物理史在高中物理学习中的作用

董宜达

【摘 要】本文以万有引力定律为例探讨了高中物理教学中结合物理史，可以使同学们体会到科学由量变到质变的发展过程；科学家孜孜不倦、锲而不舍的探索精神；科学家勇于质疑、勇于创新的勇气与气魄；科学家脚踏实地、尊重事实的严谨态度；所学知识中蕴含的简洁美；所学知识的来之不易；所学知识并不是枯燥的公式，而是有鲜活的生命；对所学知识的来龙去脉印象深刻，举一反三。

【关键词】物理史；高中物理；学习；作用

0 引言

高中物理教材中不仅有很多物理史的介绍，而且有些内容直接就是结合物理史进行的引入与展开。非常典型的例子就是科学史上最伟大的定律之一——万有引力定律的引入与展开，就是完全追寻着物理史上的科学家的足迹而引入的。

1 物理史上发现万有引力定律时科学家的足迹

第谷全身心投入得到行星位置的测量中，他把测量天体位置的误差大约从10'减小到2'，他的观测结果为哥白尼的日心说提供了关键性的支持。

开普勒以全部精力整理第谷的数据，期望求得行星运动轨道的更准确的描述。他对第谷数据的精确性深信不疑，在根据哥白尼的学说验证行星绕太阳作圆周运动与观测数据出现偏差后，他第一次对天体在做“完美的”匀速圆周运动产生怀疑。经过多年的尝试性运算，终于在第谷数据的基础上提出了开普勒三定律。

不过开普勒并不知道，他所发现的三个定律蕴含着极其重大的“天机”，就是最后由牛顿在开普勒定律基础上发现的万有引力定律。牛顿利用数学的方法，结合牛顿运动定律，对开普勒定律做了加工，得到万有引力定律的表达式，揭示了控制行星运动的力，比开普勒定律更深刻、更简洁。并且牛顿又向前走了一大步，他的思想超越了行星与太阳，推广到了宇宙中的一切物体之间，万有引力定律清楚地向人们揭示，复杂运动的背后隐藏着间接地科学规律；它明确地向人们宣告，天上和地上的物体都遵循着完全相同的科学法则。

2 物理史在高中物理学习中的作用

2.1 体会到科学由量变到质变的发展过程

第谷的观测数据，开普勒的三个定律，牛顿的万有引力定律是一环扣一环，环环相扣的。没有第谷的观测数据，开普勒的三个定律就成了无源之水无本之木；没有开普勒的三个定律，牛顿也很难得到这么简洁、漂亮的万有引力定律的关系式。这个过程是一个由量变到质变的过程，没有前面的基础，就没有科学史上最伟大的定律之一的万有引力定律。由此同学们可以想到，我们所学的所有知识的发展都是这样由量变到质变而发展起来的。或者，不仅是知識，要成功做成一件事，总要经过这种由量变到质变的阶段。学习，或者做事，都需要厚积而薄发。只有经过积累的暗淡阶段，才会到达灿烂辉煌的光明。

2.2 体会到科学家孜孜不倦、锲而不舍的探索精神

第谷用了二十多年的时间全身心地投入到天体的观测中，一直坚持进行出色的精确观察，其编纂的星表的数据甚至已经接近了肉眼分辨率的极限。开普勒认真地研究了第谷多年对行星进行仔细观察所做的大量记录，经过多年煞费苦心的数学计算，开始怀疑哥白尼认为的行星的轨道是圆的正确性，认为行星轨道不是圆形而是椭圆形。就在找到基本的解决办法后，开普勒仍不得不花费数月的时间来进行复杂而冗长的计算，证实了他的学说与第谷的观察相符合，这个过程用了16年。牛顿从1665年至1685年，花了整整20年的时间，才沿着离心力—向心力—重力—万有引力概念的演化顺序，终于提出“万有引力”这个概念。从中我们可以想象出科学家在这个过程中所付出的艰辛劳动，也为科学家们孜孜不倦、锲而不舍的探索精神所折服。

2.3 体会到科学家勇于质疑、勇于创新的勇气与气魄

在开普勒之前，第谷、哥白尼以及所有的经典天文学家都假定行星轨道是由圆或复合圆组成的。但是在对火星轨道的研究中，经过多年的数学计算，开普勒发现运算结果与第谷的观测数据不相符。开普勒深信第谷观测数据的精确性，于是大胆怀疑人们长期以来视为真理的天体在做“完美的”匀速圆周运动这一观念，由此展开了天文学与物理学的新的篇章。牛顿在前人对惯性研究的基础上，开始思考“物体怎样才会不沿着直线运动”这一问题，根据他建立的“力”的概念，他认为使行星沿圆或椭圆运动，需要指向圆心或椭圆焦点的力。于是，牛顿利用他的运动定律把行星的向心加速度与太阳对它的引力联系了起来。他进一步推广开来，认为引力存在于所有物体之间，从而阐述了普遍意义下的万有引力定律。从这个过程中我们可以看到开普勒与牛顿一直在对前人的认识进行质疑，并在回答提出的问题的过程中进行大胆地创新。

2.4 体会到科学家脚踏实地、尊重事实的严谨态度

开普勒与牛顿在提出质疑、进行创新的过程中始终都坚持尊重事实的严谨态度，他们并不是毫无根据地去质疑、去创新。开普勒为什么怀疑天体在做完美的匀速圆周运动这个主流观念呢？是因为他发现这个主流观念与第谷的观测数据不符。牛顿的创新也是建立在前人对惯性研究的基础上的，由对惯性的研究，他才提出：以任何方式改变速度（包括改变速度的方向）都需要力，从而认为太阳对行星有引力，更进一步提出所有物体之间都有引力的。从中可以看到科学家进行科学研究时的脚踏实地、尊重事实的严谨的科学态度。我们不仅在学习中要坚持科学家的这些精神，在我们的日常生活中也同样离不开这些精神。

2.5 体会到所学知识中蕴含的简洁美

开普勒的三定律，把第谷积累的数千个数据归纳成如此简洁的三句话，展示了行星运动的规律性，与原始数据相比既深刻又简洁。牛顿利用数学的方法，结合牛顿运动定律，对开普勒定律做了加工后，揭示了控制行星运动的力，进而推广到所有物体间的力的万有引力定律，比开普勒定律更深刻、更简洁。这些定律公式都蕴含着深刻的简洁美。很多科学规律中都蕴含着深刻的简洁美，在学习这些知识的过程中能给人以美的享受。

2.6 体会到所学知识的来之不易

现在我们学习万有引力定律，在教材中不过就是几页纸，而在历史上这个定律的发现过程则很漫长。从第谷的二十多年的观测，到开普勒的16年的计算、尝试、再计算，再经过牛顿整整20年的摸索，这个过程真是很不容易。“发现”总是比“学习”要困难很多很多。我们所学的所有知识的发现过程都类似，都经过了漫长而又曲折的过程，在一代又一代的科学家们的接力下才发现与发展起来。我们所学的知识，都是人类思想的精华，来之不易。不仅值得我们好好珍惜，还要在我们这一代的手上进一步发展壮大，我们也应为人类的知识大厦添砖加瓦。

2.7 体会到所学知识并不是枯燥的公式，而是有鲜活的生命

万有引力定律是科学家经过艰辛的劳动才发现的蕴藏在现实世界中的秘密，它揭示了大自然中的规则，是我们认识世界的有力的工具。有了万有引力定律，人类才可以克服引力进入太空，在太空翱翔，去发现更多蕴含在太空中的秘密。万有引力定律并不仅是枯燥的公式，它具有鲜活的生命，它所换发的光彩一直在照亮人类探索宇宙的步伐。

2.8 对所学知识的来龙去脉印象深刻，举一反三

追寻着科学家的足迹发现万有引力定律的过程带给同学们的感觉是引人入胜，激潮澎湃，不仅使同学们对此定律的来龙去脉印象深刻，还使同学们对万有引力定律的本质思想有了更深一步的理解。遇到相似的问题，同学们可以借鉴科学家们的思考过程去进行思考，举一反三。著名文学家马克·吐温满怀激情地说：“科学真是迷人。根据零星的事实，增添一点猜想，竟能赢得那么多收获！”在学习了科学家的探索的思想路程后，同学们收获良多。

【参考文献】

[1]人民教育出版社，课程研究所，物理课程教材研究开发中心.物理2必修[M].3版.人民教育出版社，2014.

[责任编辑：田吉捷]