王蓓

摘 要：《牛頓第一定律》在高中物理教材中被設(shè)為單獨(dú)的一節(jié)內(nèi)容，對(duì)本節(jié)課的教學(xué)研究一直是教師關(guān)注的焦點(diǎn)。我們要從學(xué)生的基本認(rèn)知過程出發(fā)，漸進(jìn)地讓學(xué)生領(lǐng)略科學(xué)家的思想方法，從知識(shí)、方法上升到精神的境界。本文澄清了對(duì)牛頓第一定律的一些模糊史學(xué)認(rèn)識(shí)，并研究了牛頓第一定律的本質(zhì)內(nèi)涵以及在牛頓三大定律中的地位和作用。

關(guān)鍵詞：牛頓第一定律；物理學(xué)史；科學(xué)精神；科學(xué)方法；基石

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）7-0038-3

2016年10月27日，浙江省“變與應(yīng)變——特級(jí)教師論新背景下高中物理教學(xué)”培訓(xùn)中，選擇“牛頓第一定律”作為課題之一，很多教師都感到上好這節(jié)課比較困難，筆者也不例外。由于在初中時(shí)學(xué)生已學(xué)過牛頓第一定律，學(xué)生已有一定的基礎(chǔ)。有些教師為了趕進(jìn)度，并沒有把物理發(fā)展的歷史進(jìn)程講透講深，只是一帶而過，學(xué)生根本沒有得到認(rèn)知的情感體驗(yàn)，沒有領(lǐng)略到科學(xué)家探究物理規(guī)律的曲折過程和科學(xué)精神。其實(shí)，除了牛頓第一定律本身以及慣性概念、慣性定律、慣性的利用與防止等等學(xué)生熟知的內(nèi)容外，教師必須思考高中教學(xué)的落點(diǎn)應(yīng)在哪里？怎么才能對(duì)牛頓第一定律的認(rèn)識(shí)做螺旋式上升？下面以筆者自己的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，針對(duì)教材在以下幾個(gè)方面做了突破。

1 源于生活 高于生活

播放近日中國(guó)太空探索的一大進(jìn)步——“神州”十一號(hào)于2016年10月17日發(fā)射成功的視頻，神圣并壯觀。給學(xué)生展示“神州”十一號(hào)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，如圖1所示。復(fù)雜的軌道圖是科學(xué)家原先設(shè)定好的，龐然大物卻聽從地面控制中心的指揮，指揮中心要它怎么動(dòng)，它就乖乖地聽從指揮，指哪到哪，這就是力與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。我們學(xué)習(xí)了簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)，但只有懂得了動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，才能根據(jù)物體所受的力確定物體的位置、速度變化的規(guī)律。人類必須發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性，去征服自然與認(rèn)知自然，創(chuàng)造條件來控制物體的運(yùn)動(dòng)，這就是我們這一章要學(xué)的核心內(nèi)容——牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律，它揭示了力與運(yùn)動(dòng)之間的復(fù)雜關(guān)系，我們要一起踏踏實(shí)實(shí)地學(xué)習(xí)它。

2 科學(xué)巨匠 引領(lǐng)精神

按照?qǐng)D2所示逐漸理解科學(xué)巨匠的貢獻(xiàn)，以及思想的進(jìn)步。人教版《物理》必修1有這樣一段話：“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”[1]。這是對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的一個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，也是學(xué)生對(duì)亞里士多德的第一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。在學(xué)生的頭腦中，他是阻礙了物理學(xué)的發(fā)展，對(duì)物理學(xué)的發(fā)展是沒有任何貢獻(xiàn)的。因此，我們?cè)诮虒W(xué)時(shí)必須讓學(xué)生重新認(rèn)識(shí)亞里士多德，站在歷史的平臺(tái)上，對(duì)他進(jìn)行正確客觀的評(píng)價(jià)。其實(shí)，亞里士多德是古希臘最有才的人，他的科學(xué)思想似于孔子在東方儒學(xué)界中的地位。亞里士多德對(duì)運(yùn)動(dòng)和力的認(rèn)識(shí)雖然是錯(cuò)誤的，但他在動(dòng)力學(xué)方面給我們的最大貢獻(xiàn)是：他首先提出了力與運(yùn)動(dòng)間存在關(guān)系的論點(diǎn)。

伽利略是第一個(gè)意識(shí)到直覺有時(shí)并不可靠的人，通過理想斜面實(shí)驗(yàn)得到：“若沒有摩擦阻力，球?qū)⒂肋h(yuǎn)沿水平面運(yùn)動(dòng)下去”。[1]伽利略的貢獻(xiàn)不僅在于提出了上述結(jié)論，更重要的是：他是走出“直觀觀察就能得出結(jié)論”誤區(qū)的第一人，認(rèn)識(shí)到要驗(yàn)證一個(gè)結(jié)論是否正確可以通過實(shí)驗(yàn)的方法來進(jìn)行驗(yàn)證，并提出了“理想實(shí)驗(yàn)”科學(xué)研究方法。但是細(xì)推伽利略的結(jié)論，還是有不妥之處——水平面，即貼著地面的軌道，而地球是球形。近距離看，水平面是一條直線，而遠(yuǎn)距離看，卻是圍繞地球表面的圓弧，這并不是真正意義上的直線，所以伽利略所指的是圓周運(yùn)動(dòng)，并非勻速直線運(yùn)動(dòng)。

那么，笛卡爾的貢獻(xiàn)在哪里呢？很多教師認(rèn)為笛卡爾與伽利略觀點(diǎn)是一樣的。我們可仔細(xì)研究一下教材上的兩段原話，伽利略認(rèn)為如果沒有力的作用“小球?qū)⒀厮矫嬉恢边\(yùn)動(dòng)下去”，而笛卡爾則認(rèn)為如果沒有力的作用“小球?qū)⒁酝凰俣妊赝恢本€運(yùn)動(dòng)下去”。此時(shí)，笛卡爾的觀點(diǎn)已經(jīng)前進(jìn)了一大步，他第一個(gè)意識(shí)到：力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，修正伽利略的“水平面”為“一條直線”，并打破局限為“一切方向上的直線運(yùn)動(dòng)”。但是，笛卡爾卻忽略了“沒有受到力作用”的物體是根本不存在的。

牛頓非常認(rèn)真好學(xué)，他學(xué)習(xí)了前人留下的寶貴知識(shí)，總結(jié)出牛頓第一定律。他提出：“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)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)”[1]。他明確表明：力是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的原因，將力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的探究更進(jìn)了一步，并且明確提出物體的固有屬性——慣性這個(gè)概念，動(dòng)者恒動(dòng)，靜者恒靜，直到有外力的作用才會(huì)改變這種狀態(tài)。

在教材中，我們闡述了亞里士多德的觀點(diǎn)，從亞里士多德到伽利略，再?gòu)馁だ缘降芽?，層層遞進(jìn)，科學(xué)地發(fā)現(xiàn)了力與運(yùn)動(dòng)的正確關(guān)系。但是真理是相對(duì)的，不是絕對(duì)的。事實(shí)上慣性定律在牛頓之后也有很大的發(fā)展，例如愛因斯坦提出牛頓三定律的適用條件——低速、宏觀、弱引力，而愛因斯坦的“相對(duì)論”揭示了空間與時(shí)間是有聯(lián)系的，使得慣性定律變得更有包容性……牛頓第一定律是人類理性在兩千多年的歷史長(zhǎng)河中發(fā)展的產(chǎn)物，是一個(gè)漫長(zhǎng)的、經(jīng)過了許多人不斷思考、不斷完善、不斷提高的過程。

3 深層剖析 挖掘內(nèi)涵

認(rèn)真解讀牛頓第一定律文本，可以體會(huì)出牛頓第一定律包含以下內(nèi)容：

（1）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)——一切物體都具有慣性這種屬性。

（2）原狀態(tài)是運(yùn)動(dòng)的物體將保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)——物體的運(yùn)動(dòng)不需要力去維持。

（3）除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)——力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。

（4）定律成立的條件是質(zhì)點(diǎn)在慣性參考系中的運(yùn)動(dòng)描述。

牛頓第一定律的實(shí)質(zhì)是給出了一個(gè)沒有加速度的參考系——慣性參考系，但是學(xué)生自己去解讀定律是很難解讀出“定律成立的條件”這一條的，教師要幫助學(xué)生解讀，必要的時(shí)候要明確指出。

4 辨析概念 升華內(nèi)涵

幾乎所有的《物理》教科書都強(qiáng)調(diào)：因?yàn)榕ｎD第一定律描述了物體具有慣性，所以又把第一定律稱作慣性定律。其中具有代表性的：如北京大學(xué)顧建中先生編寫的《普通物理學(xué)簡(jiǎn)明教程》力學(xué)部分，又如張三惠等編著的《大學(xué)物理學(xué)》力學(xué)，再如馬文蔚先生改編的《物理學(xué)》。牛頓第一定律一方面是描述物體的慣性，它是物體本身具有的一種屬性，動(dòng)則恒動(dòng)，靜則恒靜。慣性的大小只與物體的質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量是慣性大小的量度。牛頓第一定律的另一方面是描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，用外力去改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而物體的慣性又要保持原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)要改變，一個(gè)要保持，這是一對(duì)矛盾的同一體，最終物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到底怎么改變呢？進(jìn)而牛頓第二定律F=ma不但描述了物體的慣性，而且定量地給出了物體的慣性大小可以用慣性質(zhì)量m來描述。

牛頓第一定律的實(shí)質(zhì)是：如果某個(gè)物體或某個(gè)系統(tǒng)不受外力作用，那么這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就不會(huì)改變，也就是加速度為零。在運(yùn)動(dòng)學(xué)中我們學(xué)過參照物，物體的運(yùn)動(dòng)與靜止是相對(duì)的，是相對(duì)于你所選擇的參照物。牛頓第一定律給出的就是以勻速運(yùn)動(dòng)的物體為參考系，就是所謂的慣性參考系，牛頓運(yùn)動(dòng)定律是相對(duì)于慣性參考系才成立的，只有這樣才使我們對(duì)物理問題的研究和物理量的測(cè)量變得有意義。

5 三大定律 力學(xué)基石

牛頓第二定律的物理公式F=ma，只能在慣性參考系中成立，即以勻速運(yùn)動(dòng)的物體為參考系。因?yàn)橹挥性谶@樣的參考系中，物體的加速度a才有確定的測(cè)量值。如果我們選擇有加速度的物體為參考系，那么加速度a的值就將改變，這時(shí)牛頓第二定律就不再成立了。由此可見，沒有牛頓第一定律，牛頓第二定律也就失去了存在的前提。所以牛頓第一定律并不是可有可無的，那種認(rèn)為“牛頓第一定律是牛頓第二定律的特例”，認(rèn)為“當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的加速度為零，物體靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，牛頓第二定律就變成第一定律了”等觀點(diǎn)，顯然是站不住腳的。

同理，牛頓第三定律也是一樣的，我們?nèi)绻x擇有加速度的物體為參考系，那么物體間相互作用力與反作用力就不再相等，即：F≠F'（其中F、F'分別是作用力和反作用力），則第三定律也就不成立了。其實(shí)，后面我們要學(xué)到的動(dòng)量定理I=Ft=Δp、動(dòng)能定理W=Fl =ΔEK等也都是相對(duì)于慣性參考系成立的。

由此可見，牛頓第一定律是一條獨(dú)立的、不可缺少的重要的力學(xué)定律，這三大牛頓運(yùn)動(dòng)定律構(gòu)成了一個(gè)完整的理論體系，是經(jīng)典物理學(xué)的核心知識(shí)。

回眸歷史，科學(xué)發(fā)展的歷程是艱辛的，探究得出的結(jié)果是深刻的，對(duì)結(jié)果的分析升華更是必不可少的。我們要讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，時(shí)時(shí)刻刻都在接受科學(xué)方法與科學(xué)精神的熏陶。物理學(xué)史以其靈活多變的形式，豐富而又蘊(yùn)藏著科學(xué)家素養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容，具有自己獨(dú)特的風(fēng)景，以上是筆者針對(duì)“牛頓第一定律”在幾個(gè)方面的教學(xué)意義的探討，還望同行指正。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2010：68-70.

（欄目編輯 羅琬華）