關于“牛頓第一定律”教學的改進

〔關鍵詞〕 慣性；概念；運動

〔中圖分類號〕 G633.7〔文獻標識碼〕 C

〔文章編號〕 1004—0463（2008）08（B）—0049—01

一、牛頓第一定律的形成

1.伽利略、笛卡兒的結論是形成牛頓第一定律的基礎。伽利略的理想實驗，使他得出這樣的推論：當一個物體在一個水平面上運動，沒有碰到任何阻礙時，它的運動是勻速的，并將繼續進行下去，假若平面是在空間中無限延長的話。之后，笛卡兒對此問題作了進一步補充：如果沒有其他原因，運動的物體將繼續以同一速度沿著一條直線運動，既不會停下來，也不會偏離原來的方向。伽利略、笛卡兒向世人揭示了物體的運動來自于物體自身，外力不是運動的原因，從而使人們從亞里士多德結論的禁錮中走了出來，開創了動力學的新局面，為牛頓構建動力學理論打下了堅實的基礎。

2.慣性等概念的確立是形成牛頓第一定律的關鍵。如果不仔細研究，人們很有可能將伽利略的結論與牛頓第一定律在理論上等同起來，區別僅是牛頓的敘述語詞更加規范而已。其實兩者之間存在著一些實質性的差異，伽利略發現了物體自身的這種運動，但他并未深究這種運動的原因，沒有提出慣性概念。牛頓在構建動力學理論時，首先他嚴格定義了當時人們常常混淆的幾個基本概念，例如，物質的量（質量）、運動的量（動量）、慣性、外加力、向心力等，在注釋中闡述了他的絕對時空觀，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鍵是牛頓確立了動力學中幾個實質性的概念，即質量、慣性和外力。最早人們對于如何研究物體的運動問題，方法不一，伽利略認為，首先要研究物體怎樣運動，然后才能研究物體為什么運動。伽利略的目的是對物體怎樣運動的說明，當伽利略的推論出現以后，牛頓研究的方向已轉向尋求物體為什么運動，以及物體運動變化的原因。進一步的探索，使牛頓確立了外力與慣性的概念，上述兩個問題得到解決，動力學有了質的變化，后來又隨著牛頓在數學上的極大成功，進一步推動著他論證了牛頓三大定律，牛頓三大定律的建立，標志著動力學理論正式形成。

3.結論。牛頓第一定律是牛頓在伽利略等人結論的基礎上，進一步建立了外力、慣性等概念后，理性思維提升的產物。教材在編排上，顛倒了它們的依賴關系，造成學生對牛頓第一定律的理解缺少慣性概念的支撐，同時慣性概念的產生，又脫離了它的具體情境，導致學生對定律的理解不深刻，對慣性概念掌握的不準確。因此，牛頓第一定律的教學，實質上是慣性概念的教學（外力的概念學生已建立），學生只有建立好慣性概念，才能真正理解牛頓第一定律。

二、關于慣性概念教學的建議

1.慣性概念的產生。按照教材編排，慣性概念應在伽利略的推論后，對理想的勻速直線運動作進一步探索的結果。教學過程可分兩步：

第一，建議在介紹了伽利略和迪卡爾的結論后，就所描述的靜止或勻速直線運動，提出讓學生進一步思考的問題：任一時刻觀察者看到物體的這個運動從何而來?讓學生自己獨立探究，并相互討論，最后得出：物體此時的運動是原來的。從時間上來說，就是與此時相鄰的上一時刻的運動。緊接著讓學生再去探究原來的或上一時刻的這個運動又是從何而來?通過這樣的問題讓學生反復探究、思考，最終得出：某時刻物體的這個運動是原來就有的，物體能使運動延續下來，即物體有保持原來運動狀態的一種特性。

第二，創設具體的情境與問題（外力作用于物體導致運動狀態變化），讓學生在分析的基礎上得出：有外力作用而改變物體原來的運動狀態時，物體自身總表現出“抵制”和“對抗”的特性，即阻礙運動變化，保持原來狀態的特性，且用事例說明，這種特性的大小與質量有關，質量是這種特性大小的量度，因此，質量也稱“慣性質量”。

2.慣性的定義。目前教材中對慣性是這樣定義的：物體保持原來的勻速直線運動或靜止狀態的特性，叫慣性。

顯然教材中的這個定義是不夠準確和全面的，因為勻速直線運動或靜止狀態是物體僅在慣性作用下的一種表現，學生容易對慣性概念產生誤解，即物體只有在靜止或勻速直線運動時，才表現出慣性。牛頓在慣性的定義及其注解里，把慣性與慣性力等同起來，又過于強調慣性的“抵抗”能力，對中學生來說過于深奧，不便理解。因此，將慣性定義為：阻礙運動變化，保持原來運動狀態。筆者認為是比較全面，且又容易被學生接受的一種說法。