学习科学史的意义(2)
发布时间:2021-06-06
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的力才能迫使物体运动,这样的运动是被迫运动。地面上物体的运动都是受迫运动,因为它们已经达到了最低处所。受迫运动依赖于外力,外力一旦消失,受迫运动也就停止了。
亚里士多德关于运动的这些观念当时从常识的角度似乎觉得很自然,很有道理,可是近代物理学恰恰首先要破除这些观念。“运动”观念上的变革首先是由伽利略做出的。伽利略从一个逻辑推理开始批评亚里士多德的理论。他设想一个重物(如铁球)与一个轻物(如纸团)同时下落。按亚里士多德的理论,当然是铁球落得快,纸团落得慢,因为较重物含有更多的重性。现在,伽利略设想把重物与轻物绑在一起下落会发生什么情况。一方面,绑在一起的两个物体构成了一个新的更重的物体,因此,它的速度应该比原来的铁球还快,因为它比铁球更重;但另一方面,两个不同下落速度的物体绑在一起,快的物体必然被慢的物体拖住而不再那么快,同时,慢的物体也被快的物体所带动比从前更快一些,这样,绑在一起的两个物体最终达到一个平衡速度,这个速度比原来的铁球速度小,但比原来纸团速度大。究竟哪种说法更合理呢?各有各的道理!但它们之间却不一致。伽利略据此推测落体速度与其重量有关系的说法值得怀疑,从逻辑上讲,解决这个矛盾的惟一途径是:下落速度与重量无关,所有物体的下落速度都相同。 科学的进步并不完全是靠逻辑推理取得的,伽利略这位近代实验科学精神的创造者,并未满足于逻辑推理,而是继续做了斜面实验。他发现,落体的速度越来越快,是一种匀加速运动,而且加速度与重量无关;他还发现,斜面越陡,加速度越大,斜面越平,则加速度越小,在极限情况下,斜面垂直,相当于自由下落,不同物体的加速度是一样的。当斜面完全水平时,加速度为零,这时一个运动物体就应该是沿直线永远运动下去。斜面实验表明,物体运动的保持并不需要力,需要力的是物体运动的改变。这是一个重大的观念更新!
伽利略没有能够直接对落体运动进行实验,因为当时准确的计时装置还未出现。伽利略发现摆的等时性时是用自己的脉搏计时的,足可以说明当时科学仪器的缺乏。斜面可以使物体下落的加速度减小,因而可以对其进行观测,在此基础上,伽利略最终用“思想实验”由斜面的情形推到自由落体和水平运动的情形。所谓的比萨斜塔实验是没有根据的,因为在伽利略本人的著作里并没有提到这件事情。
这个关于“运动问题”的科学史故事,对读者深入学习牛顿力学知识是有好处的,因为在回顾这个观念更替的过程中,我们自己的观念也不知不觉地发生了改变,这比直接从概念、定律和公式出发去学习牛顿力学当然要生动有趣得多,而且印象也深刻得多。
追究科学史的作用,使我们有必要在“知道”(Knowing)和“理解”(Understanding)之间做出区别。为了掌握一门科学知识,我们大多不是从阅读这门学科的历史开始,相反,我们从记住一大堆陌生的符号、公式、定律开始,然后是在教师和课本的示范下,反复做各种情形下的练习题,直至能把这些陌生的公式、定律灵活运用到处理各种情况为止。但我们真地“理解”这些知识吗?那可不一定。我知道一位非常年轻的大学生,他高考的物理成绩几乎是满分,但是在兴高采烈地去大学报到的旅途上,他却一直在苦苦思考一个问题:为什么人