让物理大师“再现”课堂例举

晏廷飞

挖掘物理学史素材，并有机渗透于日常教学中，能让学生感受大师风采和物理学魅力，可以更好让学生了解物理知识的发生、发展过程和科学研究基本方法，促进对知识本质的理解，体会科学研究和人类文明形成之不易。在高中物理教学中渗透物理学史可以让学生从中得到启示、开阔眼界，从前人经验中吸取营养，培养学生健全的人格，在教学中实现注重学生“科学和人文”的双重发展，能够较为有效地激发学生学习物理的兴趣。在高中物理中许多物理学家的事迹感人至深，崇高的科学研究精神令人敬佩。学生迈入高中最先接触到的物理学家是亚里士多德和伽利略。在高中物理必修1中，伽利略不畏惧、不迷信权威，两次和前辈亚里士多德“正面交锋”，并完胜，在学生心目中留下了深刻影响。重视伽利略及其事迹在物理教学中重要价值，这是我进行“让物理大师‘再现课堂”的一次教学实践。

一、介绍大师，感受大师风采

为了让学生感受到大师的风采，在教学中有必要给学生系统介绍伽利略的生平、典型故事、重要贡献等。

伽利略1564年2月15日生于比萨一个乐师和数学家之家，是意大利物理学家和天文学家，“近代科学之父”。爱好机械、数学和音乐、诗画，喜欢做水磨、风车、船舶模型。

对力学的广泛研究，得到了落体定律。他的两部著作：《关于托勒密与哥白尼两大世界体系的对话》（1632年）和《关于力学和运动两种新科学的谈话》（1638年），为力学的发展奠定了思想基础。在运动理论方面奠立了科学力学的基石（如速度、加速度的引入，相对性原理、惯性定律、落体定律、摆的等时性、运动叠加原理等）。

他闯出了一条实验、逻辑思维与数学理论相结合的新路。开创了以实验事实为基础并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学研究方法，他把实验和逻辑推理结合在一起，既注重逻辑推理又依靠实验检验，其方法如下：

依靠工匠们的实践经验与数学理论的结合，依靠他自己敏锐的观察和大量的实验成果，通过雄辩和事实，粉碎了教会支持的亚里士多德和托勒密思想体系两千多年来对科学的禁锢。1610年3月发表《星空信使》一书，总结了他的观察成果并用来有力地驳斥地心说。他认真读过亚里士多德的《物理学》等著作，认为其中许多是错误的。伽利略为推翻以亚里士多德为旗号的经院哲学对科学的禁锢、改变与加深人类对物质运动和宇宙的科学认识而奋斗了一生。

二、课堂对话，再现历史

关于落体运动、力与运动的关系，亚里斯多德通过观察生活事实，最早提出了自己观点：“越重的物体下落越快”、“物体的运动需要力来维持”。他的观点，在2000多年的时间里，被尊为信条，没有人敢挑战，直到伽利略的出现。伽利略通过实验与推理相结合的方法否定了亚里士多德的观点，提出：“下落的快慢与轻重无关”、“物体的运动不需要力来维持”。

关于落体运动、力与运动的关系，很多由于生活经验造成的前概念，学生的认知和亚里士多德一样。要纠正学生的错误认知，把学生的认知水平从亚里士多德的年代提升到伽利略时代，再进化到现代，从而建立正确的认知，让学生领略科学研究的不易。若只是简单说教，告诉学生物理学史，介绍历史背景及他们各自的观点如何，学生往往觉得枯燥乏味，教学效果有限。为此，不妨借鉴伽利略《关于力学和运动两种新科学的谈话》中对话的形式，让学生模拟，安排“伽利略”和“亚里士多德”来一场穿越时空的对话。

教学场景1：探究落体运动

师：西方有句谚语，“对运动的无知，也就是对大自然的无知”。对运动的研究一直以来都是人类认识大自然的一个视角，其中对落体运动研究又是运动研究的重要组成部分。关于落体运动的思考，亚里士多德通过对生活事实的观察得出结论：越重的物体下落得越快。这一观点一直被人们广泛接受，直到2000多年后的一天，一个叫伽利略的人出现了，他认为：下落的快慢与轻重无关。这两种观点针锋相对，究竟孰是孰非？今天我们就请“亚里士多德”和“伽利略”给我们来一场穿越时空的对话，看看物体下落的快慢究竟与轻重有没有关系？有请两位！

亚：我认为越重的物体下落得越快。生活中苹果和树叶同时从树上的同一高度下落，苹果先落地，树叶后落地就是最好的证据。

伽：我认为先生的观点是错误的。证明如下，假设：越重的物体下落越快。现把重的苹果和轻的树叶捆在一起会怎样呢？我们可以得到两个矛盾的结论。结论1：捆在一起后，比原来的苹果重，所以下落比单独的苹果快。结论2：苹果下落快，而树叶下落慢，快的苹果会被慢的树叶拖慢，捆在一起后比原来的苹果慢。从先生的观点出发，推出自相矛盾的结论，所以先生的观点是错误的。

亚：不对，小伽，你说的只是推理，没有说服力，我们还是用事实说话，请看实验。

亚开始演示实验1。

实验器材：硬币、和硬币横截面（圆）相同的纸片。

实验过程：将纸片和硬币放在等高的位置同时释放。硬币先落地，纸片后落地。

实验结果：重的硬币下落快。

亚：从刚才的实验可以看出，我的观点是正确的。

伽：我也有2个实验要给亚先生看看，我用的器材和先生基本一样。

伽演示实验2。

实验器材：相同硬币2枚（其中一枚贴有横截面积相同的纸片）

实验过程：将两枚硬币从同一高度同时释放。两枚硬币同时落地。

实验结果：轻重不同的硬币下落一样快。

伽演示实验3。

实验器材：两块一样的纸片。

实验过程：把其中的一个纸片揉成纸团；将纸片和纸团从同一高度释放；观察到纸团先落地，纸片后落地。

实验结果：轻重相同的纸片和纸团下落快慢不同。

伽：从刚才的2个实验可以看出，下落的快慢与轻重无关，先生的观点是错误的。

亚：你不承认我的观点没关系。请问小伽，如何解释苹果比树叶快，硬币比纸片快？

伽：先生没有考虑到空气阻力对物体运动的影响。以硬币和纸片为例，下落过程中它们受到重力和空气阻力，由于下落过程中横截面积相同，所受的空气阻力可认为是一样的。但是硬币重力大，空气阻力对其运动影响小，甚至可以忽略不计，而纸片重力小，空气阻力对其运动影响较大，不能忽略。

亚：如此说来，物体的轻重对运动的快慢还是有影响的。

伽：尊敬的亚先生，请注意造成这种“错觉”的原因是因为先生没有考虑空气阻力的影响，造成轻重不同的物体下落快慢不一致的原因是空气阻力的影响。先生，请让我再为你演示一个实验。我需要用的实验器材叫做“牛顿管”，是我们物理学的一个后辈发明的。有请我的科学助理上场。

科学助理拿着牛顿管上场。

伽：先生，我有必要向你介绍一下这套装置及实验过程。玻璃管中有羽毛和铜片，待会儿我们要把管中的空气抽走，使其接近真空。然后瞬间把玻璃管翻转，观看金属片和羽毛的下落情况。

科学助理和“伽利略”一起把牛顿管中的空气抽走，开始演示实验。

伽：请问，你观察到了什么？

亚：羽毛和金属片同时落地。

伽：所以，先生你的观点是错误的。应该是：物体下落的快慢与轻重无关。

亚：谢谢你，小伽。

师：谢谢两位“物理学家”，通过他们精彩辩论，我们知道了物体下落的快慢与轻重无关，生活中之所以会觉得越重越快，是因为空气阻力的影响。空气阻力对轻的物体的运动影响较大，而对重的物体影响可以忽略不计。就好比学校组织捐款，老师捐款100元，对生活质量没有影响，但是如果一个学生他一周的生活费是150元，他也捐款100元那么他这周的日子就没法过了。

教学场景2：物体的运动需要力来维持吗？

师：惯性定律是牛顿力学的基石之一，而惯性定律的建立离不开亚里士多德、伽利略、笛卡尔、惠更斯等人对力与运动的关系思考、研究。最早亚里斯多德认为力是维持物体运动的原因，2000多年后伽利略通过实验和推理否定了亚里斯多德的观点，认为物体的运动不需要力来维持。今天我们能就请两位物理学“大师”给我们来一场辩论，看看物体的运动是否需要力来维持。

亚：物体运动需要力来维持。用手推桌子，桌子运动，撤去推力桌子马上就停止运动。

伽：请让我给先生呈现2个实验。

实验1：把一辆小车放在足够光滑的水平桌面上，用力推一下，撤去推力后小车还能继续前进，所以：物体运动不需要力来维持。

实验2：把小球从斜面的M点由静止释放，它能滚到第二个斜面上，第二个斜面的倾角变小后小球会经过更长的路程，如果斜面光滑小球将会滚到与M等高的位置，继续减小第二个斜面倾角，直到水平小球为了回到等高的位置，要经过无限长的路程与时间，而一直运动下去。如图1所示。

亚：小球能一直运动下去吗？生活中我们推桌子，桌子运动，撤去推力马上就停止了。

伽：先生，这是因为桌子受到了摩擦力的作用，是摩擦力使桌子停了下来。如果没有摩擦力桌子将和小球一样一直运动下去。

师：谢谢两位“大师”精彩的辩论。人类正确认识关于力与运动的关系经历了漫长的时间，从最开始的古希腊时代的德漠克利特、伊壁鸠鲁、亚里斯多德、伽利略经历了两千多年的时间。伽利略否定了亚里斯多德“物体的运动需要力来维持”的观点，提出了“物体的运动不要力来维持”、“没有受力物体将一直运动下去，而他的直线运动是沿与地心等距的曲线，其实就是今天的圆周运动”，但这其实还没有完全解决力与运动的关系，在伽利略之后，笛卡尔在伽利略研究的基础上迈进了一大步。“他明确指出，除非物体受到外因的作用，物体将保持其静止或运动状态，并且还特别声明，惯性运动的物体将不会使自己趋向曲线运动，而是保持在直线上运动，他表述为两条定律：（一）每一个单质微粒都将继续保持同一状态，直到与其它微粒相撞改变这一状态为止；（二）所有运动其本身都是沿直线的。”笛卡尔在伽利略的基础上有三点创新：笛卡尔纠正伽利略物体贴着地球表面的直线运动；物体不受力时物体的状态也从伽利略的“一直运动下去”变为“保持静止或运动状态（都将继续保持同一状态）”，新增了“保持静止”这一状态；笛卡尔“认为惯性定律是解决力学问题的关键所在，是他最早把惯性定律作为原理加以确立，并视为整个自然观的基础，这对后来牛顿的综合工作意义深远。”后来，牛顿在前人研究的基础上总结提出了，牛顿第一定律，也就是惯性定律，至此人类对力与运动的关系才算有了正确的认识。

三、客观评价亚里士多德的贡献

通过两次“正面交锋”，学生对亚里士多德产生偏见，给学生一个错觉：亚里斯多德这个人很“笨”，总是提出错误观点，阻碍了社会的进步。如何引导学生科学、公正评价亚里斯多德是一个重要教育资源和教育契机。首先，可以引用伽利略对亚里斯多德的评价：“老实说我赞成亚里士多德的著作，并精心进行研究，我只是责备那些把自己沦为亚里士多德奴隶的人。”其次，正确看待亚里士多德的贡献与历史局限性。教学中需要讲清楚：（1）亚里士多德对人类的贡献是巨大的，他传世著作有47部，是许多学科（包括哲学、生物学、教育学等）的奠基人。（2）亚里斯多德的很多观点错误，和他所处时代科学水平有密切关系，在亚里斯多德所处的时代科学还在萌芽阶段，人类积累的科学知识有限、科学研究的方法、仪器更有限。（3）科学研究中，提出问题比解决问题更重要。提出问题是研究与解决问题的前提和基础，虽然他的不少观点是错误的，但是他提出问题就是对科学研究的巨大贡献。正是他提出问题，才促进了其他人去进行研究。

（作者单位：广东中山东升高级中学）

本栏责任编辑 李 淳