基于物理学史的一堂探究课——“牛顿第一定律”的教学设计

王建辉

（阳泉市第十一中学校 山西 阳泉 045000）

1 教学设计思路的建立（略）

2 教学过程

2.1 引入课题

活动1：创设刹车互动游戏，观看神州飞船发射升空的视频.

让学生思考，为什么刹车时人体会向前倾斜？为什么汽车能够做加速运动，为什么可以做减速运动？为什么有的物体做直线运动，有的物体可以转弯？神舟六号发射后，媒体称中国已经掌握微小卫星进动控制的方法，这具体是指什么？

师：所有这些“为什么”实质都是同一个问题，运动背后的原因是什么？这是个古老的话题，最早可以追溯到公元前4世纪.

2.2 历史回眸

2.2.1 亚里士多德（公元前384～公元前322年，古希腊哲学家、自然科学家）

活动2：观看马拉车、拉弓射箭、赛场上滚动的足球的视频.

师：亚里士多德通过诸如马拉车行驶，船夫拉船行驶等生产、生活中物体被推拉后的运动进行观察发现，这些运动必须有推动者，即运动必须有外力维持，否则就归于静止.他认为 “一切运动的物体必定受某物的驱动”，外力是维持物体运动的原因.有力作用则物体动，力停止作用则物体停止运动.同学们同意这个点吗？你能否分析一下理由是什么？

学生交流、讨论后得出亚里士多德观点不正确，没考虑阻力.

师：若没有空气阻力、地面摩擦阻力的存在，水平运动的物体会怎样呢？

生：会一直运动下去.

师：亚里士多德的观点历经2000多年却无人质疑，直到16世纪，物理学家伽利略提出质疑.他第一个意识到摩擦力存在的问题，没有阻力存在，水平运动的物体将会永远运动下去.你们与他的设想是一样的.如何验证其正确与否？

生：通过实验验证.

2.2.2伽俐略（1564～1642年，意大利物理学家、天文学家）

活动3：分组操作弯曲斜面的实验.

在铝合金轨道上垫上毛巾，小球从固定点释放，有摩擦，到达的位置低于释放点的高度；撤去毛巾，更换棉布，在同一点释放，小球爬行的高度增加；撤去棉布同一点释放，小球到达的位置基本与释放点等高.

结论：若轨道无摩擦小球会运动到与释放点等高处.

点评：无摩擦时小球会滑到与释放点等高处是在实验基础上合乎逻辑的推理，是让人信服的结论.

活动4：分组实验，不断减小光滑轨道右侧斜面的倾角.

师：减小斜面的倾角，从同一高度上释放小球，运动的水平距离更远了，为什么？

生：根据刚才的结论，小球仍将要运动到与释放点等高的位置.

师（肯定学生的回答）：继续减小斜面倾角，仍从同一高度释放，小球运动的水平距离越来越远，假如无摩擦，且轨道足够长，小球会怎样？

生：会一直运动下去.

师（活动总结）：这是进一步的实验推理.小球在光滑的水平轨道运动，水平方向不受外力，却可以一直运动下去，这个实验证实了刚才的猜想，也说明亚里士多德的论点的错误，力不是维持物体运动的原因.

板书：如果没有摩擦阻力、流体阻力的影响，在水平面上运动的物体会一直运动下去.

师：回顾伽利略研究力与运动问题的研究思路，是在可靠实验事实的基础上，运用逻辑推理得出规律的思维模式，即理想实验方法.亚里士多德采用的观察法也是一种研究方法，但直觉有时不一定很准确，更不能迷信权威.

视频观看一项体育项目——冰壶球运动，由于球运动过程阻力很小，能以几乎不变的速度前进.

让学生观察气垫导轨上物体近似匀速运动的实验演示，并交流实验体会.

点评：爱因斯坦评价伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端.

那么，为什么我们今天不是学习伽利略定律呢？

2.2.3 法国科学家笛卡儿（1596～1650年）

板书：如果运动中的物体没有受到力的作用，那么，它将继续以同一速度沿直线运动，既不停下来，也不偏离原来的方向.

活动5：对比同时代两位科学家的表述.

师：有什么区别？

生：对比结果可以看出笛卡儿的观点和伽利略的观点的具体差异.笛卡儿补充完善了伽利略结论.

2.2.4 牛顿（1642～1727年）

牛顿系统总结了前人的研究并赋予更新的内涵.

板书：牛顿第一定律：一切物体总保持匀速直线运动或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止.

活动6：理解牛顿第一定律.

让学生大声朗读第69页.

师：牛顿全面总结了力与运动的关系.1687年他的理论体系收录在《自然哲学的数学原理》.牛顿的三个定律成为动力学核心.亚里士多德提出问题，引起争议；伽利略创立方法，引导方向；笛卡儿补充完善，深化认识；牛顿系统总结，明确内涵.牛顿第一定律包含了众多科学家的大胆猜想、假设，是牛顿在对前人的结论提出质疑并进行实验验证的基础上形成的.牛顿曾谦虚地说，如果说我看得更远些，那是因为我站在了巨人的肩膀上.牛顿第一定律的形成过程贯穿了物理学史的全过程.

我国春秋战国末期的《考工论辀人篇》中更有明确的记载，“劝登马力，马力既竭，犹能一取也.”意思是说，马拉车的时候，马虽然对车不再施力了，但车还能继续前进一段路，这显然是在讲述一种现象.

2.3 惯性定律

活动7：放慢400倍的镜头，观看扎破装水气球的视频.

教师：为什么球破时刻水仍然保持原状？

生：水具有保持原有运动状态的性质.

设计小实验用棒敲打叠放的象棋子.请学生继续分析.

点评：物体保持原来匀速直线运动或静止状态的性质叫做惯性.一切物体都具有与生俱来的惯性.

师：物体抵抗运动状态变化的本领与什么因素有关呢？

学生观看高速公路超载的车祸报道.讨论、分析出惯性是物体的固有性质，抵抗运动状态变化的本领，质量大，惯性大，运动状态难改变；质量小，惯性小，运动状态易于改变.

点评：质量是物体惯性大小的量度.

活动8：请学生列举生活中体现与利用惯性的例子.

活动9：教师设计小车实验，请学生猜想，若小车匀速运动，衔住小球的电磁铁突然断开电源，小球掉在哪里？小车加速运动呢？

生：因为小球具有惯性，会掉入小车内.

师：司机为什么要系安全带？（呼应课题引入时的刹车游戏）

点评：牛顿第一定律揭示了一切物体都具有一种保持其原来运动状态的特性即惯性.当物体不受力时，它处于静止或匀速直线运动状态，体现了它保持原来运动状态的特性，当物体受到外力作用时，惯性会对运动状态的改变进行反抗，此时这种特性就明显表示出来，因此，牛顿第一定律又被称为惯性定律.

2.4 课堂小结

师：今天这堂课的学习有何收获呢？

生：牛顿第一定律、惯性、理想实验研究方法、不迷信权威勇于质疑……

师（点评）：近代爱因斯坦等科学家又进一步发展了力与运动的关系.没有哪一个定律是终极真理，物理学的大厦永不封顶，还等待你们为它添砖加瓦.

3 板书设计（略）

4 教学后记

本节课从人类对力和运动关系的认识历史入手，让学生对牛顿第一定律本身的建立有全面、清楚的认识.在物理教学中，恰当运用物理学史，加强物理学史教育，可以使学生在学习中受到科学方法和科学思维的训练，受到物理学科学作风的熏陶，有利于学生掌握科学研究方法，提高科学研究能力，养成科学的态度和精神，从而最终达到全面提高学生科学素养的目的.

1 教育部.普通高中物理课程标准（实验）.北京：人民教育出版社，2011

2 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究中心.普通高中物理课程标准实验教科书物理·必修2.北京：人民教育出版社，2011.67

3 人民教育出版社物理室.普通高中物理课程标准实验教科书 物理·必修2教师教学用书.北京：人民教育出版社，2011.11

4 罗亦超，王一鸣.物理学史与中学物理教学.武汉：湖北大学出版社，1989.1～8