得起实验和实践的检验.因此,人们在正确认识物理世界的过程中要具备高度的批判性.正如霍布森(Hobson)所说,“根本上说,科学是这样运作的:它把细心的观察和艰苦的思考——证据和智力——结合起来理解大自然.”“科学的最基本价值:一切观念都要接受经验的考验和批判理性思维的挑战.”[4]

为了有效培养学生的批判性思维能力,首先教师必须具备批判性思维能力,而且教师还需具备精深的专业知识,除了给学生传授知识外,还要创造学习情境,让学生产生认知冲突,提出问题,达到批判性思维的培养目的.其次教师还可以结合物理学史对学生进行科学态度和科学精神的教育.如利用物理学理论形成过程的史实材料,从亚士里多德对落体运动、运动和力关系的认识到伽利略对这些问题的探究;由牛顿光的微粒说,到惠更斯光的波动说,到麦克斯韦光的电磁波说,到爱因斯坦的光量子说;从古代人们对原子认识,到汤姆生的原子模型,到卢瑟福的原子核式模型,到玻尔的原子模型,到原子的量子理论等等,引导学生进行思考,分析,判断,评价等体验批判性思维活动的过程.最后教师还需关注科学技术发展与社会的关系,结合教学内容,把基本科学思维方法的教育渗透到教学中,发展学生的批判性思维,促进学生自主学习能力的养成.

1 阎康年.牛顿的科学发现与科学思想.长沙:湖南教育出版社.1989,134～158.

2 黄征、王世涛.质量概念的发展.物理通报.2006(4).

3 兰州大学化学系人才培养“基地”领导小组.深化教学改革,努力办好化学基础科学研究和教学人才培养基地.高等理科教育,1994(1).

4 朱铁成.物理思维的批判性、范畴及其培养.物理教师.2004(2).