牛頓第一定律的初、高中教學(xué)比較研究

吳文建+許新勝

摘 要：牛頓第一定律是初中和高中物理中都要學(xué)習(xí)的重要知識(shí).現(xiàn)行的人教版初、高中物理教科書均有一節(jié)以“牛頓第一定律”為標(biāo)題的教學(xué)內(nèi)容.這兩個(gè)階段所進(jìn)行的教學(xué)應(yīng)既有共同點(diǎn)，又有區(qū)別.本文將通過對(duì)比研究，揭示初、高中階段所分別要講清的具體內(nèi)容，以期對(duì)初、高中物理教師的教學(xué)提供一定的參考.

關(guān)鍵詞：牛頓第一定律；運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系；慣性

“牛頓第一定律”這部分內(nèi)容，在現(xiàn)行人教版初中物理教科書中被安排在第八章“運(yùn)動(dòng)和力”的第一節(jié)中.初中物理教科書對(duì)此的內(nèi)容編排是：“阻力對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響”、“牛頓第一定律”和“慣性”.“牛頓第一定律”這部分內(nèi)容在人教版高中物理教科書中被安排在第四章“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”第一節(jié)中，在內(nèi)容編排上，這一節(jié)也被分成三部分來學(xué)習(xí)，分別是：“理想實(shí)驗(yàn)的魅力”、“牛頓第一定律”和“慣性與質(zhì)量”.

1 運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系

初、高中教材中這一節(jié)第一部分的標(biāo)題雖然不同，但討論的都是運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系問題.內(nèi)容上都提到兩種不同的觀點(diǎn).其一是亞里士多德的觀點(diǎn)：“如果要使一個(gè)物體持續(xù)運(yùn)動(dòng)，就必須對(duì)它施加力的作用；如果這個(gè)力被撤掉，物體就會(huì)停止運(yùn)動(dòng)”[1]（初中教科書沒有明確說這是亞里士多德的觀點(diǎn)，高中教科書上說明了）；其二是伽利略的觀點(diǎn)：“物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持，運(yùn)動(dòng)的物體之所以停下來，是因?yàn)槭艿搅俗枇Α盵1].接下來教科書詳細(xì)分析了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，以證明伽利略的觀點(diǎn)是正確的.初中教科書中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是：如圖1，將棉布鋪在水平木板上，讓小車從斜面頂端由靜止滑下，觀察小車在鋪有棉布的木板上滑行的距離；去掉木板上的棉布，再次讓小車從斜面頂端由靜止滑下，觀察小車在木板上滑行的距離.

高中物理教科書介紹的是伽利略的理想（斜面）實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是：讓小球沿一個(gè)斜面從靜止?fàn)顟B(tài)開始向下運(yùn)動(dòng)，小球?qū)ⅰ皼_”上另一個(gè)斜面，如果沒有摩擦，小球?qū)⑸仙皆瓉淼母叨?減小第二個(gè)斜面的傾角，小球在這個(gè)斜面上仍將達(dá)到同一高度，但這時(shí)它要運(yùn)動(dòng)得遠(yuǎn)些.繼續(xù)減小第二個(gè)斜面的傾角，球達(dá)到同一高度時(shí)就會(huì)運(yùn)動(dòng)得更遠(yuǎn).

這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都能在可靠實(shí)驗(yàn)的事實(shí)基礎(chǔ)上，經(jīng)推理得出伽利略的觀點(diǎn).相對(duì)來說，初中課本中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)理解起來要容易一些，所以幾乎各版本初中物理教科書都采用前者的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案.“小車從高處滑下”這個(gè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是：水平面越光滑，小車運(yùn)動(dòng)的距離就越遠(yuǎn).這可以說明：在水平面上運(yùn)動(dòng)的小車所受的阻力越小，它的速度減小地就越慢.在此基礎(chǔ)上進(jìn)行推理：在水平面上運(yùn)動(dòng)的小車如果不受阻力，速度就不會(huì)減小，小車將以恒定不變的速度一直運(yùn)動(dòng)下去.[1]

2 牛頓第一定律

這一節(jié)的第二部分——牛頓第一定律.初中物理教科書對(duì)牛頓第一定律的陳述是：“一切物體在沒有受到力的作用時(shí)，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”[1].高中物理教科書對(duì)此的陳述是：“一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài).”[2]仔細(xì)閱讀，發(fā)現(xiàn)這兩種陳述能表達(dá)的含義不同.筆者認(rèn)為初中課本中的陳述能揭示物體的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不需要力來維持（或者說力不是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的原因）.高中課本中的陳述除了能揭示這一點(diǎn)外，還能揭示出力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因.在牛頓的著作——《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中，其陳述是：A body at rest remains at rest， and a body in motion moves with uniform velocity in a straight line， unless a force acts on it.[3]（每個(gè)物體都保持其靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，除非有外力作用于它迫使它改變那個(gè)狀態(tài)[4].）可見高中課本中的陳述是保留原著中的完整意思.初中教科書為便于學(xué)生理解和記憶牛頓第一定律，采用條件關(guān)系的陳述句，但把“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”這層意思沒有明顯地表達(dá)出來，這應(yīng)該是考慮到初中生的認(rèn)知水平.

3 慣性

初中物理教科書先介紹慣性的概念，然后通過實(shí)驗(yàn)和相關(guān)事例認(rèn)識(shí)物體的慣性，最后講到慣性的利用與防止.高中物理教科書中這一部分的標(biāo)題是“慣性與質(zhì)量”，慣性的概念在上一小節(jié)已作了介紹，這部分著重介紹慣性與質(zhì)量的關(guān)系.對(duì)于慣性與質(zhì)量的關(guān)系，人教版初中物理教科書是沒有的.查閱《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)慣性知識(shí)點(diǎn)的要求僅僅是：“用物體的慣性解釋自然界和生活中的有關(guān)現(xiàn)象”[5]，沒有要求知道慣性與質(zhì)量的關(guān)系.安徽省中考考綱對(duì)“慣性與質(zhì)量的關(guān)系”有要求，要學(xué)生知道物體的慣性大小與物體質(zhì)量間的關(guān)系.[6]初中物理教師一般可能會(huì)這樣講解：物體慣性的大小只與物體的質(zhì)量有關(guān).物體的質(zhì)量越大，其慣性就越大，表現(xiàn)在該物體具有保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（包括靜止?fàn)顟B(tài)）不變的能力就越強(qiáng).然后初中教師可能會(huì)舉一些事例，比如：相同輸出功率的摩托車與大卡車，更容易由靜止啟動(dòng)的是摩托車.它們都以相同的速度行駛后，更難停下來的是大卡車.

高中物理在這一部分重點(diǎn)分析慣性與質(zhì)量的關(guān)系.課本在“思考與討論”小欄目中說：“從牛頓第一定律我們得知，物體都有保持它們?cè)瓉淼膭蛩僦本€運(yùn)動(dòng)或靜止的狀態(tài)，或者說，它們都具有抵抗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的‘本領(lǐng)，但是這種 ‘本領(lǐng)的大小是不一樣的.”然后叫大家通過實(shí)例分析這種“本領(lǐng)”與什么因素有關(guān).最后給出結(jié)論：觀察和實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于任何物體，在受到相同的作用力時(shí)，決定它們運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化難易程度的唯一因素就是它們的質(zhì)量.[2]

牛頓在其著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中開宗明義，以“定義和注釋”的形式提出了八個(gè)定義和四個(gè)注釋，其中定義3是：“慣性或物質(zhì)固有的力，是一種起抵抗作用的力，它存在于每一物體當(dāng)中，大小與該物體相當(dāng)，并盡量使之保持其現(xiàn)有的狀態(tài)，或是靜止?fàn)顟B(tài)，或是勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).”[4]這種陳述，再結(jié)合高中所學(xué)的加速度知識(shí)，我們可以說：“慣性是物體的一種固有屬性，表現(xiàn)為物體對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的一種抵抗能力.質(zhì)量是對(duì)物體慣性大小的量度.當(dāng)作用在物體上的外力為零時(shí)，慣性表現(xiàn)為物體保持其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，即保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)作用在物體上的外力不為零時(shí)，慣性表現(xiàn)為外力改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的難易程度.在同樣的外力作用下，獲得加速度較小的物體慣性較大，獲得加速度較大的物體慣性較小.物體的慣性，在任何時(shí)候（受外力作用或不受外力作用），任何狀態(tài)下（靜止或運(yùn)動(dòng)），都不會(huì)改變，更不會(huì)消失.”endprint

4 “牛頓第一定律”初中應(yīng)教的知識(shí)

通過以上分析，我們可以認(rèn)識(shí)到“牛頓第一定律”這一節(jié)初中要講解的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)包括：第一部分，討論運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，陳述兩種不同的觀點(diǎn)，介紹能說明伽利略觀點(diǎn)正確的實(shí)驗(yàn)（只介紹圖1所示的實(shí)驗(yàn)，不介紹伽利略原版的理想斜面實(shí)驗(yàn)），觀察現(xiàn)象、得出結(jié)論、做出推理；第二部分，介紹牛頓第一定律，為了便于初中生理解和記憶，同時(shí)又不改變?cè)猓鋬?nèi)容可寫成：“一切物體在沒有受到力的作用時(shí)，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).當(dāng)物體受到力（非平衡力）時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)定會(huì)發(fā)生改變”；第三部分，介紹慣性的概念、生產(chǎn)生活中的慣性現(xiàn)象、慣性的利用和防止.筆者認(rèn)為最后應(yīng)補(bǔ)充介紹慣性是物體的固有屬性.物體的慣性有大小，其大小只與物體的質(zhì)量有關(guān).物體的質(zhì)量越大，在相同的情況下，改變?cè)撐矬w的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就越困難，即該物體具有保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的能力就越強(qiáng)，慣性就越大；反之，物體的質(zhì)量越小，在相同的情況下，改變?cè)撐矬w的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就越容易，即該物體具有保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的能力就越弱，慣性就越小.然后可舉一些事例說明這一點(diǎn).

5 “牛頓第一定律”高中應(yīng)教知識(shí)

“牛頓第一定律”這一節(jié)，高中要講的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)主要包括：第一部分，同樣討論運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，陳述兩種不同的觀點(diǎn)，介紹伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)（最好安排實(shí)驗(yàn)演示），然后觀察現(xiàn)象、得出結(jié)論、做出推理；第二部分，同樣介紹牛頓第一定律，按牛頓在其著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中的原文介紹，然后說明從這個(gè)定律可以揭示：物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因；第三部分，可以從牛頓第一定律得出，一切物體都具有保持其原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（注：靜止也是一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）不變的性質(zhì)，我們把這種性質(zhì)稱為慣性.接下來可以講物體的慣性有大小.其大小的不同就是物體保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變能力的不同，或者說物體具有抵抗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化“本領(lǐng)”的不同，或者說改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難易程度的不同.然后可以聯(lián)系前面學(xué)過的加速度概念具體分析.如：當(dāng)作用在物體上的外力為零時(shí)，慣性表現(xiàn)為物體保持其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，即保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)作用在物體上的外力不為零時(shí)，慣性表現(xiàn)為外力改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的難易程度.在同樣的外力作用下，獲得加速度較小（即運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難以改變）的物體慣性較大；獲得加速度較大（即運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易改變）的物體慣性較小.然后舉一些能說明這個(gè)問題的事例.最后，筆者認(rèn)為可以把牛頓關(guān)于慣性的定義說一下，不過為避免學(xué)生誤解，可以稍作修改，把“起抵抗作用的力”改成“起抵抗作用的能力”，改過后如下：“慣性是一種起抵抗作用的能力，它存在于每一物體當(dāng)中，大小與該物體相當(dāng)，并盡量使其保持現(xiàn)有的狀態(tài)，不論是靜止?fàn)顟B(tài)，或是勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).” 并說明物體慣性的大小只與物體的質(zhì)量有關(guān).一切物體不管是否受力，也不管它是否運(yùn)動(dòng)和怎樣運(yùn)動(dòng)，慣性的大小不變，慣性是物體的固有屬性.

6 總結(jié)

“牛頓第一定律”這一節(jié)是初、高中物理教學(xué)的重點(diǎn)，更是難點(diǎn).我們需要對(duì)這個(gè)內(nèi)容的教學(xué)進(jìn)行深入研究，理清初、高中教學(xué)中的側(cè)重點(diǎn)，以使學(xué)生學(xué)得輕松，教師教得科學(xué)合理.希望本文能對(duì)老師們的備課和教學(xué)起到一定的參考作用.

參考文獻(xiàn)：

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[3]黃時(shí)中，倪致祥 主編. 大學(xué)物理[M]. 北京：高等教育出版社，2014： 27.

[4]伊薩克·牛頓著，王克迪譯. 自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理[M]. 武漢：武漢出版社，1992：13-14.

[5]中華人民共和國教育部. 義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2012， 1.

[6]安徽省教育科學(xué)研究院. 2017年安徽省初中畢業(yè)學(xué)業(yè)考試綱要[S]. 合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2017， 3.endprint