物理史在高中物理教学中的作用分析

王勋

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科学家的足迹而引入的。

一、物理史上科学家发现萬有引力定律的足迹

第谷全身心投入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更准确的描述。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。

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。

二、物理史在高中物理学习中的作用

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，不仅是知识，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.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，其编纂星表的数据已经接近了肉眼分辨率的极限。开普勒认真地研究了第谷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，证实了他的学说与第谷的观察相符合，这个过程一共用了16年。牛顿从1665年至1685年，花了整整20年的时间，沿着离心力—向心力—重力—万有引力概念的演化顺序提出“万有引力”的概念。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。

3.体会到科学家勇于质疑、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是不准确的，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。

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）物体的运动状态都需要力，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。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。我们不仅要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。

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、更精确洁。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。

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，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，这个过程真的是很不容易。“发现”总是比“学习”要困难很多很多。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。

7.体会到所学知识并不是枯燥的公式，而是鲜活的生命

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，去发现更多蕴藏在太空中的秘密。万有引力定律并不仅仅是枯燥的公式，它具有鲜活的生命，它所焕发的光彩一直在照亮人类探索宇宙的步伐。

8.对所学知识的来龙去脉印象深刻，举一反三

追寻着科学家发现万有引力定律的过程的足迹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思考，举一反三。在学习了科学家的探索的思想路程后，同学们收获良多。

（作者单位：湖南省衡阳县第三中学）