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黑龙江省教师招聘:站在巨人的肩膀上--《万有引力定律及其应用》第一课时的引入示例

来源:中公黑龙江教师考试网   时间:2019-04-06 14:24:58

各位同学在备考黑龙江教师招聘考试时,可以适当通过故事引入课程,增加课程的趣味性。更多黑龙江教师招聘考试信息请关注黑龙江教育信息网微信公众号hljoffcn520。


同学们,我们小时候都听过这样一个故事:有一天牛顿坐在苹果树下打瞌睡,树上成熟的苹果掉下来砸到他,于是牛顿就发现了万有引力的存在。现在我们知道,这只是童话故事。苹果落地事件或许是一个重要的启发,可是只凭一个启发是不可能得到如此复杂的物理规律的。

好了,我们该回到课堂了,牛顿到底是如何发现万有引力的呢?在谈到发现万有引力的故事时,先要介绍当时天文学的发展进程及已有成果,才能了解牛顿究竟是站在那些“巨人”的肩膀上发现万有引力定律的。

在公元2世纪的古希腊,有一位科学家叫托勒密。托勒密综合了所有前人的天文学说和知识,再加上自己的一些想法,编写了《天文学之大成》一书,他认为,太阳、月亮和所有的星球,都是围绕着地球,在圆形轨道上做着简单的运动,这就是所谓的“地心说”。自那以后,“地心说”成了神圣不可侵犯的宗教教义,延续了若干个世纪。

但是随着天文观测的精度不断提高,地心说越来越无法解释新发现的行星运动现象,受到人们的怀疑。到了1543年,以哥白尼提出日心说为标志,用行星绕太阳运动和地球自转结合来解释天文现象成为主流观点。之后开普勒在第谷的观测数据基础上提出行星运行三定律,较好的描述了行星的运动规律。它一经确立,地心说中行星复杂的运动就此失去了支撑点。开普勒三定律成了天空世界的“法律”,而开普勒被尊称为“天空的立法者”。与此同时,开普勒三定律也向世人抛出了更为深刻的三个问题:

1.行星的轨道是椭圆的,是什么作用力,维持行星在椭圆轨道上运行呢?

2.太阳与行星的连线在相同的时间内扫过相同的面积,表明这种作用力具有什么特点呢?

3.行星运行周期与轨道半径的关系(周期的平方与轨道半径的三次方成正比),这又意味这种作用力遵循什么规律呢?

我们知道行星绕太阳运动必然需要向心力,可是,是什么力充当了向心力呢?

开普勒自己在探索行星运动规律时,产生了寻找运动的动力学原因的思想。他早想到这个力是来自于太阳的,它在轨道平面内沿切线方向作用于行星。他认为,引力就是太阳发出的磁力流,它象轮辐一样在黄道面上沿太阳的旋转方向转动,这些磁力流沿切线方向推动着行星公转,其强度随离太阳的距离增大而减弱。同一时期,笛卡尔通过对于“行星保持在轨道上运动的原因”的探索,发表了他的漩涡说,被当时很多人所接受,牛顿本人也是在这种理论的影响下成长起来的,因为当时在英国和各大学都讲授这个理论。漩涡说的理论是:所有空间都充满了流体或以太,它们的各部分相互作用并产生园运动,这样,这种流体就形成了许多大小、速度和密度各不相同的漩涡。在太阳周围有一个巨大的漩涡,它的回旋带动了地球和其他行星的绕日运动。

这些理论的出发点是错误的,但是这些理论把观察的实验现象作为出发点,从事实本身去寻求运动原因,这标志着物理学的巨大进步。后人在其基础上又取得了进一步的发展,这些进展直接推动了牛顿的思考。

布里阿德的“平方反比”思想:

1645年法国天文学家布里阿德提出了一个假设:“从太阳发出的力,应该和离太阳的距离的平方成反比而减小。”这是第一次提出平方反比关系的思想。牛顿正是在布里阿德的思想的影响下证明平方反比关系的。

惠更斯的向心加速度理论:

惠更斯在研究摆的运动时,于1673年给出了向心力加速度理论。向心加速度的大小与速度的平方成正比,而与距离(半径)成反比。假如惠更斯将他的向心加速度公式同开普勒第三定律联系起来,便有可能在牛顿之前发现行星运动的理论和引力的平方反比定律。可是,惠更斯没有那样做。在行星运动的问题上,他没能进一步地看出这个向心力就是引力。

牛顿的伟大,就是看出了使月亮绕地球运动的向心力与使苹果落向地面的吸引力是同一种力。牛顿又进一步发展他的想法。他认为“重力”是“万有”的。每个物体都会吸引其他物体,而这股引力的大小只跟物体的质量与物体间的距离有关。

到这一步,牛顿的眼光已经超越了天体运动的范畴,他站在之前无数伟大科学家提供的理论与数据基础上,不但为人们展现出了天体遵守开普勒运动定律的本质原因,更揭示了物体间一种最为本质的相互联系,对物理学、天文学的发展具有深远的影响。

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