基于教材比較的“牛頓第一定律”深度備課

朱文軍

(南京師范大學附屬中學樹人學校，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

(南京師范大學附屬中學樹人學校，江蘇南京210036)

牛頓第一定律是初中物理教學的重點內容，對于學生理解物體二力平衡和在非平衡力作用下的運動狀態發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家的貢獻對牛頓第一定律的教學有著重要的意義.

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的重點內容之一，各版本教材處理方式不盡相同.本文試圖在研究國內外各版本教材的基礎上，理清牛頓第一定律得出的過程，使教師在教學中能參照各版本的特色，豐富牛頓第一定律的教學內容.

1　教材分析

1.1國內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，然后再介紹伽利略的推理過程和斜面實驗，最后得出結論，即物體受到阻力為零，速度就不會減小，物體以恒定不變的速度永遠運動下去.

北師大版是先介紹慣性的概念，然后再通過斜面實驗推理得出結論，即一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，直到有外力迫使它改變這種狀態.

蘇科版和教科版是通過斜面實驗和伽利略推理得出結論，即如果在理想的情況下，水平面絕對光滑，小球受到的阻力為零，它的速度將不會減小，這時物體以恒定不變的速度永遠運動下去.

1.2高中人教版教材特色

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

在此基礎上介紹笛卡爾對伽利略研究的補充和完善，明確指出：如物體不受外力作用，物體將永遠運動，永遠不會使自己沿曲線運動，而只沿直線運動，即總保持勻速直線運動狀態.

1.3《概念物理》教材分析

《概念物理》教材是從物理學史的角度先介紹亞里士多德把運動分成兩類的觀點，即自然運動和受迫運動，并宣稱自然運動是從物體的“自然”狀態出發，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動，火和氣的自然本性是向上運動.自然運動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；也可能是做圓周運動，如天體運動.受迫運動來源于推力或拉力，受迫運動是強加的運動.

接著，《概念物理》教材中介紹哥白尼的地動說、伽利略的比薩斜塔實驗、伽利略的斜面實驗等，緊接著介紹牛頓通過推理改進了伽利略的思想，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狀態或勻速直線運動狀態，除非有外力迫使它改變為止.

通過比較可以發現，人教版高中教材和《概念物理》對牛頓第一定律得出的過程敘述得比較詳細.

2　正確評價科學家的貢獻

2.1亞里士多德

大部分人認為亞里士多德提出的“物體越重，下落越快”和“力是使物體運動的原因”的觀點是錯誤的，從而就全面否定亞里士多德的貢獻.事實上，亞里士多德對人類的貢獻是巨大的，他的傳世之作有47部，他是哲學、生物學、教育學等學科的奠基人.在科學研究中，提出問題比解決問題更重要，他雖然提出過錯誤的觀點，這與他所處時代的科學技術水平有關，但是他提出的許多問題都是很有價值的.在2000多年前，科學還處于萌芽階段，任何人的觀點都會有其局限性.

2.2伽利略

如圖1所示，在伽利略的單擺實驗中物體從A點釋放，如果沒有空氣阻力，物體可以到達與A點等高的B點；從而聯想到讓小球從M點下落(如圖2)，分別在1、2、3、4、5處用釘子擋住擺繩，到達右邊的最高點分別是A、B、C、D、E點；再過渡到圖3，如果不是單擺而是圓弧軌道，小球從M點釋放，在沒有摩擦的情況下，小球第一次到達右邊時應該是和M點等高的A、B、C、D、E點；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，小球運動的路程變長，才能到達和M點等高的位置，如果右邊的斜面傾角為零，小球將一直運動下去.如果這個平面非常大，可以把它看做是地球的一個切面，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，所以最終要停下來，只有這個面是一個包圍地球的球面時，物體才能永遠地運動下去，但這樣一來，物體就做勻速圓周運動了.

圖3

圖4

通過這個理想實驗，伽利略認為只能得到這樣的結論：水平方向沒有受力的物體將一直運動下去，而它的直線運動軌跡是沿與地心等距的曲線，即圓周運動.

2.3笛卡爾

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

笛卡爾的三個創新之處：(1) 糾正了伽利略認為物體貼著地球表面做圓周運動的說法；(2) 物體不受力時物體的運動狀態，也從伽利略的“一直運動下去”，變為“都將保持同一狀態”；(3) 認為慣性定律是解決力學問題的關鍵所在.

2.4牛頓

牛頓在總結伽利略、笛卡爾研究的基礎上提出：一切物體總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態，除非有外力迫使它改變為止.

牛頓的創新之處是：(1) 實現了由個別到一般的飛躍，這是一個質的飛躍.笛卡爾表述為“單個微粒”，牛頓表述為“一切物體”；(2) 明確指出“一切物體不受力時”將“都保持靜止狀態或勻速直線運動狀態”.笛卡爾的表述是“都將繼續保持同一狀態”，可能包含“靜止”，但是不明確；(3) 把直線運動明確為勻速直線運動.

3　對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狀態或勻速直線運動狀態的性質，這種性質就是慣性.力不是使物體運動的原因，也不是維持物體運動的原因，而是改變物體運動狀態的原因，從而徹底推翻了亞里士多德提出的統治人們近兩千年的觀點.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　知識拓展

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

“你們看到沒有？我的狗懂得慣性呢！”物理學家得意洋洋地說.

其實，這只小狗的反應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所示的實驗：迅速擊打硬紙片，可以看到雞蛋落入水中.還可以增加趣味實驗，如圖6所示，在兩個酸奶瓶之間放入一張窄的打印紙，迅速抽紙，上面的瓶子可以穩穩立在上面而不會掉下來.

5　小結

有人說，給學生一滴水，自己要有一杯水.作為初中物理教師，我們在教學中可以不給學生介紹牛頓第一定律得出的詳細過程，但是我們自己應該弄清楚其中的過程，這樣才能深入淺出，也利于學生進入高中以后進一步學習牛頓第一定律.對于基礎較好的學生，筆者認為可以向學生多介紹一些物理學史，這樣對于學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》教學的創新設計[J].物理教學探討，2013，(8).

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

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

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

[5] 陶本友.還原歷史真相凸顯探究細節——《牛頓第一定律》教學設計[J].中學物理教學參考，2012，(12).

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