“万有引力”发现过程所运用的“创造性的思维方式”

【摘要】中学物理教学不但要让学生学到人类已发现的必要的自然科学知识，更重要的是让学生了解重大科学发现的过程；了解科学家在重大的科学发现中所使用的思维方法；让学生在学习物理学的同时，不知不觉的受到创造知识的教育。

【关键词】万有引力；科学；接力；创造性；教育

培养学生创造知识的意识和能力，是现代教育的一个重要任务，同时也是一个民族能否不断的培养出科学巨人，进而不断的推动人类进步的关键所在。对此，中学物理教学负有不可推卸的责任。中学物理教学不但要让学生学到人类已发现的必要的自然科学知识，更重要的是让学生了解重大科学发现的过程；了解无数科学家在一个个重大的科学发现中所表现出来的坚忍不拔的意志及其为科学献身的精神；了解科学家在重大的科学发现中所使用的思维方法；让学生在学习物理学的同时，不知不觉的受到创造知识的教育。

中学物理教学中能够培养学创造知识的意识和能力的素材很多，“万有引力”的发现就是其中之一。

从哥白尼提出日心说到卡文迪许完成万有引力常量的测定，人类为万有引力的发现奋斗了200来年的时间，在这两百年的时间里，一代又一代的科学巨人不断为之奋斗。万有引力定律的发现，使人类定量研究天体的运动成为现实，最终导致了今天人类的航天事业。可以想见在不久的将来，人类就会开采其它星球的矿产资源，乃至到其它星球建造地球人的别墅。因此可以毫不夸张的说：万有引力定律是人类历史上最伟大的发现之一，这一伟大的发现来自于科学家的创造性的思维。

牛顿等科学巨人在这一重大发现中所运用的思维方式：

提出疑问合理假设严密推理论证进一步大胆的推测。

1 提出疑问

重大的科学发现往往都是从疑问开始的。自哥白尼提出“日心说”后，伽利略、第谷等科学家对行星的运动又进行了长时间的观测，并积累了大量的数据。德国天文学家开普勒对前人所积累的数据进行了认真细仔的分析研究，提出了“开普勒三定律”，从而解决了行星怎样运动的问题。接下来，科学家们经过长期的思考（提出疑问）：行星为什么要这样运动？是什么力使行星绕太阳运动？

2 大胆而尽量合理的假设

对此，伽利略认为，一切物体都有合并的趋势，这种趋势导致了行星绕太阳做圆周运动；法国物理学家笛卡尔认为，行星的运动是因为在行星的周围有旋转的物质（以太）作用在行星上，使得行星围绕着太阳运动；胡克认为，行星围绕太阳运动是因为受到了太阳对它的引力。

3 推理论证

无论科学家们做出了怎样的假设或猜想，他们都会力求在有限的条件下，运用数学和物理的方法去证明自己的猜想正确与否，胡克就在圆形轨道下证明了行星所受引力的大小跟行星到太阳的距离的二次方成反比（著名的平方反比定律）。牛顿在前人研究的基础上，凭借他超凡的数学能力在椭圆轨道下证明了太阳对行星的引力与行星的质量成正比，与距离的平方成反比，即：F?m/r2。从数学推理的角度看，到这已基本结束。接下来，牛顿巧妙的运用牛顿第三定律得出：行星与太阳之间的引力与太阳跟行星质量的积成正比，与距离的二次方成反比，即：F?Mm/r2。

4 进一步大胆的推测

紧接着，牛顿又研究了月球绕地球的运动，发现它们之间的引力跟太阳与行星的引力遵循同样的规律，于是做了一个大胆的推测——自然界中的任何两个物体也存在相互作用的引力，其引力的大小跟太阳与行星的引力遵循同样的规律。于是得出“万有引力定律”：自然界中的任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟这两个物体的质量的乘积成正比，跟它们距离的二次方成反比。

F?Mm/r2 或 F?GMm/r2

学生在学习万有引力一节时，很容易忽视从太阳与行星间的引力推广到自然界中的任何两个物体的重要性。关于这一点很有必要给学生解释一下：同样的公式F?Mm/r2在推广前后的物理意义完全不同，前者只表示太阳与行星间引力的规律，而后者表示的是自然界中任何两个物体之间存在的引力。万有引力的“万”字，也由此（任何）而来。

5 引力常量G的测定

牛顿在完成了上述工作之后，从严格的意义上说，万有引力的发现过程还没有完成，因为它还需要通过实验的验证；另外，必须测出万有引力常量，该定律才有真正实用的价值；为此人类又做了100余年的努力！最后由卡文迪许巧妙的利用扭秤完成了万有引力常量的测定。至此，万有引力定律经几代科学家历时200来年的跨时空的接力，终于完成了其发现的过程，婵娥奔月的梦想也因此有可能得以实现。

通过以上物理学史的教学，不但有助于学生掌握万有引力定律；更重要的是能让学生了解重大的科学发现之艰辛；能让学生理解科学的思维方式对促进人类文明进步的重要性。唯有那些能够在学习过程中不断的有意识的提升自己的思维能力的人，唯有那些对科学有着执着的献身精神的人，才会有重大的科学发现。