牛頓第一運動定律學習論文

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摘要：本文從幾個角度表明了現行高中物理教材中關于牛頓第一定律教學的一些問題，提出了一些新的觀點與方法

關鍵詞：自然觀、方法論、慣性

一、關于歷史與內容

課本上將這一節（1）的內容分成兩個部分，即將牛頓第一定律的內容與建立牛頓第一定律的歷史區分開來。作者的這一增加學生的科學歷史觀的企圖無疑是正確的：“作為思想形式的自然科學，存在于且早已存在于一個歷史的連貫性中，并且為了自身的存在，它依賴于歷史思想……一個人除非理解歷史，否則他就不能理解自然科學（2）”。可是,另一方面，在作者看來,這樣一種對課本內容的劃分是有疑問的。最起碼的是，這種劃分把牛頓第一定律當成一個不變的、終結性的東西。對牛頓之前，講了從亞里士多德以來的兩千年的歷史，而對牛頓之后卻什么也不講，這就使學生對牛頓第一定律的領悟有一種僵化的感覺。作者認為，在牛頓第一定律的歷史與內容的關系中至少要考慮到下面兩個問題。

第一，課本上引述了一段亞里士多德的話：“必須有力作用在物體上，物體才能運動，沒有力的作用，物體就要靜止下來。”對于這樣的一種寫作方式與引述的這樣一段內容，作者不敢茍同。從寫作方式上而言，作者認為，我們應當對在人類歷史長河中有卓越貢獻的人物的論述是肯定性的。要是在教科書中純粹來論述否定性的人物或否定性的結論的話，那何必要用亞里士多德來開刀呢，人類歷史長河中這類人物簡直是多得不計其數。或許，這種陳述方式是來自于思想界的習慣。真像黑格爾所說（3）：“亞里士多德乃是從來最多才最淵博（最深刻）的科學天才之一，——他是一個在歷史上無與論比的人……雖然他許多世紀以來乃是一切哲學的教師,但卻從沒有一個哲學家曾被完全沒有思想的傳統這樣多地歪曲過,這些關于他的哲學的傳統的說法,過去一直被保持著,到今天情形還是如此。人們把與他的哲學完全相反的觀點歸之于他。柏拉圖的著作被廣泛地閱讀，亞里士多德則直到最近幾乎還未被認識，所流行的乃是關于他的一些最錯誤的偏見。”

從內容上而言，事實上，課本上引述的亞里士多德的話，同亞里士多德關于力和運動關系的論述是有出入的。關于這一個問題，由于太過于復雜，作者將另文論述，只是在這里需要指出：亞里士多德關于力與運動方面所論述的原義和這里大相徑庭；我們應當在古希臘哲學的背景中去領會亞里士多德關于力與運動關系的論述；或者可以更直截了當地說，亞里士多德根本沒有講過引文中的話！（4）

仍然，我們通常認為經典力學起源于人們對于亞里士多德物理學的批判。但從歷史的觀點來看，經典力學毫無疑問與亞里士多德物理學及中世紀物理學有著緊密的關系。因而，我們不能用非此即彼的態度來給真實而復雜的歷史下一個粗暴而簡單的結論。

另外一點需要特別指出的是，根據作者的研究，由于牛頓第一定律與牛頓第二定律有本質的區別（5）。與牛頓第一定律的發展有歷史淵源的亞里士多德物理學中的內容不是力與運動的關系（事實上這是與牛頓第二定律的發展有歷史淵源的），而是亞里士多德關于“天然運動”（6）與“天然處所”的觀點。當然，這一點對一般的讀者來說可能太為難了，但作者有責任指出這一點。事實上，我們從牛頓所列舉（7）的關于牛頓第一定律的例子中就可看到這一蹤跡。

第二，慣性定律是人類理性在兩千多年的歷史長河中發展的產物，它不僅在牛頓之前經歷了曲折的發展歷程，在牛頓之后也有了很大的發展。在這里特別一提的是愛因斯坦與諾特爾對慣性定律的發展所作出的創造性工作。特別是愛因斯坦在創建了廣義相對論以后，使得慣性定律變得更有包容性：“物理學定律比牛頓所想象的情況簡單得多。我們不需要對偏離慣性定律的情況作出解釋。因為根本不存在偏離慣性定律的情況，所有運動都是慣性運動，所有物體完全沿著時空的自然等直線運動。這些等直線的形狀則取決于對這些等直線進行觀測所處的參照系。在慣性參照系中，等直線碰巧是直線。在其他參照系中等值線為曲線。在慣性參照系與其他參照系之間不存在任何實質的區別，也沒有物理學上的區別，而只有幾何學上的區別。在所有參照系中物理定律都有一樣，而且所有運動都是慣性運動。”（8）

愛因斯坦將慣性定律表達成：“一個質點離開其他一切質點都足夠遠時，它的加速度的各個分量就消失了。”（9）顯然，這種我們看起來比較特殊的表達方式受到了卡爾·皮爾遜的極大影響：“第一定律被視為相當于這樣的陳述：周圍環境決定加速度——沒有其他粒子存在就沒有加速度。”（10）在這里，皮爾遜敏銳地捕捉到了慣性的由周圍環境的決定性，為二十世紀初諾特爾的證明作了思想上的準備。

因而，我們在講述慣性定律時，必須思考這樣一個問題：我們應當怎樣來把握慣性定律的度？作者認為，愛因斯坦的相對論意義下的慣性觀，已遠超出了中學物理學的范圍，但諾特爾關于時間均勻性與空間對稱性的觀點卻是必須向學生講授的。因為從時空的性質來論述、講解慣性，使學生接觸到了關于慣性的更本質的東西。同時根據作者的實踐，學生也是可以接受的。

二、關于自然觀與方法論

課本上對牛頓第一定律及其它內容的陳述主要是結論性的。其次，是對伽利略的方法論作了簡要介紹，而對于與方法論有重大關系的自然觀卻只字未提。可是，無論是在歐洲的思想史上還是在歐洲的科學史上，自然的觀念始終是一個焦點，也始終是一個熱烈和持久的被反思的課題。而以自然的觀念為基礎的自然科學也隨之被賦予了新的面貌（11）：牛頓第一定律的歷史，正首先是一個對自然觀念變更與進化的佐證。也正是人類首先在自然的觀念上起了變化，才導致了對自然研究方法的不同，從而也得到了不同形式的結論。愛因斯坦在談到廣義相對論的創立過程時就非常明白地表明了這一點。（12）從另外一層意義上來說，自然觀無論是對科學定律的建立還是對學生科學素養的提高都起著十分重要的作用。因而，作者認為很有必要在講述牛頓第一定律的歷史時加入非常具有代表性的三位思想者的自然觀，從而使學生的思維也越靠近歷史的真面目。

素質教育的目標是找尋人類智慧之根，是使人的認識返樸歸真。可是對于牛頓以前的科學家卻由于我們知之堪少，只能記得他們的個別結論了，對于他們的方法論只是一知半解，而對于他們的自然觀則幾乎毫無感覺了。但是，在科學創造中，自然觀念總是起著先導的作用，他決定著科學創造的方向與內容。

由上述所論述的觀點，作者對現行課本中牛頓第一定律的教學內容進行了適當的調整。現將作者的具體講課提綱列于下面：

1、亞里士多德（Aristotle前384-322古希臘自然哲學家和思想家）

（1）自然觀：自然界是一個自我運動著的事物的世界，展現在自然界中的變化和結構是按邏輯關系相互聯系的，變化的最后結局是循環。a、提出了關于自然變化原因的“四因說”：形式因、質料因、動力因、目的因b、在運動的形式方面將天和地區分開來

（2）方法論：觀察現象、歸納得出解釋性原理、演繹出關于現象的陳述

（3）結論：天體的運動是“天然運動”；地面上的物體有個“天然處所”

（4）貢獻：開辟了探索自然界奧秘的一條新路——觀察

2、伽利略（GalilaoGalilei1564-1642意大利物理學家）

(1)自然觀：大自然是和諧的，自然的真理存在于數學的事實中，自然中真實的和可理解的是那些可測量并且是定量的東西

(2)方法論：觀察提問、合理假設、數學變換、實驗驗證

(3)結論：當一個物體在一個無限延伸的水平面上運動時，假如它沒有遇到任何阻礙的話，……它的運動將永遠以不變的速度繼續下去

(4)貢獻：提出了新的研究方法——數學變換和科學實驗

3、牛頓（Newton1642-1727英國科學家）

(1)自然觀：自然界是真實的、客觀的、是由各種實在的粒子所組成；自然界的結構是簡單的、和諧的、各種運動是有規律的，并且這些規律應該建立在觀察和實驗之上；物理世界是一個因果性的完整體系

(2)方法論：分析與綜合，強調論證要用實驗驗證

(3)結論：一切物體總保持靜止或勻速直線運動狀態，直到有外力迫使它改變這種狀態為止

a、“一切物體”是指地下物體與天上物體

b、慣性：使物體保持原來的靜止或勻速直線運動狀態的性質

一切物體都有慣性

c、慣性是宇宙的時間均勻性與空間對稱性的結果

d、牛頓第一定律是關于自然之美的定律

（4）貢獻：我不知道別人是怎么看我的，我覺得自己就像是一個在海濱玩耍的孩子，不時地拾到了一些光滑而美麗的貝殼，而真理的大海離我還很遠。如果我有什么貢獻的話，那是因為我站在巨人的肩膀上。

4、牛頓之后

（1）愛因斯坦的“相對論”揭示了空間與時間是有聯系的1905

（2）“量子力學”的發展表明，基本粒子的性質與對稱性有極大關系1927

（3）揚振寧、李政道提出了“宇稱不守恒”，吳健雄用實驗驗證了這一理論1956-1957

在此，作者對上述提綱作兩點簡要的說明。第一，在提綱中特別指出了，一切物體是指地下與天上物體。因為作者感到這一點非常重要。牛頓第一定律中所包含的這幾個字的含義正是表明了由哥白尼所闡述的新天文學理論的絕對勝利，也表示了任何一種對地下與天上物體之間作任何質的區別的否定。同時，我們也看到這一結果的得來花了多大的代價——布魯諾為此被燒死在火刑柱上。（13）而作者在長期的教學實踐中看到的情況是，有不少教師將“一切物體”解釋成是氣態、液態、固態等情形。第二，提綱中將慣性看成是時間均勻性與空間對稱性的結果。這似乎是遠離了學生的想象力，不好講。對此，作者在實踐中用了這樣一個邏輯過程，供大家參考：既然一切物體均有慣性，那么，慣性就是一切物體的性質，而一切物體是用什么觀念來表示的呢？當然是宇宙，那么，宇宙又是什么呢？就是時間與空間。作者的體會是，學生根據高一地理課本上的知識是可以領會的。

三、關于閱讀材料

課本上有一個標題為《愛因斯坦談伽利略的貢獻》的閱讀材料。作者的問題是：這篇材料放在這里是否恰當？首先，這一章的內容是牛頓運動定律，牛頓的貢獻才是學生首要了解的內容。并且，在前一章的閱讀材料《伽利略對自由落體運動的研究》（14）中已經對伽利略科學研究的方法作了比較完整的介紹，似乎沒有必要在這里再對伽利略的貢獻進行籠統的說明。作者在實際的教學實踐中用了一段教師教學用書（15）上關于牛頓生平的資料作為學生的閱讀材料，這一段材料間要、明白、清楚，學生對它的反應良好。而且，這樣的做法也同時彌補了在課堂教學中講述牛頓貢獻上的不足。公務員之家

另外，《物理學的進化》這本書主要是出自英費爾德的手筆，愛因斯坦只是列出了一個關于本書的寫作大綱。因而，這本書的文字并不嚴格地等于愛因斯坦的思想。愛因斯坦寫本書的目的主要是為了解決英費爾德的生活問題。因而我們并不能把這一本書看作是一本嚴謹的科學著作，它只是一本一般性的科普讀物。而在文章的最后，用“毀滅直覺的觀點而用新的觀點來代替它”作為對伽利略的發現的重大意義的評價是否妥當？對于愛因斯坦來說，由于他是一個深信物理概念是人的思維自由創造（16）的理論物理學家，因而他論述伽利略貢獻的視角就會同歷史學家的視角不一樣。事實上，伽利略是如此豐富的一個天才。我們完全可能從他的詳細觀察力、深刻的直覺把握力、嫻熟的數學技巧、精湛的實驗技能的任何一個方面來談論他對科學的貢獻。況且，愛因斯坦在不同的階段、不同的場合對伽利略貢獻的論述也是有區別的：“純粹的邏輯思維不能給我們任何關于經驗世界的知識；一切關于實在的知識，都是從經驗開始，又終結于經驗。用純粹邏輯方法所得到的命題，對于實在來說是完全空洞的。由于伽利略看到了這一點。尤其是由于他向科學界諄諄不倦地教導這一點。他才成為一代物理之父——事實上也成為整個近代科學之父”。（17）“常聽人說，伽利略之所以成為近代科學之父，是由于他以經驗的，實驗的方法來代替思辨的、演繹的方法。但我認為，這種理解是經不起嚴格審查的。任何一種經驗方法都有其思辨概念和思辨體系；而且任何一種思辨思維，它的概念經過比較仔細的考察之后，都會顯露出它們所由產生的經驗材料。把經驗的態度同演繹的態度截然對立起來，那是錯誤的，而且也不代表伽利略的思想。”（18）當然，作者在這一篇文章不是為了研究伽利略的貢獻問題，只是想表明，《物理學的進化》中的這一片段放在這里當作閱讀材料的不恰當性。

再次，在這段引文中出現了“直覺”這個概念。可是，什么是“直覺”？也許這對于任何一個人來說都是一個很難回答的問題。并且，作為與直接觀察結果相對應的直覺及直覺的觀點也是有重大區分的。對此，不要說對于高一的學生，就是許多教師可能也很難把握。因而，很難說這篇閱讀材料會給學生留下怎樣的印象。作者的多慮之處是：我們不能由于與愛因斯坦有關的這一段文字而把直覺打入死胡同。因為正如拉格朗日所認為的那樣（19）：伽利略在力學方面從經常看到的現象中發現規律是有超凡的天才的。伽利略的這種天才難道與他的直覺毫無關系嗎？事實上，“我們所認識的，都是同時憑直覺和推論獲得的，即通過感覺和知性相結合的使用而獲得的。”（20）“科學的發展有時不是靠邏輯的思維和推理，而是一種理性的直覺。邏輯是證明的工具，理性直覺是發現的工具。（21）”楊振寧也說過：“我曾對中國科技大學的同學們提出過‘三P’：Perception，Persistence，Power，意思是：直覺，堅持，力量。要有科學的直覺意識去創造，用堅持不懈的努力去奮斗，以扎實的知識力量去克服困難。（22）”直覺是人對存在的一種最基本的表象能力，它是人的意識基礎中一個不可分割的內核，它也與人的判斷力有關：“直覺的最奇妙的?因而我們不能簡單地說直覺是對的還是錯的。并且教育的目的何不是為了使學生最終獲得一種良好的與直覺有關的綜合判斷力呢？

四、關于習題

課本上對這一節的內容安排了五個習題。可是，在作者看來（24），這五個題目中只有第一個是從不太嚴格的意義上來說是可做的，而其余四個均是不恰當的。其中第二題、第三題中的c.小題及第四題是屬于非慣性系中的動力學問題。其實，我們從課本上第三章第八節《慣性系和非慣性系》這一內容后面習題的缺乏就可以看出作者在處理這一內容上的貧乏與混亂性。而第三題中的a.和b.小題則是關于牛頓第二定律的應用題，也就是說只能用牛頓第二定律而不能用牛頓第一定律來解釋。第三題中的d.小題則應當放在第五章第二節《運動的合成和分解》里面。至于第五題，則是一個文不對題的題目，作者已經非常明確地指出了這一點。為此，作者在具體的課堂教學實踐中設計了下面幾個習題。結果表明，學生的接受性較好。

1．用亞里士多德的四因說解釋你認為感興趣的一件事

2．關于伽利略的理想實驗，下列說法中正確的是（）

A．只要接觸面相當光滑，物體在水平面上就能勻速運動下去

B．這個實驗實際上是永遠無法做到的

C．利用氣墊導軌，就能使實驗成功

D．是想象中的實驗，建立在大自然是和諧的觀點之上

3．你認為如果時間不均勻，空間不對稱，則這個世界將是一個怎樣的情形？

4．下列關于慣性的說法中，正確的是

A．不用力踏自行車，自行車會漸漸停下，所以慣性就逐漸消失

B．慣性與物體質量的大小無關，與物體是否運動無關。與物體速度是否變化無關

C．當物體處于靜止狀態或做勻速直線運動時，表現出了慣性

D.當物體做變速運動時，沒有表現出慣性，因而此時慣性不存在

參考文獻：

（1）全日制普通高級中學教科書（試驗修訂本·必修）物理第一冊，人民教育出版社，2000，3，2版，45。

（2）[英]羅賓·柯林伍德。自然的觀念。華夏出版社，1999，1，2版，195。

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（10）〔英〕卡爾·皮爾遜。科學的規范。華夏出版社，1999，1，1版，305。