朱文軍

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校，江蘇　南京　210036)

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基于教材比較的“牛頓第一定律”深度備課

朱文軍

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校，江蘇南京210036)

牛頓第一定律是初中物理教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)于學(xué)生理解物體二力平衡和在非平衡力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變有著承前啟后的作用.深入了解亞里士多德、伽利略、笛卡爾和牛頓等物理學(xué)家的貢獻(xiàn)對(duì)牛頓第一定律的教學(xué)有著重要的意義.

教材比較；牛頓第一定律；深度備課

牛頓第一定律是初中物理教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一，各版本教材處理方式不盡相同.本文試圖在研究國內(nèi)外各版本教材的基礎(chǔ)上，理清牛頓第一定律得出的過程，使教師在教學(xué)中能參照各版本的特色，豐富牛頓第一定律的教學(xué)內(nèi)容.

1　教材分析

1.1國內(nèi)初中各版本教材特色

人教版、滬科版和滬科粵版都是先介紹亞里士多德的觀點(diǎn)，然后再介紹伽利略的推理過程和斜面實(shí)驗(yàn)，最后得出結(jié)論，即物體受到阻力為零，速度就不會(huì)減小，物體以恒定不變的速度永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.

北師大版是先介紹慣性的概念，然后再通過斜面實(shí)驗(yàn)推理得出結(jié)論，即一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài).

蘇科版和教科版是通過斜面實(shí)驗(yàn)和伽利略推理得出結(jié)論，即如果在理想的情況下，水平面絕對(duì)光滑，小球受到的阻力為零，它的速度將不會(huì)減小，這時(shí)物體以恒定不變的速度永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.

1.2高中人教版教材特色

高中人教版教材是根據(jù)生活現(xiàn)象引出亞里士多德的觀點(diǎn)，即必須有力作用在物體上，物體才能運(yùn)動(dòng)；沒有力的作用，物體就要靜止在一個(gè)地方.然后介紹伽利略的理想實(shí)驗(yàn)，即運(yùn)動(dòng)物體具有某一速度，它不受力，物體將做速度大小不變的運(yùn)動(dòng).

在此基礎(chǔ)上介紹笛卡爾對(duì)伽利略研究的補(bǔ)充和完善，明確指出：如物體不受外力作用，物體將永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)，永遠(yuǎn)不會(huì)使自己沿曲線運(yùn)動(dòng)，而只沿直線運(yùn)動(dòng)，即總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

1.3《概念物理》教材分析

《概念物理》教材是從物理學(xué)史的角度先介紹亞里士多德把運(yùn)動(dòng)分成兩類的觀點(diǎn)，即自然運(yùn)動(dòng)和受迫運(yùn)動(dòng)，并宣稱自然運(yùn)動(dòng)是從物體的“自然”狀態(tài)出發(fā)，它依賴于物體所包含的四種元素的組合(水、土、火和氣).水和土的自然本性是向下運(yùn)動(dòng)，火和氣的自然本性是向上運(yùn)動(dòng).自然運(yùn)動(dòng)可以是直線上升或直線下落，就像在地球上所有的物體一樣；也可能是做圓周運(yùn)動(dòng)，如天體運(yùn)動(dòng).受迫運(yùn)動(dòng)來源于推力或拉力，受迫運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)加的運(yùn)動(dòng).

接著，《概念物理》教材中介紹哥白尼的地動(dòng)說、伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)、伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)等，緊接著介紹牛頓通過推理改進(jìn)了伽利略的思想，最后得出“Every object continues in its state of rest, or of uniform motion in a straight line, unless it is compelled to change that state by forces impressed upon it”，即一切物體總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除非有外力迫使它改變?yōu)橹?

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，人教版高中教材和《概念物理》對(duì)牛頓第一定律得出的過程敘述得比較詳細(xì).

2　正確評(píng)價(jià)科學(xué)家的貢獻(xiàn)

2.1亞里士多德

大部分人認(rèn)為亞里士多德提出的“物體越重，下落越快”和“力是使物體運(yùn)動(dòng)的原因”的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，從而就全面否定亞里士多德的貢獻(xiàn).事實(shí)上，亞里士多德對(duì)人類的貢獻(xiàn)是巨大的，他的傳世之作有47部，他是哲學(xué)、生物學(xué)、教育學(xué)等學(xué)科的奠基人.在科學(xué)研究中，提出問題比解決問題更重要，他雖然提出過錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，這與他所處時(shí)代的科學(xué)技術(shù)水平有關(guān)，但是他提出的許多問題都是很有價(jià)值的.在2000多年前，科學(xué)還處于萌芽階段，任何人的觀點(diǎn)都會(huì)有其局限性.

2.2伽利略

如圖1所示，在伽利略的單擺實(shí)驗(yàn)中物體從A點(diǎn)釋放，如果沒有空氣阻力，物體可以到達(dá)與A點(diǎn)等高的B點(diǎn)；從而聯(lián)想到讓小球從M點(diǎn)下落(如圖2)，分別在1、2、3、4、5處用釘子擋住擺繩，到達(dá)右邊的最高點(diǎn)分別是A、B、C、D、E點(diǎn)；再過渡到圖3，如果不是單擺而是圓弧軌道，小球從M點(diǎn)釋放，在沒有摩擦的情況下，小球第一次到達(dá)右邊時(shí)應(yīng)該是和M點(diǎn)等高的A、B、C、D、E點(diǎn)；如果把圓弧軌道換成斜面(如圖4)，隨著右邊斜面傾角的減小，小球運(yùn)動(dòng)的路程變長，才能到達(dá)和M點(diǎn)等高的位置，如果右邊的斜面傾角為零，小球?qū)⒁恢边\(yùn)動(dòng)下去.如果這個(gè)平面非常大，可以把它看做是地球的一個(gè)切面，則由于地球是圓形的，物體就離地面越來越高，即離地心越來越遠(yuǎn)，所以最終要停下來，只有這個(gè)面是一個(gè)包圍地球的球面時(shí)，物體才能永遠(yuǎn)地運(yùn)動(dòng)下去，但這樣一來，物體就做勻速圓周運(yùn)動(dòng)了.

圖3

圖4

通過這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，伽利略認(rèn)為只能得到這樣的結(jié)論：水平方向沒有受力的物體將一直運(yùn)動(dòng)下去，而它的直線運(yùn)動(dòng)軌跡是沿與地心等距的曲線，即圓周運(yùn)動(dòng).

2.3笛卡爾

笛卡爾明確指出：除非受到外力的作用，物體將保持其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且還特別申明，慣性運(yùn)動(dòng)的物體將不會(huì)使自己趨向曲線運(yùn)動(dòng)，而是保持直線運(yùn)動(dòng).笛卡爾表述的兩條定律為：(1) 每一單質(zhì)微粒都將繼續(xù)保持同一狀態(tài)，直到與其他微粒相撞改變這一狀態(tài)為止；(2) 所有的運(yùn)動(dòng)其本身都是沿直線的.

笛卡爾的三個(gè)創(chuàng)新之處：(1) 糾正了伽利略認(rèn)為物體貼著地球表面做圓周運(yùn)動(dòng)的說法；(2) 物體不受力時(shí)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也從伽利略的“一直運(yùn)動(dòng)下去”，變?yōu)椤岸紝⒈３滞粻顟B(tài)”；(3) 認(rèn)為慣性定律是解決力學(xué)問題的關(guān)鍵所在.

2.4牛頓

牛頓在總結(jié)伽利略、笛卡爾研究的基礎(chǔ)上提出：一切物體總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除非有外力迫使它改變?yōu)橹?

牛頓的創(chuàng)新之處是：(1) 實(shí)現(xiàn)了由個(gè)別到一般的飛躍，這是一個(gè)質(zhì)的飛躍.笛卡爾表述為“單個(gè)微?！保ｎD表述為“一切物體”；(2) 明確指出“一切物體不受力時(shí)”將“都保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”.笛卡爾的表述是“都將繼續(xù)保持同一狀態(tài)”，可能包含“靜止”，但是不明確；(3) 把直線運(yùn)動(dòng)明確為勻速直線運(yùn)動(dòng).

3　對(duì)牛頓第一定律的理解

牛頓第一定律明確提出：任何物體都有保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，這種性質(zhì)就是慣性.力不是使物體運(yùn)動(dòng)的原因，也不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，而是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，從而徹底推翻了亞里士多德提出的統(tǒng)治人們近兩千年的觀點(diǎn).在慣性系中牛頓第一定律成立，在非慣性系中牛頓第一定律不成立.

4　知識(shí)拓展

粵教滬科版補(bǔ)充了“懂得慣性的小狗”故事：18世紀(jì)的某一天，英國一位著名的物理學(xué)家抱著一只小狗來到皇家學(xué)會(huì).他將小狗放在一個(gè)裝滿了水的臉盆中.一會(huì)兒，這只渾身濕透的小狗離開臉盆，不停地抖動(dòng)身體，以抖落體毛上的水.

“你們看到?jīng)]有？我的狗懂得慣性呢！”物理學(xué)家得意洋洋地說.

其實(shí)，這只小狗的反應(yīng)和其他任何一只淋濕的小狗并沒有什么不同，它只是不自覺地利用了慣性而已.

還有很多教材介紹了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)：迅速擊打硬紙片，可以看到雞蛋落入水中.還可以增加趣味實(shí)驗(yàn)，如圖6所示，在兩個(gè)酸奶瓶之間放入一張窄的打印紙，迅速抽紙，上面的瓶子可以穩(wěn)穩(wěn)立在上面而不會(huì)掉下來.

5　小結(jié)

有人說，給學(xué)生一滴水，自己要有一杯水.作為初中物理教師，我們?cè)诮虒W(xué)中可以不給學(xué)生介紹牛頓第一定律得出的詳細(xì)過程，但是我們自己應(yīng)該弄清楚其中的過程，這樣才能深入淺出，也利于學(xué)生進(jìn)入高中以后進(jìn)一步學(xué)習(xí)牛頓第一定律.對(duì)于基礎(chǔ)較好的學(xué)生，筆者認(rèn)為可以向?qū)W生多介紹一些物理學(xué)史，這樣對(duì)于學(xué)生深刻理解牛頓第一定律是有幫助的.

[1] 鄭嫚瑤等.《牛頓第一定律》教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2013，(8).

[2] 李良杰.牛頓第一定律的教材編制遮論[J].課程教學(xué)研究，2013，(2).

[2] 郭桂周等.“牛頓第一定律”物理學(xué)史辨[J].物理教師，2012，(11).

[4] 鄭青岳.牛頓第一定律教學(xué)中的思維因素分析[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2011，(12).

[5] 陶本友.還原歷史真相凸顯探究細(xì)節(jié)——《牛頓第一定律》教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2012，(12).

名師簡介：朱文軍(1976—)，男，安徽鳳陽人，南師附中樹人學(xué)校高級(jí)教師、物理教研組長，南京市物理學(xué)科教學(xué)帶頭人，南京物理青年教師成長共同體發(fā)起人，主要研究初中物理教學(xué).