向攀--牛顿第一定律论文

“另解”牛顿第一定律

物理与电子工程学院物理（师范）专业 2008级向攀

指导教师郑修林

摘要：本文针对《牛顿第一定律》的教学设计中容易忽视概念“匀速直线运动”的教学的现象，提出了一个《牛顿第一定律》教学设计，该教学设计强化了这一概念的教学。

关键词：牛顿第一定律；匀速直线运动

1 引言

在高中物理教材中，牛顿第一定律被设为单独的一节内容。但是，在实际教学过程中，很多教师并未把该节内容讲透，不是隔靴搔痒，未及痛处，就是囫囵吞枣，一笔带过。其实，除了牛顿第一定律本身以及惯性概念，本节还有一个关键的子概念常被忽略，就是匀速直线运动。应当强调的是，它必须从其他运动类型中独立出来。否则，力和运动的关系就会混淆不清，矛盾始终若隐若现。在笔者看来，该节内容冲突明显，层层铺垫后，又终见光明，堪称精彩。相比戏剧作品中，人物与人物之间，由于性格、目的的不同，而展开的矛盾斗争，被称为戏剧冲突。戏剧作品总是由一个冲突的提出、发展和解决而得到完成的……所以，演出开始了。

2 教学目标

2.1 知识与技能

(1)了解亚里士多德对力和运动关系的论述及存在的错误。

(2)认识伽利略研究运动和力关系的思想方法，了解理想实验的作用，理解匀速直线运动的特殊性。

(3)知道速度是描述物体运动状态的物理量。

(4)理解牛顿第一定律的内容，能够运用牛顿第一定律解释有关现象。

(5)知道惯性是物体的固有属性，知道质量是物体惯性大小的量度。

(6)运用惯性概念，解释有关实际问题。

2.2 过程与方法

培养学生严谨的逻辑推理能力。简单涉及物理学史。

2.3 情感态度与价值观

使学生领悟实验加推理的科学研究方法，了解建立基本概念的重要和艰难，真正体会其历史背景的厚重。

3 重点难点

本节的重点是伽利略理想实验，难点是对惯性的理解。

4 教学方法

探究式教学，以物理史实为线索展示物理规律的形成。

5 教学设计思路

在本节，解决力和运动的关系问题中所遇到的矛盾，是通过不同科学家的观点来体现的。笔者的设计是想让学生亲自来体验这一冲突，并在教师协助下最终解决问题。整个故‘事的高潮在于，亚里士多德和伽利略的推断分别说明了力可以产生运动，也可以消灭运动，还可以跟运动无关。那力跟运动到底是啥关系呢?这个问题的抛出，很是吸引注意，学生定会陷入思考。而该问L的解决过程也令其感到生动难忘，使学生能真正明白事情的前因后果，读懂教材。在实现注重教学质量的同时，也提高了教学效率。

6 教学过程

6.1 引入新课

“大家好，今天我们学习牛顿第一定律，涉及的是运动的原因，是一个基本问题，可谓是动力学的开端，首先，我们来看看前人的一些结论。”

6.2 新课教学

教师板书一物体运动的原因

1 亚里士多德：力是维持物体运动的原因。

结论：力产生了运动。

2 伽利略：运动的物体之所以停下来，是因为受到了摩擦力的作用。

结论：力阻止了运动。

师：“以上两人，皆可谓是人类认识史上的巨星级人物，特别是前者，几乎在当时的每一个科学领域都作出了贡献，其学说对后世的西方思想和科学产生了重大的影响，这一点没有其他任何一位古希腊思想家能与之相比，以至于我们在距其两千多年之后的今天，还不得不再次提到他j不过，这次他将扮演的，是一个“反面”角色。而后者，即伽利略，其贡献更是被后来的爱因斯坦评为“物理学的真正开端”。而本节的内容，涉及的则是这两位先贤跨越时空的一次斗法。现在，想找两位同学来扮演这两位学界巨臂，分别陈述自己的理由。请注意，亚里士多德的观点并非毫无道理，是能举出一些正确例子来的。“反面”角色的塑造往往更有挑战性，谁愿意扮演他?”

学生甲：“我来扮演亚里士多德吧!”

师：“很好，请举例。”

学生甲：“水平光滑桌面上固定着A，B两块同极相对的条形磁铁，若是松开其中一块，比如磁铁B，那它将会被弹开，是因为其受到了来自于磁铁A的排斥力，从而产生了运动。如果换成两块木条，重做该实验，则木条不会运动，因为其问没有排斥力……所以，力是产生物体运动的原因。”

实验演示可选择在某一较光滑的桌面上完成。并在黑板上画出图像，简单分析受力。

师：“这个例子太好了，无可厚非。没有力的作用，物体怎么可能运动嘛!因此，这样的观点才能“忽悠”上千年的时间。直到17世纪，终于来了一位头脑“清醒”的，谁又来扮演他呢?”

学生乙：“我来扮伽利略吧。正如课本所述，在粗糙的水平面上，给物体一个初、速度之后，物体滑行一段距离就会停下来，是因为其受到摩擦阻力的缘故。如果水平面是光滑的，物体将会保持该初速度一直运动下去，而不需要任何力来维持，该结论可由一个理想实验来证明。并且，就刚才同学申的例子来说，如果桌面不光滑，磁铁运动之后又会停下来，也恰是因为摩擦阻力的存在。所以说，力是能够阻止物体运动的。”

师：“说得真巧，不仅陈述了自己的观点，还根据刚才的实际情况，把对方的论据修改成了自己的。现在，问题来了，两种观点似乎都有依据，却又相互矛盾。难道说力既能产生运动，又能消灭运动不成?似乎也不对，明明还有种运动(匀

速直线运动)根本就不需要力来维持……也即是说，这力跟运动既有关系，又没有关系?”

“噢!怎么办?”

学生讨论 (等待片刻)师：“我们还是先来看看伽利略的‘理想实验’吧，看他的观点是否能够站得住脚。”

实验演示演示理想斜面实验整个过程(说明：主要是为了理解伽俐略的思想)，有条件可用视频动画演示理想斜面实验。

学生观察、讨论

板书教师在黑板上画出伽利略的斜面实验图。

师：“为什么这个实验叫理想实验?”

学生乙：“因为没有摩擦的轨道是不存在的。而该实验是以可靠的事实为基础，经过抽象思维，抓住主要因素，忽略次要因素，从而更深刻地揭示了自然规律。”

师：“何为主要，何为次要?”

学生乙：“相同高度是主要因素，而摩擦力是次要因素。”

师：“很好。这个实验很简单，很理想化。但是它意义重大，因为它捕捉到了一个特殊的运动形式，这种运动若已形成，偏偏不需要力来维持，有别于其他所有的运动情况。伽利略找到了，但并未对该运动命名，也即没有把它当做一个独立的概念来提出。从物理史实上可以发现，当时伽利

略认为，地面上的物体除静止外的另一本来面目是匀速圆周运动(而不是匀速直线运动)。正所谓“一个好汉三个帮”，有人站出来帮忙了。是谁?”

学生答：“笛卡儿。”

师：“谁来演?”

学生丙：“我来!我认为，除非物体受到力的作用，物体将永远保持其静止或运动状态，永远不会使自己沿_曲线运动，而只保持在直线上运动。这应该成为一个原理，将作为人类整个自然观的基础。”

教师板书笛卡儿的观点：

3 笛卡儿：如果没有其他原因，运动的物体将继续以同一速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。

结论：运动的物体都有保持其速度的特点。

师：“笛卡儿的进步之处在哪里呢?”

学生丙：“我的结论已经拓展到一般事实，而不仅仅针对某个实验。保持匀速直线运动是运动物体所具有的某种特殊性质，我感觉到了事情的真相，但又好像隔了层纸。”

师：“是的，从单一的实验现象中归纳出了一般事实，走向了普适性。这已经是迈出了重要的一步。并且，匀速直线运动的概念呼之欲出。但是，黎明前的黑暗在于，你没有将其赋予明确的内涵(惯性以及惯性参考系)。自然界的法则依然隐藏在黑暗之中，上帝说：‘让牛顿去吧!’于是，万物遂成光明。谁来做牛顿?”

学生丁：“我是牛顿!今天的争论只需一句话就可以打发，但由于这句话的普适性，它将成为一条客观定律而永载史册。那就是：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。”

师：“一个明确的概念，‘匀速直线运动’，连同‘静止状态’一起，终于相提并论了。它真的这么重要吗?是的，这句话将成为动力学的开端。我们之前一直困惑，力究竟是产生或维持了运动，还是阻止了运动，又或者是跟运动完全无关……为什么老是说不清楚呢?那就是因为我们没有对运动的概念进行分类。亚里士多德可谓是分类法的开创者，但这次他却看走了眼。要认识到匀速直线运动跟力没关系，并把它同其他需要力的运动类型区分开来，是不能简单依靠直觉的。而伽利略的理想实验做到了。速度本身并不能表明有没有外力作用于物体上，只有速度的变化才能说明。也即匀速直线运动是跟外力没关系的，它的维持不需要力。而变速运动又偏偏需要。力来实现。一个不要力，一个需要力，若是不区分运动的类型，眉毛胡子…把抓，笼统地陈述力和运动的关系，自然就有混淆，这正是问题的根源。亚里士多德关心更多的是从静止到运动的过程，即加速运动，这种类型的运动必须要力来产生。他没有说明减速运动等运动类型，是因为在当时，对摩擦力的认识是模糊的。而伽利略不光注意到了减速运动需要力，更关键在于其理想实验捕捉到了一个最特殊的，也是唯一的，不需要力的运动——匀速直线运动。笛卡儿把它视为了运动物体的特性。而牛顿，真正看清真相，阐明了一切。”

教师板书二牛顿第一定律

内容：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。

意义：正确阐述了力和运动的关系。

师：“让我们再回到牛顿第一定律吧。它也被称为‘惯性定律’，此时的‘匀速直线运动’已被完全认清，它只能乖乖地和它的孪生兄弟——”静止状态’一起，成为了物体天生具有的某种固有属性，被命名为‘惯性’。且该性质只与物

体的质量有关，而不管该物体受不受外力，也不管其处于什么样的运动状态。至此，‘匀速直线运动’作为一个独立的子概念终被提炼出来，它是一种运动形式，但跟‘静止状态’有相同的力学条件，更像是静止与‘一般’运动的临界。作个比喻，就像鸭嘴兽这种动物一样，卵生的，却又是‘哺乳动物’。抓住它真是不容易，要认清本质确是困难。”

“时间跨越千年，‘惯性’作为一个全新的概念被人们所认识。不仅如此，力前概念也是在该定律中被真正明确的。即除了引起形变之外，力还能改变物体的运动状态，动力学的发展这才起步。由此可见，概念形成的艰难与重要。这里，让我们来特别关注一下‘惯性’概念。”

教师板书三惯性

概念：物体所固有的、保持原来运动状态不变的特性。

惯性的唯一量度：物体质量。

师：“惯性可以看成是物体所具有的一种固执的，或者是懒惰的‘脾气’。即是说物体的‘本意’总是想维持住自己原先的运动状态。这里要强调一下，所谓物体的‘运动状态’，取决于物体的速度(矢量)，物体运动状态的改变也即速度的改变。如果没有外力来影响，它是懒得去做任何改变的，原先是什么样就什么样，日子将就过好了。并且，物体的质量越大，这种‘脾气’就越突出。在高中范畴，它几乎是‘质量’的同义词。大家在做习题时，若是看见题中有‘惯性’概念，常常可以用便于理解的‘质量’来将其替换，这样会更易挑选出正确的答案。比如‘物体速度越大，惯性越大’可看成‘物体速度越大，质量越大’，当然就是不对的；再如‘物体质量越大，惯性越大’，可视为‘物体惯性越大，质量越大’，自然无话可说。除了应付习题，我们能否实际验证一下该性质呢?”

实验演示可以用气垫导轨做演示实验。

师：“大家可否列举实际生活中的一些关于惯性的例子?是不是说只有匀速直线运动或静止的物体才有惯性呢?变速的物体有没有惯性?”

学生踊跃发言。教师点评

师：“好了，现在我们来简单梳理一下今天的内容吧。”

6.3 小结

(1)匀速直线运动的重要性

简述：可以认为，在伽利略之前的人们并没有想清楚运动概念该如何从力学角度来分类。因为在当时，力的概念都还没有被真正地准确定义。他们只是认为物体非静即动，非快则慢。也就是只认识到了速度这个物理量，是单从运动学角度来区分的。而伽利略通过理想实验捕捉到了这个理想化的运动，并在后来提出

了加速度的概念，匀速与变速终于被区分出来了。加速度概念更被看做是“人类认识史上最难建立的概念之一”，也是运动与力建立联系的关键所在。最后由于笛卡儿，牛顿等人的努力，才真正实现了从力学角度对运动的再认识。相关的内容会在本章乃至以后更多的章节(比如曲线运动等)中出现，我们拭目以待吧。

(2)牛顿第一定律

简述：该定律阐明了匀速运动同静止一样，是物体的本来面貌，从而引入了惯性概念，并拓展到惯性参考系。相关内容大家可以阅读本节之后的“科学漫步”。而以后在做题时，凡是遇到“物体处于静止状态”或“匀速运动状态”时，就要注意到该物体所受的合外力为零。接下来就可能是对其进行受力分析，然后建坐标并列出相应力学方程求解。

(3)惯性

简述：物体所固有的、保持原来运动状态不变的特性。其唯一量度是物体的质量。需要说明的是，惯性并非只在物体处于匀速或静止时才体现。在物体受外力所迫欲做变速运动时，影响其速度变化快慢的内因就是惯性(或质量)。这一观点也会影响到牛顿第二定律的建立。

6.4 结束语

师：“物体做匀速运动时不需要力来维持，而做变速运动却必需力。若要问力和运动的确切关系，那就要先区分运动的类型，至少分成‘匀速’和‘变速’两个子概念，千年问题即能一朝了却。当然，运动类型还可以分得更细，大家可以在课后去想想，看能否分析出其他运动类型的相应力学条件。好了，本节内容到此为止。谢谢大家!”

参考文献：

1.陈飞虹.《牛顿第一定律》说课稿 https://www.360docs.net/doc/d83301477.html,/ReadNews.asp?NewsID=1234

2. 沈慧君编著.《物理学史》，清华大学出版社第二版

3. 大卫·哈里德（David Halliday）.张三慧等编译《物理学基础》，机械工业出版社

4.《全日制普通高级中学教科书：物理-高一（上）》，人民教育出版社