方武增

(揭陽市惠來慈云實驗中學(xué) 廣東 揭陽 515200)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》已公布，并將在立德樹人中發(fā)揮著重要作用.該《課程標(biāo)準(zhǔn)》著力培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對現(xiàn)代和未來社會發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎(chǔ).“物理觀念”是核心素養(yǎng)的四大要素之一，是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物理、運動與相互作用、能量等的基本認(rèn)識.物理教師要學(xué)會處理好物理核心素養(yǎng)4個方面的關(guān)系；物理觀念的教學(xué)要加強概念、規(guī)律教學(xué),適時將概念、規(guī)律提升為物理觀念,要廣義理解[1]；人類對時空的科學(xué)認(rèn)識經(jīng)歷了漫長的歷史演進過程，其中，也伴隨著人們的物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念及能量觀念的逐步形成，每一次變革都帶來了科學(xué)技術(shù)的巨大進步.從亞里士多德第一個全面而深刻地討論時空體系，到牛頓對時空觀進一步認(rèn)識及總結(jié)更是對科學(xué)有著巨大的貢獻，這不僅是對經(jīng)典力學(xué)有著巨大影響，對經(jīng)典物理學(xué)相關(guān)的其他各方面的影響更是意義深遠(yuǎn).在物理學(xué)發(fā)展史上，牛頓經(jīng)典時空觀具有典型的代表性，牛頓正是在這種時空觀的基礎(chǔ)上，建立起了牛頓力學(xué)理論體系.在某種意義上說，牛頓時空觀是建構(gòu)經(jīng)典物理學(xué)的前提和基本標(biāo)志.因此，探究牛頓時空觀對培養(yǎng)高中生形成物理觀念，有著十分積極的意義.

1 牛頓時空觀的形成及其發(fā)展

(1)古代人類對時空的認(rèn)識

人類對于時空的認(rèn)識，開始是以直觀經(jīng)驗思維與生活實踐形成的，具有樸素的特點.在高中教材(人教版，下同)《物理·必修1》第1頁中的“物理學(xué)與人類文明”中，提到了“萬物之理”的物理觀念，這其中，就包含著“時空觀”，在第4頁中的“古人心中的宇宙”，如圖1所示，形象地展現(xiàn)在古人對時空的認(rèn)識.在中國，據(jù)《尸子》一書的記載，在戰(zhàn)國時期就提出了“上下四方曰宇，往古今來曰宙”的說法，這里的“宇”和“宙”就分別是空間和時間的概念.后來人們把空間和時間統(tǒng)稱為“宇宙”，將時間、空間或宇宙并列而談，認(rèn)為時間空間是毫不相干的.后期墨家在《經(jīng)上》和《經(jīng)說上、下》中提出“宇，彌異所也”，“宇，蒙東西南北”；“久，彌異時也”，“久，合古今旦莫”.很明顯，這里的“宇”是指一切具體場所的總和，“久”是指一切具體時刻的總和.認(rèn)識到空間、時間的一定聯(lián)系，但還是不能從特殊感知的實物中抽象出一般的時空概念.

圖1 教材P4中的“古人心中的宇宙”

在西方，古印度就有著“天圓地四方”的說法，認(rèn)為“世界支撐在三只大象的脊背上”.即大地是方形的大塊，上被圓形的天穹所蓋，下又被站在烏龜背上的三只大象所馱.從這種看法中看出人類已經(jīng)有了對空間上下的相對性的認(rèn)識.

亞里士多德和托勒密建立了“地球中心說”，如高中教材《物理·必修2》，第30頁中的“科學(xué)足跡”中“托勒密：地心宇宙”中所描述的，認(rèn)為宇宙是有限球體，同時認(rèn)為地球位于宇宙的中心恒靜不動.其中亞里士多德反對虛空說，建立了比較完整的時間和空間理論體系，第一個全面而深刻地討論了時間與空間.關(guān)于時間，他認(rèn)為：

1)時間的本質(zhì)是關(guān)于事物運動前和后的數(shù)，是運動的一種屬性，依賴于物質(zhì)及其運動而客觀存在，而不是獨立實體.

2)宇宙中存在絕對統(tǒng)一的時間.

3)宇宙中一般的時間是無限的，具體事物的時間是有限的.

4)時間是單向流逝的，是不可逆轉(zhuǎn)的[2].

關(guān)于空間，他從物質(zhì)占有空間的角度來理解空間的本質(zhì),認(rèn)為空間像“容納物體容器一類的東西”，當(dāng)它所包容的事物離開或消亡時，空間仍然留下，并不隨之消亡.同時又把空間分為兩類：“一是共有的，即所有物體存在于其中的；另一是特有的，即每個物體所直接占有的.”[3]這說明亞里士多德的時空觀與古代人類的時空觀有相通之處，仍然保留著空間位置的絕對性，空間雖然方向是相對的，但空間的不同點卻有著不同的特性，空間各點的位置并不等價，消除了空間方向上的絕對性，而保留了其他絕對性.對時間的理解并沒有什么新的突破，時間仍是過程流逝的伴隨物.

亞里士多德的理論基本上是一個定性的理論，幾乎沒有定量的物理定律[4].然而，16世紀(jì)以前在西方，亞里士多德時空觀符合人們的客觀思維，普遍為人們所接受，因而他的觀點持續(xù)了近1 900年之久.直到16世紀(jì)，哥白尼、布魯諾提出了“日心說”，如教材必修2，第30頁，才使亞里士多德時空觀得以糾正，科學(xué)向著積極的方向發(fā)展.

(2)牛頓的時空觀

物質(zhì)觀和物質(zhì)組成的思想是構(gòu)成科學(xué)觀與科學(xué)思想的基礎(chǔ).在這個基礎(chǔ)上，才會形成自己的概念、觀點等一系列的哲學(xué)思想.在17世紀(jì)就有這樣一位科學(xué)巨人，他就是牛頓(Isaac Newton).他學(xué)習(xí)前人的哲學(xué)著作，接受了亞里士多德的時空觀，對傳統(tǒng)的時空觀進行深入研究，綜合了哥白尼、伽利略和開普勒等人的發(fā)現(xiàn)，形成了自己的思想.期間，牛頓的老師巴洛對牛頓的影響較為深刻.巴洛認(rèn)為盡管時間可以以各種運動度量，但應(yīng)當(dāng)像數(shù)學(xué)中任何概念那樣，時間應(yīng)該有自己的明確定義，他小心地把時間和運動分開，并給出下面一段說明：

“正像空間標(biāo)志容納長度的能力那樣，時間并不標(biāo)志一種真實存在，而只是表示一種存在的持續(xù)能力和可能性，單就其內(nèi)在的性質(zhì)看來，時間不意味著運動，正如它不意味著靜止一樣.無論事物是運動還是靜止，無論我們睡去還是醒來，時間總是一成不變地走自己的路.時間意味著運動是可以度量的，沒有運動也就無法察覺到時間的流逝.我們把時間看成一條流動不息的長河，所以必須將它和一些現(xiàn)成的穩(wěn)恒運動，如恒星，特別是太陽和月亮的運動相比較.”[4]

于是牛頓在經(jīng)歷繼承和發(fā)展了亞里士多德的時空觀和批判笛卡爾的運動觀的階段后，為了更好地在他的力學(xué)大廈讓人們感知那些對象關(guān)系，他意識到必須將這些概念更通常些，更方便些，于是，首先他建立了力學(xué)中的時空觀以支撐起理論體系，這在牛頓時代是一種創(chuàng)建時空觀上的大突破.

任何物質(zhì)運動的研究，都離不開對時間和空間的探究，從描述其位置而言，必需給予參照物和坐標(biāo)系.例如牛頓第一定律中“靜止”這一概念，我們知道通?？偸且缘厍驗殪o止的坐標(biāo)系.

關(guān)于時間，牛頓寫道：“絕對的、真實的和數(shù)學(xué)的時間本身，并由于它的性質(zhì)，與外部的任何事物無關(guān)而相等地流動著，它的別名稱作期間.相對的、表觀的和通常的時間是利用運動作為期間的某種可感知的和外部的量度，通常用它取代真實的時間，這樣的量度有一小時、一天、一月和一年.”[5]從這里我們可以看出，牛頓認(rèn)為絕對時間的流逝卻不會有所改變，它與外界無關(guān).

關(guān)于空間，牛頓寫道：“以絕對空間本身的特性與外在事物無關(guān)，處處均勻，永不移動.相對空間是絕對空間的某種可動的大小或量度.絕對的和相對的空間的形狀和大小是相同的，但是在數(shù)字上它們并不總是保持一致的.如地球運動，我們空氣的空間相對于地球來說總是保持相同，它在某一時間是絕對空間中進入空氣的那一部分，在另一時間將是同一絕對空間的另一部分.所以，說得絕對些，它將是連續(xù)變化的.”[5]從這里我們可以看出，牛頓認(rèn)為絕對時空的絕對性在于時空同外界任何事物無關(guān).

關(guān)于運動，牛頓寫道：“絕對運動是一個物體從某一絕對的處所向另一絕對處所的移動.”“真正的、絕對的靜止，是指這一物體在不動的空間的同一個部分繼續(xù)保持不動.”[5]

從牛頓的這些觀點.我們可以得出：

第一，牛頓認(rèn)為時間以均等的速度流逝，其本身是不變的，而且也不因物質(zhì)與運動等而改變.但亞里士多德則認(rèn)為時間具有一定依賴運動屬性，沒有明確時間與外界事物無關(guān)，在這些意義上講，他的時間觀是絕對的.

第二，牛頓認(rèn)為空間永恒存在，與外界事物無關(guān)，處處均勻，永不移動.但亞里士多德則認(rèn)為空間是三維的，僅從物質(zhì)占有空間的角度來闡釋.兩者相比之下，牛頓時空上空間的概念，更有著時空屬性的絕對性.

總之，牛頓的時空觀與亞里士多德時空觀相比，是在亞里士多德時空觀作為鋪墊基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，消除了亞里士多德時空觀上時間的單向性，發(fā)展了亞里士多德絕對空間的觀點，將時空觀進一步闡釋，使絕對時空觀更具體、更完善.它的產(chǎn)生必將帶來科學(xué)的巨大進步，對物理學(xué)有著積極意義.

2 牛頓時空觀對經(jīng)典物理學(xué)的影響

牛頓時空觀既然是牛頓在科學(xué)探究中得出的結(jié)論，他的這些觀點對物理學(xué)各個領(lǐng)域的發(fā)展也自然產(chǎn)生了多種多樣的影響.

(1)牛頓時空觀對經(jīng)典力學(xué)的影響

眾所周知，牛頓建立了經(jīng)典力學(xué)體系.牛頓力學(xué)是在絕對時空觀的基礎(chǔ)上建立而成.牛頓第一運動定律是慣性定律，教材《物理·必修1》，第69頁是這樣表述：每個物體繼續(xù)保持其靜止或沿一直線做等速運動的狀態(tài)，除非有力加于其上迫使它改變這種狀態(tài).前面已經(jīng)說過，每一個物體運動的陳述都包含著一個物理的參考系，慣性定律成立的參考系我們稱之為慣性系，而慣性系是以牛頓絕對時空觀為基礎(chǔ)形成的.因為如果沒有絕對時間和絕對空間，慣性參考系是無法形成的，也就是沒有牛頓這種“慣性”運動.在牛頓第二定律中，同樣需要建立一個慣性系.這樣才能確定物體的“慣性”質(zhì)量，于是牛頓第二定律：F=ma中的物體在不同時刻“質(zhì)量”將不會改變，對于研究物體的性質(zhì)將不會發(fā)生改變，牛頓第二定律顯然成立.因而只有在絕對時間和絕對空間下，才有慣性參考系，有了慣性系，牛頓第一定律才會成立，在此基礎(chǔ)上牛頓第二定律才能在實驗中得以檢驗，牛頓三大運動定律才得以建立，才會有完整的牛頓經(jīng)典力學(xué)體系.我們可以從這看出，絕對時空觀是一個支柱，是一個基礎(chǔ)，支撐起牛頓經(jīng)典力學(xué)大廈，牛頓經(jīng)典力學(xué)體系是建構(gòu)在絕對時空觀基礎(chǔ)之上的.另外，牛頓時空觀的這一性質(zhì)在數(shù)學(xué)上可以用伽俐略變換來體現(xiàn)，即

x′=x-vt

y′=y

z′=z

t′=t

這個伽俐略變換式所代表的正是牛頓定律的時空觀.

同樣，牛頓在絕對時空觀的基礎(chǔ)上還創(chuàng)立了萬有引力定律，闡明了組成太陽系星體的運動.從萬有引力與距離的平方成反比體現(xiàn)出一種絕對空間；從星體的質(zhì)量方面看，體現(xiàn)牛頓的絕對體系，因為把星體相互吸引力同每一物體質(zhì)量聯(lián)系在一起，但在實際運用中，即使高速運動的星體質(zhì)量依然不變.這也只有在牛頓的絕對慣性系中才能得出.

(2)牛頓時空觀對電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)的影響

1)電磁學(xué)方面

我們知道庫侖定律是電磁學(xué)的基本定律之一.它的建立得益于萬有引力定律的啟示，其中庫侖力與距離的平方成反比

就是以牛頓絕對時空觀為基礎(chǔ)建立而成.隨著電磁學(xué)的發(fā)展，人們又認(rèn)識到電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象之間深刻的內(nèi)在聯(lián)系之后，安培提出了物質(zhì)磁性的分子電流假說，總結(jié)出了著名的電流元之間的相互作用規(guī)律--安培定律，“相互作用”這也是受牛頓時空觀的影響.

2)熱學(xué)方面

熱學(xué)需要幾何參量、力學(xué)參量、化學(xué)參量和電磁參量4類參量來描述熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)，幾何參量就要涉及到牛頓的絕對時空觀.例如教材《物理·選修3-3》，所學(xué)的熱學(xué)的理想氣體狀態(tài)方程

其中所提到的體積V，就涉及了時空觀的問題.在熱學(xué)中幾何參量，如體積一定時在某一狀態(tài)是不隨運動變化而變的，因而幾何參量就與時空觀有著密切聯(lián)系，許多物理學(xué)家在處理熱學(xué)問題涉及到幾何參量時都受到牛頓時空觀的影響，都運用其時空觀處理問題.對于處理理想氣體的微觀模型時運用力學(xué)的知識方法分析分子的運動從而得到相關(guān)的結(jié)論，然而這些結(jié)論都離不開牛頓的絕對時空觀理論支持.另外氣體分子運動論也是在牛頓時空觀的前提下發(fā)展起來的.

3)在光學(xué)方面

牛頓對于光的本性，提出了光的“微粒說”.他的觀點一定程度上反映了光的本質(zhì).他認(rèn)為，光是由微粒形成，并且走的是快速的直線運動路徑.教材《物理·選修3-4》，應(yīng)用光的微粒說可以很好地解釋光的反射和折射現(xiàn)象.這一切跟牛頓絕對時空觀有著密切聯(lián)系；若沒有其“與事物無關(guān)”的“絕對空間”，光的“直線”就無法形成，光的微粒說就無法驗證，費馬原理就不會產(chǎn)生.

3 后記

“物理觀念”的形成并不是在教師課堂上講一個概念、一個定義或一個公式就完成的，而是首先需要物理教師能通過研究教材、挖掘各種教學(xué)資源，從物理學(xué)視角，進行有效的課堂教學(xué)，使學(xué)生形成對關(guān)于物理、運動與相互作用、能量等有基本的認(rèn)識，如牛頓在前人的理論基礎(chǔ)上，以自己的獨特見解建立了絕對時空觀，使得經(jīng)典物理學(xué)有了牢固的理論基礎(chǔ)，并且對經(jīng)典物理學(xué)有著巨大影響；其次需要教師結(jié)合物理學(xué)史進行授課，使物理概念和物理規(guī)律等在學(xué)生頭腦中得到提煉與升華；最后，能引導(dǎo)學(xué)生從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象并潛移默化引導(dǎo)學(xué)生綜合運用物理知識，多維度地觀察、思考并解決問題[6].