基于教材比较的“牛顿第一定律”深度备课

朱文军

(南京师范大学附属中学树人学校，江苏　南京　210036)



基于教材比较的“牛顿第一定律”深度备课

朱文军

(南京师范大学附属中学树人学校，江苏南京210036)

牛顿第一定律是初中物理教学的重点内容，对于学生理解物体二力平衡和在非平衡力作用下的运动状态发生改变有着承前启后的作用.深入了解亚里士多德、伽利略、笛卡尔和牛顿等物理学家的贡献对牛顿第一定律的教学有着重要的意义.

教材比较；牛顿第一定律；深度备课

牛顿第一定律是初中物理教学的重点内容之一，各版本教材处理方式不尽相同.本文试图在研究国内外各版本教材的基础上，理清牛顿第一定律得出的过程，使教师在教学中能参照各版本的特色，丰富牛顿第一定律的教学内容.

1　教材分析

1.1国内初中各版本教材特色

人教版、沪科版和沪科粤版都是先介绍亚里士多德的观点，然后再介绍伽利略的推理过程和斜面实验，最后得出结论，即物体受到阻力为零，速度就不会减小，物体以恒定不变的速度永远运动下去.

北师大版是先介绍惯性的概念，然后再通过斜面实验推理得出结论，即一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态.

苏科版和教科版是通过斜面实验和伽利略推理得出结论，即如果在理想的情况下，水平面绝对光滑，小球受到的阻力为零，它的速度将不会减小，这时物体以恒定不变的速度永远运动下去.

1.2高中人教版教材特色

高中人教版教材是根据生活现象引出亚里士多德的观点，即必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止在一个地方.然后介绍伽利略的理想实验，即运动物体具有某一速度，它不受力，物体将做速度大小不变的运动.

在此基础上介绍笛卡尔对伽利略研究的补充和完善，明确指出：如物体不受外力作用，物体将永远运动，永远不会使自己沿曲线运动，而只沿直线运动，即总保持匀速直线运动状态.

1.3《概念物理》教材分析

《概念物理》教材是从物理学史的角度先介绍亚里士多德把运动分成两类的观点，即自然运动和受迫运动，并宣称自然运动是从物体的“自然”状态出发，它依赖于物体所包含的四种元素的组合(水、土、火和气).水和土的自然本性是向下运动，火和气的自然本性是向上运动.自然运动可以是直线上升或直线下落，就像在地球上所有的物体一样；也可能是做圆周运动，如天体运动.受迫运动来源于推力或拉力，受迫运动是强加的运动.

接着，《概念物理》教材中介绍哥白尼的地动说、伽利略的比萨斜塔实验、伽利略的斜面实验等，紧接着介绍牛顿通过推理改进了伽利略的思想，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”，即一切物体总保持静止状态或匀速直线运动状态，除非有外力迫使它改变为止.

通过比较可以发现，人教版高中教材和《概念物理》对牛顿第一定律得出的过程叙述得比较详细.

2　正确评价科学家的贡献

2.1亚里士多德

大部分人认为亚里士多德提出的“物体越重，下落越快”和“力是使物体运动的原因”的观点是错误的，从而就全面否定亚里士多德的贡献.事实上，亚里士多德对人类的贡献是巨大的，他的传世之作有47部，他是哲学、生物学、教育学等学科的奠基人.在科学研究中，提出问题比解决问题更重要，他虽然提出过错误的观点，这与他所处时代的科学技术水平有关，但是他提出的许多问题都是很有价值的.在2000多年前，科学还处于萌芽阶段，任何人的观点都会有其局限性.

2.2伽利略

如图1所示，在伽利略的单摆实验中物体从A点释放，如果没有空气阻力，物体可以到达与A点等高的B点；从而联想到让小球从M点下落(如图2)，分别在1、2、3、4、5处用钉子挡住摆绳，到达右边的最高点分别是A、B、C、D、E点；再过渡到图3，如果不是单摆而是圆弧轨道，小球从M点释放，在没有摩擦的情况下，小球第一次到达右边时应该是和M点等高的A、B、C、D、E点；如果把圆弧轨道换成斜面(如图4)，随着右边斜面倾角的减小，小球运动的路程变长，才能到达和M点等高的位置，如果右边的斜面倾角为零，小球将一直运动下去.如果这个平面非常大，可以把它看做是地球的一个切面，则由于地球是圆形的，物体就离地面越来越高，即离地心越来越远，所以最终要停下来，只有这个面是一个包围地球的球面时，物体才能永远地运动下去，但这样一来，物体就做匀速圆周运动了.

图3

图4

通过这个理想实验，伽利略认为只能得到这样的结论：水平方向没有受力的物体将一直运动下去，而它的直线运动轨迹是沿与地心等距的曲线，即圆周运动.

2.3笛卡尔

笛卡尔明确指出：除非受到外力的作用，物体将保持其运动状态，并且还特别申明，惯性运动的物体将不会使自己趋向曲线运动，而是保持直线运动.笛卡尔表述的两条定律为：(1) 每一单质微粒都将继续保持同一状态，直到与其他微粒相撞改变这一状态为止；(2) 所有的运动其本身都是沿直线的.

笛卡尔的三个创新之处：(1) 纠正了伽利略认为物体贴着地球表面做圆周运动的说法；(2) 物体不受力时物体的运动状态，也从伽利略的“一直运动下去”，变为“都将保持同一状态”；(3) 认为惯性定律是解决力学问题的关键所在.

2.4牛顿

牛顿在总结伽利略、笛卡尔研究的基础上提出：一切物体总保持静止状态或匀速直线运动状态，除非有外力迫使它改变为止.

牛顿的创新之处是：(1) 实现了由个别到一般的飞跃，这是一个质的飞跃.笛卡尔表述为“单个微粒”，牛顿表述为“一切物体”；(2) 明确指出“一切物体不受力时”将“都保持静止状态或匀速直线运动状态”.笛卡尔的表述是“都将继续保持同一状态”，可能包含“静止”，但是不明确；(3) 把直线运动明确为匀速直线运动.

3　对牛顿第一定律的理解

牛顿第一定律明确提出：任何物体都有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质，这种性质就是惯性.力不是使物体运动的原因，也不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因，从而彻底推翻了亚里士多德提出的统治人们近两千年的观点.在惯性系中牛顿第一定律成立，在非惯性系中牛顿第一定律不成立.

4　知识拓展

粤教沪科版补充了“懂得惯性的小狗”故事：18世纪的某一天，英国一位著名的物理学家抱着一只小狗来到皇家学会.他将小狗放在一个装满了水的脸盆中.一会儿，这只浑身湿透的小狗离开脸盆，不停地抖动身体，以抖落体毛上的水.

“你们看到没有？我的狗懂得惯性呢！”物理学家得意洋洋地说.

其实，这只小狗的反应和其他任何一只淋湿的小狗并没有什么不同，它只是不自觉地利用了惯性而已.

还有很多教材介绍了如图5所示的实验：迅速击打硬纸片，可以看到鸡蛋落入水中.还可以增加趣味实验，如图6所示，在两个酸奶瓶之间放入一张窄的打印纸，迅速抽纸，上面的瓶子可以稳稳立在上面而不会掉下来.

5　小结

有人说，给学生一滴水，自己要有一杯水.作为初中物理教师，我们在教学中可以不给学生介绍牛顿第一定律得出的详细过程，但是我们自己应该弄清楚其中的过程，这样才能深入浅出，也利于学生进入高中以后进一步学习牛顿第一定律.对于基础较好的学生，笔者认为可以向学生多介绍一些物理学史，这样对于学生深刻理解牛顿第一定律是有帮助的.

[1] 郑嫚瑶等.《牛顿第一定律》教学的创新设计[J].物理教学探讨，2013，(8).

[2] 李良杰.牛顿第一定律的教材编制遮论[J].课程教学研究，2013，(2).

[2] 郭桂周等.“牛顿第一定律”物理学史辨[J].物理教师，2012，(11).

[4] 郑青岳.牛顿第一定律教学中的思维因素分析[J].中学物理教学参考，2011，(12).

[5] 陶本友.还原历史真相凸显探究细节——《牛顿第一定律》教学设计[J].中学物理教学参考，2012，(12).

名师简介：朱文军(1976—)，男，安徽凤阳人，南师附中树人学校高级教师、物理教研组长，南京市物理学科教学带头人，南京物理青年教师成长共同体发起人，主要研究初中物理教学.