秦瑾瓊 錢長(zhǎng)炎

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241002)

1 問題的提出

“牛頓第一定律”(又稱慣性定律)在中學(xué)物理教學(xué)中具有重要的地位，其中涉及的斜面實(shí)驗(yàn)無(wú)論是在代表性教科書中還是在相關(guān)專題文章中都認(rèn)為是該定律建立的基礎(chǔ).通過更廣泛的文獻(xiàn)研讀，發(fā)現(xiàn)西方學(xué)者相關(guān)論著與我國(guó)教科書中對(duì)牛頓第一定律相關(guān)實(shí)驗(yàn)的描述存在差異.

在我國(guó)現(xiàn)行高中物理教科書以及權(quán)威物理教育家的早期專題研究中，對(duì)“牛頓第一定律”中所涉及的“斜面實(shí)驗(yàn)”都稱之為“理想實(shí)驗(yàn)”，并且相關(guān)教科書中引用了愛因斯坦對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)的描述，愛因斯坦文獻(xiàn)的中文版本原文確實(shí)是“理想實(shí)驗(yàn)”，我們進(jìn)一步研讀了英文版本，考證出“理想實(shí)驗(yàn)”對(duì)應(yīng)的是“Idealized Experiment”[1]，從字面上翻譯，這應(yīng)該稱為“理想化實(shí)驗(yàn)”，難道說“理想化實(shí)驗(yàn)”與“理想實(shí)驗(yàn)”具有同樣的涵義？究竟是理想實(shí)驗(yàn)還是理想化實(shí)驗(yàn)，或者是近年來受到西方學(xué)者普遍關(guān)注的“思想實(shí)驗(yàn)”？

顯而易見，這不僅僅是名稱的問題，更涉及到人們對(duì)牛頓第一定律得出過程的理解，以及伽利略進(jìn)行科學(xué)研究使用的科學(xué)方法.為了對(duì)這個(gè)問題獲得更加清楚全面的認(rèn)識(shí)，我們有必要對(duì)牛頓第一定律的得出過程以及歷史上伽利略所做的工作進(jìn)行梳理.

2 “牛頓第一定律”的歷史溯源

在伽利略以前，人們對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系有不同的理解，最為代表性的是亞里士多德的觀點(diǎn)，直到伽利略的探索和牛頓時(shí)代“牛頓第一定律”的得出，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)而曲折的過程.

2.1 亞里士多德關(guān)于力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的認(rèn)識(shí)及其研究方法的特點(diǎn)

在亞里士多德的著作中定義“推動(dòng)者”是“有運(yùn)動(dòng)潛能”的事物，即我們現(xiàn)在認(rèn)知中的“施力物體”，他認(rèn)為，因?yàn)椤斑\(yùn)動(dòng)的發(fā)生是靠了同能推動(dòng)者的接觸”，所以在這個(gè)過程中“推動(dòng)者”自身也被推動(dòng)，故“運(yùn)動(dòng)是能運(yùn)動(dòng)事物作為能運(yùn)動(dòng)者的實(shí)現(xiàn)”“推動(dòng)者……是運(yùn)動(dòng)的本源或起因”[2].用現(xiàn)代語(yǔ)言表達(dá)，意思是有些物體是有運(yùn)動(dòng)潛能的我們把它叫做推動(dòng)者，推動(dòng)者在推動(dòng)其他物體的時(shí)候必須與其他物體相接觸，所以推動(dòng)者在推動(dòng)別的事物時(shí)自身也被推動(dòng)，兩者就實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)，因此推動(dòng)者就是事物運(yùn)動(dòng)的原因，也就是說“力是物體運(yùn)動(dòng)的原因”.

到今天我們知道亞里士多德的這個(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，那么他的研究方法出現(xiàn)了錯(cuò)誤還是研究過程存在問題？伽利略對(duì)此進(jìn)行了分析，為人們揭開了事實(shí)的真相.

2.2 伽利略對(duì)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的再認(rèn)識(shí)及慣性定律基本思想的形成

通過歷史我們了解到，伽利略是哥白尼日心說的堅(jiān)定擁護(hù)者，他在著作中通過薩爾維阿蒂(伽利略的代言人)、辛普利邱(代表從亞里士多德的思想中解放出來的聰慧之士)以及沙格列陀(代表常識(shí))[3]三人的對(duì)話展示了他對(duì)物體慣性的推演過程.

以亞里士多德為代表的有些哲學(xué)家認(rèn)為，地球是靜止的，而最能支撐這個(gè)觀點(diǎn)的現(xiàn)象是，“凡垂直向上拋出的物體，即使拋得極高，都從他們被拋出的地方沿原線回到原地.”亞里士多德認(rèn)為，如果地球在運(yùn)動(dòng)，在物體不接觸地面的過程中，地球會(huì)運(yùn)動(dòng)一定的距離，那么物體的落點(diǎn)會(huì)偏移拋出點(diǎn)一定的距離.薩爾維阿蒂就亞里士多德邏輯中的想當(dāng)然提出疑問：“他憑什么證明自由落體是沿垂直線向中心下落呢？”所以亞里士多德的錯(cuò)誤在于他的推理不是從事實(shí)出發(fā)，而是從理論出發(fā)，而這個(gè)理論前提往往是需要證明的結(jié)論.

還有另一個(gè)拋體問題，假設(shè)船的桅桿頂端有一個(gè)石子，無(wú)論船是運(yùn)動(dòng)的還是靜止的，石子都會(huì)落到正下方.這是因?yàn)椋厍蛟谧觥爸苋者\(yùn)動(dòng)”(自轉(zhuǎn))，所以“地球的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)在和天然的傾向，也應(yīng)該是在做同樣的旋轉(zhuǎn)而不是靜止不動(dòng)”[4].這種“內(nèi)在和天然的傾向”想必就是伽利略對(duì)于慣性最早的描述了.

對(duì)于斜面實(shí)驗(yàn)，伽利略先是假設(shè)有一個(gè)“滾圓的球”和一個(gè)“精光的平面”，忽略一切外部的阻礙，球在向下傾斜的平面釋放后會(huì)加速運(yùn)動(dòng)，如果想要球在這個(gè)斜面向上運(yùn)動(dòng)就需要對(duì)它施加一個(gè)“沖力”，它的運(yùn)動(dòng)會(huì)減慢直到停下，因?yàn)檫@不是它的“本性”，這兩種不同的運(yùn)動(dòng)是斜面的斜度決定的，向上的斜度使球受到了阻力.如果斜面既不向上傾斜也不向下傾斜，球就會(huì)天然不動(dòng)，若是將球向哪個(gè)方向推一下，它就會(huì)向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，薩爾維阿蒂問，球會(huì)運(yùn)動(dòng)多久呢？辛普利邱回答，既然沒有阻礙它運(yùn)動(dòng)的原因，那么“平面多長(zhǎng)，球體就運(yùn)動(dòng)多遠(yuǎn)”.伽利略認(rèn)為，物體具有向地心運(yùn)動(dòng)的特性，這樣既不向上也不向下的面是與地心等距離的表面，他接著設(shè)想，自然界中是否有這樣的表面呢？“風(fēng)平浪靜時(shí)，海面就是這樣的表面或平面.”[4]這就是斜面實(shí)驗(yàn).

伽利略是怎么得出這些討論的呢？他的書中借薩爾維阿蒂之口說：“不靠實(shí)驗(yàn)，我也敢保證，結(jié)果將和我告訴你的一樣.”[4]據(jù)此可以看出，伽利略在證明物體具有慣性時(shí)，沒有進(jìn)行物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，而是基于現(xiàn)象和邏輯思辨進(jìn)行推理，即利用思想實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論的.

2.3 牛頓的總結(jié)和表述

在前人所做工作的基礎(chǔ)上，牛頓在他的著作中將慣性定律進(jìn)行了表述：“每一個(gè)物體都保持它自身靜止的或者一直向前均勻地運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，除非由外加的力迫使它改變它自身的狀態(tài)為止.”[5]

3 “思想實(shí)驗(yàn)”的本質(zhì)及斜面實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)

在國(guó)內(nèi)中學(xué)物理教學(xué)領(lǐng)域，“思想實(shí)驗(yàn)”可能并不是一個(gè)很熟悉的詞匯，但是在國(guó)外，這一直是科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)領(lǐng)域的熱門話題.科學(xué)史發(fā)展的過程中，許多重大突破都得益于思想實(shí)驗(yàn)[6].馬赫以后，思想實(shí)驗(yàn)開始走進(jìn)科學(xué)家和哲學(xué)家們的視線，尤其是其對(duì)于教育的重要作用.馬赫認(rèn)為思想實(shí)驗(yàn)可以將物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的條件進(jìn)行理想化和抽象，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)實(shí)驗(yàn)達(dá)不到的條件[7].當(dāng)代思想實(shí)驗(yàn)的代表性觀點(diǎn)認(rèn)為，思想實(shí)驗(yàn)是用想象的裝置來研究事物的本質(zhì)，因?yàn)樗枷雽?shí)驗(yàn)的理論性和實(shí)驗(yàn)性，所以它應(yīng)該與對(duì)實(shí)驗(yàn)的思考、僅僅設(shè)想一些儀器在想象之外進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)、任何有思想的心理學(xué)實(shí)驗(yàn)以及反事實(shí)的推理區(qū)分開[8].它本質(zhì)上屬于一種思維方式，是一種特殊的科學(xué)工具，它在心理層面將理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，我們因此做出預(yù)測(cè)，得出未實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9].

由上文分析的“牛頓第一定律”的得出過程和思想實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)可知，在“牛頓第一定律”發(fā)現(xiàn)過程中起到?jīng)Q定性作用的斜面實(shí)驗(yàn)由于其實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法達(dá)到，不可能進(jìn)行實(shí)際操作，所以其本質(zhì)應(yīng)當(dāng)是思想實(shí)驗(yàn).斜面實(shí)驗(yàn)對(duì)于物理學(xué)的重要意義以及對(duì)于物理學(xué)發(fā)展的重要意義絕不僅僅因?yàn)橘だ悦枋隽艘环N理想的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，更是因?yàn)樗黄屏饲叭说姆椒ǎ瑢⑽锢韺W(xué)變成“真正的科學(xué)”.斜面實(shí)驗(yàn)一定是在想象中完成的，因?yàn)橐笮∏虿皇苋魏巫枇Φ淖饔茫约靶泵骈L(zhǎng)度無(wú)限長(zhǎng)，兩個(gè)條件都是現(xiàn)實(shí)世界無(wú)法達(dá)到的，所以無(wú)法進(jìn)行實(shí)際操作.這個(gè)實(shí)驗(yàn)使伽利略突破了亞里士多德“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”這一理論的桎梏，擺脫了人們?cè)谧枇Υ蟮淖匀唤缰械纳罱?jīng)驗(yàn)，將現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行理想化處理，從而得出正確的結(jié)論，為牛頓第一定律的得出做了最有力的鋪墊，推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展.

4 結(jié)論與啟示

通過對(duì)牛頓第一定律建立過程的分析，對(duì)于本文開始提出的對(duì)牛頓第一定律中所涉及的實(shí)驗(yàn)表述等方面存在的歧義，我們不難得出，想要準(zhǔn)確描述這個(gè)實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)，并且與國(guó)際先進(jìn)的教學(xué)研究接軌，將其稱為思想實(shí)驗(yàn)更為合理.

而理想實(shí)驗(yàn)這個(gè)稱謂的形成，有幾種可能，或許是對(duì)愛因斯坦著作《物理學(xué)的進(jìn)化》中詞語(yǔ)的翻譯錯(cuò)誤，也有可能是對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)表面上“實(shí)驗(yàn)條件為理想狀態(tài)”這個(gè)特點(diǎn)的概括，據(jù)考證，1945年翻譯的版本稱之為“理想的實(shí)驗(yàn)”[10]，1966年以后的版本才改變?yōu)椤袄硐雽?shí)驗(yàn)”.教科書上涉及到的很多實(shí)驗(yàn)都是思想實(shí)驗(yàn)，如伽利略的“自由落體實(shí)驗(yàn)”“薛定諤的貓”等，將這些實(shí)驗(yàn)作為思想實(shí)驗(yàn)在西方已經(jīng)進(jìn)行過很多的討論了，而“理想實(shí)驗(yàn)”則較少能找到國(guó)際權(quán)威著作的支撐.因此將這些實(shí)驗(yàn)都作為一個(gè)類別——思想實(shí)驗(yàn)，發(fā)掘它們的教育功能，才能在教學(xué)中發(fā)揮出其應(yīng)有的作用.

牛頓第一定律經(jīng)過了漫長(zhǎng)的發(fā)展，漸漸顯示出它的真實(shí)模樣，而這其中經(jīng)歷了曲折的探索，融入了科學(xué)家們的智慧，通過以上對(duì)于牛頓第一定律和思想實(shí)驗(yàn)的分析，教科書在展示其中的內(nèi)容時(shí)，將物理學(xué)史以科學(xué)家的思考和探索串聯(lián)起來，將科學(xué)家使用的思想實(shí)驗(yàn)方法展示給學(xué)生，不僅可以向?qū)W生展示歷史的本來面貌，更可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何去思考，同時(shí)領(lǐng)略到實(shí)驗(yàn)背后所蘊(yùn)含的重要意義.將斜面實(shí)驗(yàn)歸為思想實(shí)驗(yàn)，一方面，體現(xiàn)了思想實(shí)驗(yàn)正確的教學(xué)地位，既然科學(xué)家們樂于并善于使用思想實(shí)驗(yàn)，那么將來有望為科學(xué)研究做出貢獻(xiàn)的學(xué)生也應(yīng)該在智力發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期接觸到這一方法，在他們的心里埋下研究的種子，并且通過練習(xí)加以灌溉，有朝一日必定能夠生根發(fā)芽；同時(shí)能夠讓教師和學(xué)生明確，伽利略在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)使用的科學(xué)方法，這體現(xiàn)了伽利略的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，并不是通過有限的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象歸納出結(jié)論，而是基于客觀事實(shí)，再將實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行加工，用思想實(shí)驗(yàn)的工具進(jìn)行研究；另一方面，教科書明確“牛頓第一定律”的發(fā)展過程，尊重史實(shí)，向?qū)W生還原真實(shí)的科學(xué)史和真實(shí)的科學(xué)家，有了權(quán)威教科書的支撐，教師的教學(xué)自然也能上一個(gè)臺(tái)階.教師利用思想實(shí)驗(yàn)積極的教育功能，讓學(xué)生掌握這一科學(xué)研究的重要方法，這樣的過程也能與新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)的科學(xué)探究方法相融合，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

總之，牛頓第一定律這一重要的教學(xué)內(nèi)容中蘊(yùn)含了巨大的寶藏等待著教育工作者去挖掘，隨著課程改革的深入，學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)變得越來越重要，將思想實(shí)驗(yàn)融入教學(xué)中與新課改的理念不謀而合，有朝一日在教學(xué)中實(shí)施一定能夠取得不凡的成果！