為理想實驗搭橋

劉建新

摘要：牛頓第一定律描述的是物體不受外力怎樣運動，是基于理想實驗的一個重要結論，為初中物理教學難點之一.本文就如何對伽利略理想斜面實驗逐步搭建思維臺階，推導出力不是維持物體運動的原因，并運用理想實驗方法將結論進一步外推，得出物體不受外力將如何運動，闡述了個人觀點及教學處理技巧.

關鍵詞：理想實驗；轉化；推理

牛頓第一定律與學生經驗并不相符，其思想及內涵學生很難理解，教學中可以探究什么？能探究到什么程度？筆者認為合理滲透理想實驗方法并恰當引導學生運用此方法推理出力與運動關系是達成教學目標關鍵所在.筆者從引出問題、對問題轉化處理、遞進式分析數據、結論描述、結論外推等方面給出了相應的片斷設計及思考.

1觀點碰撞 引出探究課題

學生已有認知體驗是物體的運動需要力的維持，教學中可先從學生活經驗出發引出亞里士多德的觀點——力是維持物體運動的原因；繼而搬出伽利略的理想斜面實驗并提出完全相反的觀點：物體運動并不需要力去維持.教學中要注意引導學生領略伽俐略的理想實驗思想，并努力促成學生思維的激烈碰撞.此片斷設計如下：

師講述，引導學生思考：生活中運動的物體的事例很多（用大屏幕展示如馬拉車、手推重物、起重機起吊重物等），設想撤去馬的拉力，車還能繼續運動嗎？手不再推重物，重物還能持續移運嗎？據此你認要維持物體的運動，必須……

總結：在學生回答的基礎上出示亞里士多德的觀點——物體的運動需要力的維持.

過渡：這位大哲學家的觀點是否正確呢？意大利物理學家伽利略卻提出了不同看法.

演示： 如圖1所示

將小球從斜面某一位置由靜止釋放，觀察小球能到達另一斜面的最高點，比較與釋放點高度關系.

講述：伽利略斷定小球到達另一斜面的高度略低于出發時的高度是因為斜面有摩擦，如果沒有摩擦，小球一定會到達相同的高度，也即是說小球似乎是記住了自己出發時的高度，它總要去追尋這一高度.

思考：設不受摩擦力，逐漸減小另一斜面的傾角，小球為到達同樣的高度，就必須要通過更長的路程，若將斜面放至水平，小球為了追尋原先的高度，那么它要怎樣？而在小球運動方向上有力的維持嗎？

學生討論回答后師講述：小球在水平面上會一直運動下去，而小球在運動方向上并沒有力的維持.據此伽利略認為：物體的運動不需要力的維持

2轉化問題降低探究難度

“探究物體不受力如何運動”是一個大課題，如何選定研究對象、控制實驗條件、分析結論？教材提供的方法是：讓水平面上運動小車所受摩擦力逐漸減小，最后推理得到小車不受摩擦力時如何運動.而教材是怎樣將“探究物體不受力如何運動”這一問題遷移到“水平面上運動物體在水平方向上不受力如何運動”問題上的，兩個問題之間存在怎樣的邏輯關聯？探究“水平面上運動物體在水平方向上不受力如何運動”目的是要說明什么觀點？筆者的想法是先不提出物體不受力如何運動，將本節課的探究重點放在“力是否是維持運動的原因”這一問題上，在“維持”二字上下功夫.接上一片斷設計如下：

引導學生思考：根據你的理解簡要說明一下“運動需要力的維持”與“運動不需要力的維持”兩個觀點.

交流總結：在學生回答基礎上作出小結——如果說運動需要力維持，則表現為運動的物體在運動方向上必須有力的作用；如果說運動不需要力的維持，則表現為物體運動方向沒有力的作用運動仍會一直持續.

過渡：如果能用實驗去驗證出伽利略的推論，至少可以說明沿水平方向運動的物體其運動不需要力的維持.

出示問題：水平面上運動物體在運動方向上不受外力將如何運動？

3充分醞釀細化探究方案

實驗設計可圍繞如下幾個方面展開討論：（1）選定一個物體，使之獲得水平方向的初速度（2）設法控制物體運動方向上不受力（3）觀察物體運動情況.物體如何獲得一定的初速度？學生易想到讓物體沿斜面下滑；如何控制物體在運動方向上不受力？教師可類比“探究聲音不能在真空傳播”是如何做到無法在實驗中獲得真空卻得出聲音不能在真空中傳播這一結論的.學生會想到可逐漸減小物體運動方向上的作用力并最后推理得出在運動方向上不受力物體的運動情況.此片斷教學設計如下：

過渡：實驗室條件很好，能否用實驗直接去顯示水平面上運動物體在運動方向上不受外力將如何運動

提出問題，學生討論：（1）如何讓小車沿水平面運動？（2）如何控制小車在水平面上不受運動方向的力（既沒有相同方向的力，也沒有摩擦力）

交流、總結：（1）讓小車從斜面某個位置由靜止釋放，到達水平面即會獲得一定的初速度（2）可以做到讓小車不受與運動方向相同方向上的力，但無法滿足不受摩擦力.

過渡：實驗想要控制運動小車在運動方向上不受任何力的作用，但又不能滿足這一理想條件，怎么辦呢？

老師點撥、學生思考：引導學生回憶如何探究聲音不能在真空中傳播（逐漸減小玻璃內的空氣，聽聲音大小的變化最后推出真空不能傳播聲音），那我們可否逐漸減小運動小車在水平面上所受的摩擦力，觀察分析小車運動情況的變化趨勢，進而得出不受摩擦力其運動情況.

交流、總結：設法讓小車到達水平面時獲得相同的速度，逐漸減小小車在水平面上所受的摩擦力，對比觀察小車的運動情況的不同.

閱讀思考：（1）實驗需要準備的器材？（2）實驗操作具體步驟？（3）實驗記錄表格.

學生敘述：（1）器材的作用；（2）具體操作步驟；（3）表格中記錄的數據內容.

教師總結：展示器材，并用大屏幕出示實驗探究步驟、實驗操作應注意的細節（要保證小車能順利從斜面進入水平面、防止小車從長木板上掉下等）及記錄數據的表格.

4指導實驗獲取探究數據

對于本節內容而言，學生實驗操作過程沒有太大難度.

5合理外推轉化結論描述

教材提供的實驗表格如下表1所示：

表格所能記錄的數據較少，讓學生在此基礎上結合推理得出結論似乎跨度較大.但實驗也沒有必要搜集更多組數據，教師在設計表格時多預留幾行如表2所示，讓學生根據前面幾次數據去推測后面可能出現的數據及現象，再去類推物體不受力時的運動情況，對于學生而言思維坡度就較小，這樣去歸納、推理更為符合學生的認知水平.

對于推理所得到的結論——水平面上運動的物體在運動方向上不受力，將一直運動下去.老師應通過恰當的引導將這一結論進行描述方式上的轉化，讓學生明白這一結論至少表明水平面上物體沿水平方向的運動不需要力維持，初步說明力不是維持物體運動的原因.對結論的轉化描述并不是一味將結論擴大，轉化描述方式目的是要引導學生轉變思想，領會結論的內涵.此片斷設計如下：

展示實驗數據：選取一組學生數據投影

提問：對比各組數據，可以看到摩擦力越小，小車滑行的距離怎樣？小車速度減小的快慢怎樣？

講述：我們發現運動的小車在水平面所受摩擦力越小，小車滑行的距離越大.據此，請用合適的詞語完成下表第4、5行的填空.

更光滑些的玻璃11161……111總結并啟發學生外推：在學生回答的基礎上，教師作小結：運動方向上所受的摩擦力越小，小車滑行距離越大，小車減速越慢，那么當摩擦力為零，小車滑行的距離有多遠？小車的速度還會減小嗎？（讓學生討論）

展示推論：水平面運動的小車，在不受摩擦力時將一直運動下去.

啟發思考：推論說明運動的小車是否需要一個力去維持它在這個方向上的運動？

總結：物體的運動不需要力的維持

6拓展延伸引出牛頓第一定律

物體的運動不需要力的維持，秉承這一思想，運動的物體不受任何力的作用，它的運動仍會保持下去.那么由一般到特殊，也可將靜止看成速度為零的運動，教師順勢提出“靜止的物體，它要保持靜止，需要力的維持嗎？”，將力不是維持運動原因這一思想逐步滲透，學生或許就能給出正確的答案出現這種情況教師在肯定學生答案的同時更要肯定學生思維的飛躍，讓學生享受被認同、及成功的快樂.教師可通過一些適當問題的引導，不斷拓展結論.此片斷設計如下：

講述：看來亞里士多德的觀點是錯的，既然說運動不需要力的維持，那么一個運動的物體，拆除它所受的所有外力，它能一直運動下去嗎？

學生回答后教師評議：對學生的積極思考作出客觀評價.

板書：運動的物體不受任何外力將一直運動下去

引導：如果把靜止也看成是物體速度大小為零的一種運動，這種“運動”的保持需要力的維持嗎？或者說靜止的物體不受力的作用它能一直將靜止這種“運動”進行下去嗎？

學生討論后教師小結：既然物體的運動不需要力的維持，物體速度為零的“運動”也不需要力的維持.

板書：靜止的物體不受任何外力將一直靜止下去

過渡：在一些實驗事實的基礎上推理出運動的物體不受力會一直運動下去，靜止的物體不受力也會保持靜止，這只是理想實驗的一種思維過程，得出的推論還必須要接受檢驗.此外物體在不受力時它保持的運動是一種什么形式的運動？伽利略沒有給出明確的答案.三百多年前英國物理學家牛頓在總結前人成果的基礎上，經過進一步的研究與推理給出了牛頓第一定律.

閱讀：學生看書，了解牛頓第一定律.教師用大屏幕出示牛頓第一定律內容.

提出問題，解讀牛頓第一定律：（1）牛頓第一定律描述的對象；（2）牛頓第一定律的條件及結論；（3）牛頓第一定律揭示了運動與力是怎樣的關系

總結：略

理解運用：為加深學生對第一定律的內化可適當例舉一些習題作針對性的練習.

理想實驗是思想上的實驗，是一種邏輯推理和理論研究的重要方法，學生若能在探究力與運運關系過程真正體會到這種方法的“能量”之大，其價值不亞于認識牛頓第一定律.

參考文獻：

[1]解世雄.物理文化與教育[ M] .北京：科學技術出版社，2009.

[2]張憲魁.物理科學方法教育[ M].青島：中國海洋大學出版社，2000.