“戲說”牛頓第一定律

　　摘要：本文針對《牛頓第一定律》的教學設計中容易忽視予概念“勻速直線運動”的教學的現象，給出了一個《牛頓第一定律》教學設計，該教學設計強化了這一子概念的教學。
　　關鍵詞：牛頓第一定律；子概念；勻速直線運動
　　中圖分類號：G633.7　文獻標識碼：A　文章編號：1003—6148(2010)11(S)—0073—4
　　
　　在高中物理教材中，牛頓第一定律被設為單獨的一節內容。但是，在實際教學過程中，很多教師并未把該節內容講透，不是隔靴搔癢，未及痛處，就是囫圇吞棗，一筆帶過。其實，除了牛頓第一定律本身以及慣性概念，本節還有一個關鍵的子概念常被忽略，就是勻速直線運動。應當強調的是，它必須從其他運動類型中獨立出來。否則，力和運動的關系就會混淆不清，矛盾始終若隱若現。在筆者看來，該節內容沖突明顯，層層鋪墊后，又終見光明，堪稱精彩。相比戲劇作品中，人物與人物之間，由于性格、目的的不同，而展開的矛盾斗爭，被稱為戲劇沖突。戲劇作品總是由一個沖突的提出、發展和解決而得到完成的……所以，演出開始了。
　　
　　1　所用教材
　　
　　本教學設計所參考的教材是人民教育出版社出版的《普通高中課程標準實驗教科書物理1必修》(2006年12月第2版)。
　　
　　2　教學目標
　　
　　2.1　知識與技能
　　(1)了解亞里士多德對力和運動關系的論述及存在的錯誤。
　　(2)認識伽利略研究運動和力關系的思想方法，了解理想實驗的作用，理解勻速直線運動的特殊性。
　　(3)知道速度是描述物體運動狀態的物理量。
　　(4)理解牛頓第一定律的內容，能夠運用牛頓第一定律解釋有關現象。
　　(5)知道慣性是物體的固有屬性，知道質量是物體慣性大小的量度。
　　(6)運用慣性概念，解釋有關實際問題。
　　2.2　過程與方法
　　培養學生嚴謹的邏輯推理能力。簡單涉及物理學史。
　　2.3　情感態度與價值觀
　　使學生領悟實驗加推理的科學研究方法，了解建立基本概念的重要和艱難，真正體會其歷史背景的厚重。
　　
　　3　重點難點
　　
　　本節的重點是伽利略理想實驗，難點是對慣性的理解。
　　
　　4　教學方法
　　
　　探究式教學，以物理史實為線索展示物理規律的形成。
　　
　　5　教學設計思路
　　
　　在本節，解決力和運動的關系問題中所遇到的矛盾，是通過不同科學家的觀點來體現的。筆者的設計是想讓學生親自來體驗這一沖突，并在教師協助下最終解決問題。整個故‘事的高潮在于，亞里士多德和伽利略的推斷分別說明了力可以產生運動，也可以消滅運動，還可以跟運動無關。那力跟運動到底是啥關系呢?這個問題的拋出，很是吸引注意，學生定會陷入思考。而該問L的解決過程也令其感到生動難忘，使學生能真正明白事情的前因后果，讀懂教材。在實現注重教學質量的同時，也提高了教學效率。
　　
　　6　教學過程
　　
　　6.1　引入新課
　　“大家好，今天我們學習牛頓第一定律，涉及的是運動的原因，是一個基本問題，可謂是動力學的開端，首先，我們來看看前人的一些結論。”
　　6.2　新課教學
　　教師板書
　　
　　一
　　物體運動的原因
　　
　　1
　　亞里士多德：力是維持物體運動的原因。
　　結論：力產生了運動。
　　2
　　伽利略：運動的物體之所以停下來，是因為受到了摩擦力的作用。
　　結論：力阻止了運動。
　　師：“以上兩人，皆可謂是人類認識史上的巨星級人物，特別是前者，幾乎在當時的每一個科學領域都作出了貢獻，其學說對后世的西方思想和科學產生了重大的影響，這一點沒有其他任何一位古希臘思想家能與之相比，以至于我們在距其兩千多年之后的今天，還不得不再次提到他j不過，這次他將扮演的，是一個“反面”角色。而后者，即伽利略，其貢獻更是被后來的愛因斯坦評為“物理學的真正開端”。而本節的內容，涉及的則是這兩位先賢跨越時空的一次斗法。現在，想找兩位同學來扮演這兩位學界巨臂，分別陳述自己的理由。請注意，亞里士多德的觀點并非毫無道理，是能舉出一些正確例子來的。“反面”角色的塑造往往更有挑戰性，誰愿意扮演他?”
　　學生甲：“我來扮演亞里士多德吧!”
　　師：“很好，請舉例。”
　　學生甲：“水平光滑桌面上固定著A，B兩塊同極相對的條形磁鐵，若是松開其中一塊，比如磁鐵B，那它將會被彈開，是因為其受到了來自于磁鐵A的排斥力，從而產生了運動。如果換成兩塊木條，重做該實驗，則木條不會運動，因為其問沒有排斥力……所以，力是產生物體運動的原因。”
　　實驗演示
　　可選擇在某一較光滑的桌面上完成。并在黑板上畫出圖像，簡單分析受力。
　　師：“這個例子太好了，無可厚非。沒有力的作用，物體怎么可能運動嘛!因此，這樣的觀點才能“忽悠”上千年的時間。直到17世紀，終于來了一位頭腦“清醒”的，誰又來扮演他呢?”
　　學生乙：“我來扮伽利略吧。正如課本所述，在粗糙的水平面上，給物體一個初、速度之后，物體滑行一段距離就會停下來，是因為其受到摩擦阻力的緣故。如果水平面是光滑的，物體將會保持該初速度一直運動下去，而不需要任何力來維持，該結論可由一個理想實驗來證明。并且，就剛才同學申的例子來說，如果桌面不光滑，磁鐵運動之后又會停下來，也恰是因為摩擦阻力的存在。所以說，力是能夠阻止物體運動的。”
　　，
　　師：“說得真巧，不僅陳述了自己的觀點，還根據剛才的實際情況，把對方的論據修改成了自己的。現在，問題來了，兩種觀點似乎都有依據，卻又相互矛盾。難道說力既能產生運動，又能消滅運動不成?似乎也不對，明明還有種運動(勻速直線運動)根本就不需要力來維持……也即是說，這力跟運動既有關系，又沒有關系?”
　　“噢!怎么辦?”
　　學生討論
　　(等待片刻)師：“我們還是先來看看伽利略的‘理想實驗’吧，看他的觀點是否能夠站得住腳。”
　　實驗演示
　　演示理想斜面實驗整個過程(說明：主要是為了理解伽俐略的思想)，有條件可用視頻動畫演示理想斜面實驗。
　　學生觀察、討論
　　板書
　　教師在黑板上畫出伽利略的斜面實驗圖。
　　師：“為什么這個實驗叫理想實驗?”
　　學生乙：“因為沒有摩擦的軌道是不存在的。而該實驗是以可靠的事實為基礎，經過抽象思維，抓住主要因素，忽略次要因素，從而更深刻地揭示了自然規律。”
　　師：“何為主要，何為次要?”
　　學生乙：“相同高度是主要因素，而摩擦力是次要因素。”
　　師：“很好。這個實驗很簡單，很理想化。但是它意義重大，因為它捕捉到了一個特殊的運動形式，這種運動若已形成，偏偏不需要力來維持，有別于其他所有的運動情況。伽利略找到了，但并未對該運動命名，也即沒有把它當做一個獨立的概念來提出。從物理史實上可以發現，當時伽利略認為，地面上的物體除靜止外的另一本來面目是勻速圓周運動(而不是勻速直線運動)。正所謂“一個好漢三個幫”，有人站出來幫忙了。是誰?”
　　學生答：“笛卡兒。”
　　師：“誰來演?”
　　學生丙：“我來!我認為，除非物體受到力的
　　作用，物體將永遠保持其靜止或運動狀態，永遠
　　不會使自己沿_曲線運動，而只保持在直線上運
　　動。這應該成為一個原理，將作為人類整個自然
　　觀的基礎。”
　　教師板書笛卡兒的觀點：
　　3
　　笛卡兒：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。
　　結論：運動的物體都有保持其速度的特點。
　　師：“笛卡兒的進步之處在哪里呢?”
　　學生丙：“我的結論已經拓展到一般事實，而不僅僅針對某個實驗。保持勻速直線運動是運動物體所具有的某種特殊性質，我感覺到了事情的真相，但又好像隔了層紙。”
　　師：“是的，從單一的實驗現象中歸納出了一般事實，走向了普適性。這已經是邁出了重要的一步。并且，勻速直線運動的概念呼之欲出。但是，黎明前的黑暗在于，你沒有將其賦予明確的內涵(慣性以及慣性參考系)。自然界的法則依然隱藏在黑暗之中，上帝說：‘讓牛頓去吧!’于是，萬物遂成光明。誰來做牛頓?”
　　學生丁：“我是牛頓!今天的爭論只需一句話就可以打發，但由于這句話的普適性，它將成為一條客觀定律而永載史冊。那就是：一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態。”
　　師：“一個明確的概念，‘勻速直線運動’，連同‘靜止狀態’一起，終于相提并論了。它真的這么重要嗎?是的，這句話將成為動力學的開端。我們之前一直困惑，力究竟是產生或維持了運動，還是阻止了運動，又或者是跟運動完全無關……為什么老是說不清楚呢?那就是因為我們沒有對運動的概念進行分類。亞里士多德可謂是分類法的開創者，但這次他卻看走了眼。要認識到勻速直線運動跟力沒關系，并把它同其他需要力的運動類型區分開來，是不能簡單依靠直覺的。而伽利略的理想實驗做到了。速度本身并不能表明有沒有外力作用于物體上，只有速度的變化才能說明。也即勻速直線運動是跟外力沒關系的，它的維持不需要力。而變速運動又偏偏需要。力來實現。一個不要力，一個需要力，若是不區分運動的類型，眉毛胡子…把抓，籠統地陳述力和運動的關系，自然就有混淆，這正是問題的根源。亞里士多德關心更多的是從靜止到運動的過程，即加速運動，這種類型的運動必須要力來產生。他沒有說明減速運動等運動類型，是因為在當時，對摩擦力的認識是模糊的。而伽利略不光注意到了減速運動需要力，更關鍵在于其理想實驗捕捉到了一個最特殊的，也是唯一的，不需要力的運動——勻速直線運動。笛卡兒把它視為了運動物體的特性。而牛頓，真正看清真相，闡明了一切。”
　　“打個比方吧，亞里士多德依稀看到了獵物的輪廓，但他射出的箭，釘住的只是獵物留下的影子；而伽利略巧設“理想陷阱”才將其真正捕獲；笛卡兒上前，辨認清楚出了獵物的本來面目}困獸猶斗之時，最后趕來的牛頓先生撲將上去，將其五花大綁，徹底治服。”
　　教師板書
　　
　　二
　　牛頓第一定律
　　
　　內容：一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態。
　　意義：正確闡述了力和運動的關系。
　　師：“讓我們再回到牛頓第一定律吧。它也被稱為‘慣性定律’，此時的‘勻速直線運動’已被完全認清，它只能乖乖地和它的孿生兄弟——”靜止狀態’一起，成為了物體天生具有的某種固有屬性，被命名為‘慣性’。且該性質只與物體的質量有關，而不管該物體受不受外力，也不管其處于什么樣的運動狀態。至此，‘勻速直線運動’作為一個獨立的子概念終被提煉出來，它是一種運動形式，但跟‘靜止狀態’有相同的力學條件，更像是靜止與‘一般’運動的臨界。作個比喻，就像鴨嘴獸這種動物一樣，卵生的，卻又是‘哺乳動物’。抓住它真是不容易，要認清本質確是困難。”
　　“時間跨越千年，‘慣性’作為一個全新的概念被人們所認識。不僅如此，力前概念也是在該定律中被真正明確的。即除了引起形變之外，力還能改變物體的運動狀態，動力學的發展這才起步。由此可見，概念形成的艱難與重要。這里，讓我們來特別關注一下‘慣性’概念。”
　　教師板書
　　
　　三　慣性
　　
　　概念：物體所固有的、保持原來運動狀態不變的特性。
　　慣性的唯一量度：物體質量。
　　師：“慣性可以看成是物體所具有的一種固執的，或者是懶惰的‘脾氣’。即是說物體的‘本意’總是想維持住自己原先的運動狀態。這里要強調一下，所謂物體的‘運動狀態’，取決于物體的速度(矢量)，物體運動狀態的改變也即速度的改變。如果沒有外力來影響，它是懶得去做任何改變的，原先是什么樣就什么樣，日子將就過好了。并且，物體的質量越大，這種‘脾氣’就越突出。在高中范疇，它幾乎是‘質量’的同義詞。大家在做習題時，若是看見題中有‘慣性’概念，常常可以用便于理解的‘質量’來將其替換，這樣會更易挑選出正確的答案。比如‘物體速度越大，慣性越大’可看成‘物體速度越大，質量越大’，當然就是不對的；再如‘物體質量越大，慣性越大’，可視為‘物體慣性越大，質量越大’，自然無話可說。除了應付習題，我們能否實際驗證一下該性質呢?”
　　實驗演示
　　可以用氣墊導軌做演示實驗。
　　師：“大家可否列舉實際生活中的一些關于慣性的例子?是不是說只有勻速直線運動或靜止的物體才有慣性呢?變速的物體有沒有慣性?”
　　學生踴躍發言。教師點評
　　師：“好了，現在我們來簡單梳理一下今天的內容吧。”
　　教師板書
　　
　　四
　　簡單梳理
　　
　　6.3　小結
　　(1)勻速直線運動的重要性
　　簡述：可以認為，在伽利略之前的人們并沒有想清楚運動概念該如何從力學角度來分類。因為在當時，力的概念都還沒有被真正地準確定義。他們只是認為物體非靜即動，非快則慢。也就是只認識到了速度這個物理量，是單從運動學角度來區分的。而伽利略通過理想實驗捕捉到了這個理想化的運動，并在后來提出了加速度的概念，勻速與變速終于被區分出來了。加速度概念更被看做是“人類認識史上最難建立的概念之一”，也是運動與力建立聯系的關鍵所在。最后由于笛卡兒，牛頓等人的努力，才真正實現了從力學角度對運動的再認識。相關的內容會在本章乃至以后更多的章節(比如曲線運動等)中出現，我們拭目以待吧。
　　(2)牛頓第一定律
　　簡述：該定律闡明了勻速運動同靜止一樣，是物體的本來面貌，從而引入了慣性概念，并拓展到慣性參考系。相關內容大家可以閱讀本節之后的“科學漫步”。而以后在做題時，凡是遇到“物體處于靜止狀態”或“勻速運動狀態”時，就要注意到該物體所受的合外力為零。接下來就可能是對其進行受力分析，然后建坐標并列出相應力學方程求解。
　　(3)慣性
　　簡述：物體所固有的、保持原來運動狀態不變的特性。其唯一量度是物體的質量。需要說明的是，慣性并非只在物體處于勻速或靜止時才體現。在物體受外力所迫欲做變速運動時，影響其速度變化快慢的內因就是慣性(或質量)。這一觀點也會影響到牛頓第二定律的建立。
　　注：簡述內容可根據學生情況酌情增減。
　　6.4　結束語
　　師：“物體做勻速運動時不需要力來維持，而做變速運動卻必需力。若要問力和運動的確切關系，那就要先區分運動的類型，至少分成‘勻速’和‘變速’兩個子概念，千年問題即能一朝了卻。當然，運動類型還可以分得更細，大家可以在課后去想想，看能否分析出其他運動類型的相應力學條件。好了，本節內容到此為止。謝謝大家!”
　　
　　7　課后記
　　
　　愛因斯坦說，自然界的規律經常要毀滅直覺的觀點而用新的觀點來替代它。伽利略的發現以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端。“開端”既然如此，基調也就定了。所以，越到后面，我們的物理概念、定律等，越有可能讓人感到抽象難懂，但卻又是那么地無可挑剔。
　　類比伽利略的理想實驗，這是一節“理想課堂”，所有的學生都回答正確是不可能的。然而，出現錯誤的回答又會打亂教學節奏。只有在過程中，教師適當引導，抓住主要線索，忽略次要環節，教學目標才能順利實現。
　　(欄目編輯　張正