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1、 牛顿万有引力定律的发现过程艾萨克牛顿（Isaac Newton，1642 1727）于伽利略（Galileo Galilei,15641642）逝世的同一年出生。英国 18 世纪诗人蒲柏（Alexander Pope）颂赞牛顿有这样的诗句：“自然与自然的规律隐藏于黑暗里，上帝说让牛顿降生吧！一切就有了光明。 ”他以此来崇敬在科学上建树功绩的牛顿。万有引力定律是牛顿的最著名科学发现之一，正是这个发现奠定了天体力学的基础，并导致牛顿建立他的“宇宙系统” 。关于万有引力定律的发现过程和年代问题，长期以来有许多说法和故事，流传最广的一种说法是牛顿在苹果树下乘凉时，见到苹果落到地上，于是他就思考，苹果
2、为什么落到地上而不到天上呢？为什么月亮不会落下来呢？循此推想下去，就发现了万有引力定律。传说固然是美好的，但事实上，万有引力定律的发现并非像传说那么简单明了，作为这一划时代的科学发现，是需要有坚实的数学和物理基础的。牛顿在 1676 年 2 月 5 号给胡克（Robert Hooke，16351703）的信中曾说过：“如果我曾看的更远些，那是因为我站在巨人们的肩上。 ”这句名言正确的阐明了牛顿在发现万有引力定律的过程中与前人的关系。在牛顿之前，许多科学家如哥白尼（Nicolaus Copernicus，14731543 ） 、伽利略、笛卡尔（Rene Descartes，15961650） 、
3、哈雷（ Edmond Halley， 16561742） 、胡克等都对宇宙进行过观测和研究；丹麦天文学家第谷（Tycho Brahe，15461601）连续二十多年对行星的位置进行了精确测量，积累了大量的数据；开普勒（Johannes Kepler，1571 1630）继承了第谷留下的宝贵材料，并通过观测研究，以及长期艰苦的计算，总结出行星绕太阳运动的三条基本定律，这些都为牛顿发现万有引力定律创造了条件。万有引力定律正是沿着这样的顺序才终于发现的：离心力概念向心力概念引力平方反比思想离心力定律向心力定律引力平方反比定律万有引力与质量乘积成正比万有引力定律。爱因斯坦和狭义相对论的创立狭义相对论是
4、由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作基础上创立的时空理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。 爱因斯坦以光速不变原理出发，建立了新的时空观。进一步，闵科夫斯基为了狭义相对论提供了严格的数学基础， 从而将该理论纳入到带有闵科夫斯基度量的四维空间之几何结构中。 如果相信迈克尔逊的零结果，那么关于地球相对以太运动的想法就是错误的。他说道：“这是引导我走向狭义相对论的第一条途径。自那以后，我开始相信，虽然地球围绕太阳转动，但是，地球运动不可能通过任何光学实验探测太阳转动，但是，地球的运动不可能通过任何光学实验探测出来。 ” 爱因斯坦有机会读了洛伦兹在 1895 年发表的论文，他讨论并完满解决了 u/c 的高
5、次项（u 为运动物体的速度，c 为光速） 。然后爱因斯坦试图假定洛伦兹电子方程在真空参照系中有效，也应该在运动物体的参照系中有效，去讲座菲索实验。在那时，爱因斯坦坚信，麦克斯韦洛伦兹的电动力学方程是正确的。进而这些议程在运动物体参照系中有效的假设导致了光速不变的概念。然而这与经典力学中速度相加原理相违背。为什么这两个概念互相矛盾。爱因斯坦为了解释它，花了差不多一年的时间试图去修改洛伦兹理论。一个偶然的机会。他在一个朋友的帮助下解决了这一问题。爱因斯坦去问他并交谈讨论了这个困难问题的各个方面，突然爱因斯坦找到了解决所有的困难的办法。他说：“我在五周时间里完成了狭义相对论原理。 ” 爱因斯坦的理论
6、否定了以太概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊形式，并对空间、时间的概念进行了深刻的分析，从而建立了新的时空关系。他 1905 年的论文被世界公认为第一篇关于相对论的论文，他则是第一位真正的相对论物理学家。 狭义相对论建立以后，对物理学起到了巨大的推动作用。并且深入到量子力学的范围，成为研究高速粒子不可缺少的理论，而且取得了丰硕的成果。然而在成功的背后，却有两个遗留下的原则性问题没有解决。第一个是惯性系所引起的困难。抛弃了绝对时空后，惯性系成了无法定义的概念。我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立的参考系。惯性定律的实质是一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态。然而“不受外力”
7、是什么意思?只能说，不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动。这样，惯性系的定义就陷入了逻辑循环，这样的定义是无用的。我们总能找到非常近似的惯性系，但宇宙中却不存在真正的惯性系，整个理论如同建筑在沙滩上一般。第二个是万有引力引起的困难。万有引力定律与绝对时空紧密相连，必须修正，但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了，万有引力无法纳入狭义相对论的框架。当时物理界只发现了万有引力和电磁力两种力，其中一种就冒出来捣乱，情况当然不会令人满意。爱因斯坦只用了几个星期就建立起了狭义相对论，然而为解决这两个困难，建立起广义相对论却用了整整十年时间。为解决第一个问题，爱因斯坦干脆取消了惯
8、性系在理论中的特殊地位，把相对性原理推广到非惯性系。因此第一个问题转化为非惯性系的时空结构问题。在非惯性系中遇到的第一只拦路虎就是惯性力。在深入研究了惯性力后，提出了著名的等性原理，发现参考系问题有可能和引力问题一并解决。几经曲折，爱因斯坦终于建立了完整的广义相对论。广义相对论让所有物理学家大吃一惊，引力远比想象中的复杂的多。至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多的几个确定解。它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。法拉第在物理学上的主要贡献他是十九世纪电磁域中最伟大的实验家。 (1)制作了历史上第一台电动机. 1821 年 9 月 3 日，法拉第重做了奥斯特的实验，他用小针放在放在载
9、流铜导线周围的不同位置，发现小磁针有沿着环绕以导线为轴的圆周旋转的倾向。根据这一现象，法拉第设计制作了一种“电磁旋转器” ，让载有电流的导线在一个马蹄形磁铁的磁场中转动，这就是科学史上最早的一台电动机 (2)发现了电磁感应现象.法拉第在 1831 年 11 月 24 日，向英国伦敦皇家学会报告了他的重大发现，归纳出产生感应电流的五种情况：一、变化着的电流；二、变化着的磁；三、运动的稳恒电流；四、运动的磁铁；五、在磁场中运动的导线。法拉第在报告中，把他所观察的现象正式定名叫“电磁感应” 。 (3)在实验基础上总结出法拉第电磁感应定律.1851 年在 论磁力线一书中正式提出电磁感应定律：“形成电流
10、的力和所切割的磁力线根数成正比” 。 (4)制成第一台圆盘发电机.在发现电磁感应现象以后，法拉第设计了圆盘发电机实验把一个铜盘放在一个大的马蹄形磁铁的两极中间，铜盘的轴和边缘各引出一根导线，同电流计相连，构成闭合回路。当铜盘旋转的时候，电流计指示出回路中有电流产生。这就是发电机的雏形。 (5)提出了电场和磁场的概念.法拉第的又一个重要成果，是提出了场的概念和力线的图象。他反对电、磁之间超距作用的说法，设想带电体、磁体或电流周围空间存在一种从电或磁激发出来的物质，它们无所不在，是一种象以太那样的连续介质，起到传递电力、磁力的媒介作用。他把这些物质称做电场、磁场。法拉第还凭借着惊人的想象力，和流体
11、力学中的流场类比，提出电场和磁场是由力的线和力的管子组成的，正是这些力线、力管，把不同的电荷、磁体或电流连接在一起。1852 年，他用铁粉显示出磁棒周围磁力线的形状。 (6)暗示了电磁波存在的可能性，并预言了光可能是一种电磁振动的传播 1832 年，法拉第还用极深邃的物理洞察力对光和电的关系作出了研究。他给英国伦敦皇家学会写了一封密封信，信上写着：“现在应当收藏在皇家学会的档案馆里的一些新的观点。 ”这封信在档案馆里躺了一百多年，直到 1938 年才为后人重新发现，启了封。法拉第在信中预言了磁感应和电感应的传播，暗示了电磁波存在的可能性，还预言了光可能是一种电磁振动的传播。他还发现了光的偏振面
12、在磁场中旋转的旋光效应。物理学史在中学物理教学中的作用1 物理学史的渗入有助于激发学生的学习兴趣 传统教学学生主体意识淡薄，老师习惯于边讲述，边板书，学生只是被动听课和记录，没有独立思考的时间和空间；教师代替学生思考和总结，缺乏师生交流、生生互动；关注学生的心理状况、兴趣和爱好不够，只关注学生的学习成绩等。新课标强调学生的感受和对“过程”的经历与体验，要求老师在课堂教学中，尊重学生的想法和见解，哪怕是不对的；鼓励学生质疑书本、质疑教师；要承认学生的差异；要重问题的思考、重认知的形成。 “兴趣是最好的老师”只有当学生对学习有了兴趣，才能表现出学习的自觉性、主动性，才能积极主动去克服学习中遇到的困
13、难。对物理学史的回顾，了解物理学家的生平、各学派间的争端以及尚未解开的物理课题等可以消除学生对物理知识来源的神秘感。学生就不会认为各个物理学概念、原理和定律的获得只是历史上的某些科学伟人们的“灵感” ，不是历史的巧合和偶然的机遇，科学家也是付出艰辛的努力才能获得巨大的成功（灵感、顿悟只垂青于天才而又勤奋的头脑） ，以此来激发学生学习物理的兴趣。 在讲述物理学史时还可以将科学家作为普通人的一面讲给学生听以引发学生的兴趣。如麦克斯韦少年就出名，牛顿、爱因斯坦学生时代却并不出色；科学家也会犯错误，约里奥.居里夫妇把已经发现的中子错误解释为伽玛射线；著名科学家的身份又是也很普通的，比如爱因斯坦是专利局
14、职员；莫尔斯是画家；亚当斯、勒维利是学生和天文爱好者；欧姆是中学教师。法拉弟、焦耳、瓦特都是自学成材。这些科学家不畏艰险，不慕利禄，不怕权威，追求真理的高尚品质，对培养学生实事求是的科学态度、献身科学的探索精神起着潜移默化的作用。 2 物理学史的渗入有利于培养学生的科学思想方法 物理学之所以被人们公认为一门重要的科学, 不仅仅在于它对客观世界的规律作出了深刻的揭示，还因为它在发展、成长的过程中, 形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。例如：观察和实验、类比和联想、猜测和试探、分析和综合、佯谬和反证方法、科学假设方法等等。 物理学最基本的研究方法是：假说实验理论（或新假说） 。科学家在研究问
15、题时，一般根据以往的观察、实验或各种实验得来的知识进行推断，得出初步的结论，这就是“假说” 。为了验证假说是否正确，需要进一步“实验” ，如果大量的实验结果证明假说是正确的，这种“假说”就上升为“理论” ；否则，就要被修改、补充或放弃，这就是科学发展的一般规律。 居里夫人的观后感电影一开始，在大学的课堂上，教授生动的讲解，一个痴迷于科学的女生，嘴里喃喃念什么却因为过度疲惫而晕倒，已然为居里夫人对科学全身心投入的精神做好了铺垫。一个人如果有了坚实的信仰，他便不会迷失，他便有了坚持，他就会全身心投入到建筑自己的信仰的工作中，在追寻信仰中实现自身的价值，而献身科学、为全人类谋福祉就是居里夫人的信仰，
16、也是居里夫人一生践行的事。 之后，就是与居里的相识，一个后来成为她的丈夫并且改变了彼此一生的人。如我们所知，真正的科学家大抵是孤僻的，他们沉浸在科学的世界中无法自拔，而旁边不相干的人不能理解他们。他们需要的是宁静专注，所以皮埃尔居里会认为女人会干扰自己的研究，他认为自己一生只有科学就足够了，一切直到他们遇见。是默契使然也好，是心有灵犀也罢，他们完全是属于同一世界的人，他们有共同的语言科学，他们有相同的信仰奉献，他们是一世难寻知己，他们携手前进才能在发现镭的曲折道路上义无反顾百折不回。电影中皮埃尔居里在居里夫人将要离开回到自己的祖国波兰的时候，他思前想后，终于放下格调、鼓起勇气，径直走上了楼梯，推开了那扇门，到心爱的人面前说出自己心中的爱意与欣赏，愿与她共度余生的誓言。毕竟科学家不善抒情，他挽留的告白甚至于有些生硬、苍白，然而我想也正是如此，才正是玛丽要找寻的伴侣，或许只要他一个眼神够坚定，什么都不用说，她就什么都懂了。她理所当然地同意了，他们结婚、
