關(guān)于“牛頓第一定律”教學(xué)的改進(jìn)

〔關(guān)鍵詞〕 慣性；概念；運(yùn)動(dòng)

〔中圖分類號(hào)〕 G633.7〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕 C

〔文章編號(hào)〕 1004—0463（2008）08（B）—0049—01

一、牛頓第一定律的形成

1.伽利略、笛卡兒的結(jié)論是形成牛頓第一定律的基礎(chǔ)。伽利略的理想實(shí)驗(yàn)，使他得出這樣的推論：當(dāng)一個(gè)物體在一個(gè)水平面上運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有碰到任何阻礙時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)是勻速的，并將繼續(xù)進(jìn)行下去，假若平面是在空間中無(wú)限延長(zhǎng)的話。之后，笛卡兒對(duì)此問(wèn)題作了進(jìn)一步補(bǔ)充：如果沒(méi)有其他原因，運(yùn)動(dòng)的物體將繼續(xù)以同一速度沿著一條直線運(yùn)動(dòng)，既不會(huì)停下來(lái)，也不會(huì)偏離原來(lái)的方向。伽利略、笛卡兒向世人揭示了物體的運(yùn)動(dòng)來(lái)自于物體自身，外力不是運(yùn)動(dòng)的原因，從而使人們從亞里士多德結(jié)論的禁錮中走了出來(lái)，開(kāi)創(chuàng)了動(dòng)力學(xué)的新局面，為牛頓構(gòu)建動(dòng)力學(xué)理論打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.慣性等概念的確立是形成牛頓第一定律的關(guān)鍵。如果不仔細(xì)研究，人們很有可能將伽利略的結(jié)論與牛頓第一定律在理論上等同起來(lái)，區(qū)別僅是牛頓的敘述語(yǔ)詞更加規(guī)范而已。其實(shí)兩者之間存在著一些實(shí)質(zhì)性的差異，伽利略發(fā)現(xiàn)了物體自身的這種運(yùn)動(dòng)，但他并未深究這種運(yùn)動(dòng)的原因，沒(méi)有提出慣性概念。牛頓在構(gòu)建動(dòng)力學(xué)理論時(shí)，首先他嚴(yán)格定義了當(dāng)時(shí)人們常常混淆的幾個(gè)基本概念，例如，物質(zhì)的量（質(zhì)量）、運(yùn)動(dòng)的量（動(dòng)量）、慣性、外加力、向心力等，在注釋中闡述了他的絕對(duì)時(shí)空觀，其次是提出并論證了牛頓三大定律及其推論的意義。

牛頓第一定律形成的關(guān)鍵是牛頓確立了動(dòng)力學(xué)中幾個(gè)實(shí)質(zhì)性的概念，即質(zhì)量、慣性和外力。最早人們對(duì)于如何研究物體的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，方法不一，伽利略認(rèn)為，首先要研究物體怎樣運(yùn)動(dòng)，然后才能研究物體為什么運(yùn)動(dòng)。伽利略的目的是對(duì)物體怎樣運(yùn)動(dòng)的說(shuō)明，當(dāng)伽利略的推論出現(xiàn)以后，牛頓研究的方向已轉(zhuǎn)向?qū)で笪矬w為什么運(yùn)動(dòng)，以及物體運(yùn)動(dòng)變化的原因。進(jìn)一步的探索，使牛頓確立了外力與慣性的概念，上述兩個(gè)問(wèn)題得到解決，動(dòng)力學(xué)有了質(zhì)的變化，后來(lái)又隨著牛頓在數(shù)學(xué)上的極大成功，進(jìn)一步推動(dòng)著他論證了牛頓三大定律，牛頓三大定律的建立，標(biāo)志著動(dòng)力學(xué)理論正式形成。

3.結(jié)論。牛頓第一定律是牛頓在伽利略等人結(jié)論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立了外力、慣性等概念后，理性思維提升的產(chǎn)物。教材在編排上，顛倒了它們的依賴關(guān)系，造成學(xué)生對(duì)牛頓第一定律的理解缺少慣性概念的支撐，同時(shí)慣性概念的產(chǎn)生，又脫離了它的具體情境，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)定律的理解不深刻，對(duì)慣性概念掌握的不準(zhǔn)確。因此，牛頓第一定律的教學(xué)，實(shí)質(zhì)上是慣性概念的教學(xué)（外力的概念學(xué)生已建立），學(xué)生只有建立好慣性概念，才能真正理解牛頓第一定律。

二、關(guān)于慣性概念教學(xué)的建議

1.慣性概念的產(chǎn)生。按照教材編排，慣性概念應(yīng)在伽利略的推論后，對(duì)理想的勻速直線運(yùn)動(dòng)作進(jìn)一步探索的結(jié)果。教學(xué)過(guò)程可分兩步：

第一，建議在介紹了伽利略和迪卡爾的結(jié)論后，就所描述的靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)，提出讓學(xué)生進(jìn)一步思考的問(wèn)題：任一時(shí)刻觀察者看到物體的這個(gè)運(yùn)動(dòng)從何而來(lái)?讓學(xué)生自己獨(dú)立探究，并相互討論，最后得出：物體此時(shí)的運(yùn)動(dòng)是原來(lái)的。從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，就是與此時(shí)相鄰的上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)。緊接著讓學(xué)生再去探究原來(lái)的或上一時(shí)刻的這個(gè)運(yùn)動(dòng)又是從何而來(lái)?通過(guò)這樣的問(wèn)題讓學(xué)生反復(fù)探究、思考，最終得出：某時(shí)刻物體的這個(gè)運(yùn)動(dòng)是原來(lái)就有的，物體能使運(yùn)動(dòng)延續(xù)下來(lái)，即物體有保持原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種特性。

第二，創(chuàng)設(shè)具體的情境與問(wèn)題（外力作用于物體導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化），讓學(xué)生在分析的基礎(chǔ)上得出：有外力作用而改變物體原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，物體自身總表現(xiàn)出“抵制”和“對(duì)抗”的特性，即阻礙運(yùn)動(dòng)變化，保持原來(lái)狀態(tài)的特性，且用事例說(shuō)明，這種特性的大小與質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量是這種特性大小的量度，因此，質(zhì)量也稱“慣性質(zhì)量”。

2.慣性的定義。目前教材中對(duì)慣性是這樣定義的：物體保持原來(lái)的勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)的特性，叫慣性。

顯然教材中的這個(gè)定義是不夠準(zhǔn)確和全面的，因?yàn)閯蛩僦本€運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)是物體僅在慣性作用下的一種表現(xiàn)，學(xué)生容易對(duì)慣性概念產(chǎn)生誤解，即物體只有在靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，才表現(xiàn)出慣性。牛頓在慣性的定義及其注解里，把慣性與慣性力等同起來(lái)，又過(guò)于強(qiáng)調(diào)慣性的“抵抗”能力，對(duì)中學(xué)生來(lái)說(shuō)過(guò)于深?yuàn)W，不便理解。因此，將慣性定義為：阻礙運(yùn)動(dòng)變化，保持原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。筆者認(rèn)為是比較全面，且又容易被學(xué)生接受的一種說(shuō)法。