基于物理學史的一堂探究課
——“牛頓第一定律”的教學設計

王建輝

（陽泉市第十一中學校 山西 陽泉 045000）

1 教學設計思路的建立（略）

2 教學過程

2.1 引入課題

活動1：創設剎車互動游戲，觀看神州飛船發射升空的視頻.

讓學生思考，為什么剎車時人體會向前傾斜？為什么汽車能夠做加速運動，為什么可以做減速運動？為什么有的物體做直線運動，有的物體可以轉彎？神舟六號發射后，媒體稱中國已經掌握微小衛星進動控制的方法，這具體是指什么？

師：所有這些“為什么”實質都是同一個問題，運動背后的原因是什么？這是個古老的話題，最早可以追溯到公元前4世紀.

2.2 歷史回眸

2.2.1 亞里士多德（公元前384～公元前322年，古希臘哲學家、自然科學家）

活動2：觀看馬拉車、拉弓射箭、賽場上滾動的足球的視頻.

師：亞里士多德通過諸如馬拉車行駛，船夫拉船行駛等生產、生活中物體被推拉后的運動進行觀察發現，這些運動必須有推動者，即運動必須有外力維持，否則就歸于靜止.他認為 “一切運動的物體必定受某物的驅動”，外力是維持物體運動的原因.有力作用則物體動，力停止作用則物體停止運動.同學們同意這個點嗎？你能否分析一下理由是什么？

學生交流、討論后得出亞里士多德觀點不正確，沒考慮阻力.

師：若沒有空氣阻力、地面摩擦阻力的存在，水平運動的物體會怎樣呢？

生：會一直運動下去.

師：亞里士多德的觀點歷經2000多年卻無人質疑，直到16世紀，物理學家伽利略提出質疑.他第一個意識到摩擦力存在的問題，沒有阻力存在，水平運動的物體將會永遠運動下去.你們與他的設想是一樣的.如何驗證其正確與否？

生：通過實驗驗證.

2.2.2伽俐略（1564～1642年，意大利物理學家、天文學家）

活動3：分組操作彎曲斜面的實驗.

在鋁合金軌道上墊上毛巾，小球從固定點釋放，有摩擦，到達的位置低于釋放點的高度；撤去毛巾，更換棉布，在同一點釋放，小球爬行的高度增加；撤去棉布同一點釋放，小球到達的位置基本與釋放點等高.

結論：若軌道無摩擦小球會運動到與釋放點等高處.

點評：無摩擦時小球會滑到與釋放點等高處是在實驗基礎上合乎邏輯的推理，是讓人信服的結論.

活動4：分組實驗，不斷減小光滑軌道右側斜面的傾角.

師：減小斜面的傾角，從同一高度上釋放小球，運動的水平距離更遠了，為什么？

生：根據剛才的結論，小球仍將要運動到與釋放點等高的位置.

師（肯定學生的回答）：繼續減小斜面傾角，仍從同一高度釋放，小球運動的水平距離越來越遠，假如無摩擦，且軌道足夠長，小球會怎樣？

生：會一直運動下去.

師（活動總結）：這是進一步的實驗推理.小球在光滑的水平軌道運動，水平方向不受外力，卻可以一直運動下去，這個實驗證實了剛才的猜想，也說明亞里士多德的論點的錯誤，力不是維持物體運動的原因.

板書：如果沒有摩擦阻力、流體阻力的影響，在水平面上運動的物體會一直運動下去.

師：回顧伽利略研究力與運動問題的研究思路，是在可靠實驗事實的基礎上，運用邏輯推理得出規律的思維模式，即理想實驗方法.亞里士多德采用的觀察法也是一種研究方法，但直覺有時不一定很準確，更不能迷信權威.

視頻觀看一項體育項目——冰壺球運動，由于球運動過程阻力很小，能以幾乎不變的速度前進.

讓學生觀察氣墊導軌上物體近似勻速運動的實驗演示，并交流實驗體會.

點評：愛因斯坦評價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.

那么，為什么我們今天不是學習伽利略定律呢？

2.2.3 法國科學家笛卡兒（1596～1650年）

板書：如果運動中的物體沒有受到力的作用，那么，它將繼續以同一速度沿直線運動，既不停下來，也不偏離原來的方向.

活動5：對比同時代兩位科學家的表述.

師：有什么區別？

生：對比結果可以看出笛卡兒的觀點和伽利略的觀點的具體差異.笛卡兒補充完善了伽利略結論.

2.2.4 牛頓（1642～1727年）

牛頓系統總結了前人的研究并賦予更新的內涵.

板書：牛頓第一定律：一切物體總保持勻速直線運動或靜止狀態，直到有外力迫使它改變這種狀態為止.

活動6：理解牛頓第一定律.

讓學生大聲朗讀第69頁.

師：牛頓全面總結了力與運動的關系.1687年他的理論體系收錄在《自然哲學的數學原理》.牛頓的三個定律成為動力學核心.亞里士多德提出問題，引起爭議；伽利略創立方法，引導方向；笛卡兒補充完善，深化認識；牛頓系統總結，明確內涵.牛頓第一定律包含了眾多科學家的大膽猜想、假設，是牛頓在對前人的結論提出質疑并進行實驗驗證的基礎上形成的.牛頓曾謙虛地說，如果說我看得更遠些，那是因為我站在了巨人的肩膀上.牛頓第一定律的形成過程貫穿了物理學史的全過程.

我國春秋戰國末期的《考工論辀人篇》中更有明確的記載，“勸登馬力，馬力既竭，猶能一取也.”意思是說，馬拉車的時候，馬雖然對車不再施力了，但車還能繼續前進一段路，這顯然是在講述一種現象.

2.3 慣性定律

活動7：放慢400倍的鏡頭，觀看扎破裝水氣球的視頻.

教師：為什么球破時刻水仍然保持原狀？

生：水具有保持原有運動狀態的性質.

設計小實驗用棒敲打疊放的象棋子.請學生繼續分析.

點評：物體保持原來勻速直線運動或靜止狀態的性質叫做慣性.一切物體都具有與生俱來的慣性.

師：物體抵抗運動狀態變化的本領與什么因素有關呢？

學生觀看高速公路超載的車禍報道.討論、分析出慣性是物體的固有性質，抵抗運動狀態變化的本領，質量大，慣性大，運動狀態難改變；質量小，慣性小，運動狀態易于改變.

點評：質量是物體慣性大小的量度.

活動8：請學生列舉生活中體現與利用慣性的例子.

活動9：教師設計小車實驗，請學生猜想，若小車勻速運動，銜住小球的電磁鐵突然斷開電源，小球掉在哪里？小車加速運動呢？

生：因為小球具有慣性，會掉入小車內.

師：司機為什么要系安全帶？（呼應課題引入時的剎車游戲）

點評：牛頓第一定律揭示了一切物體都具有一種保持其原來運動狀態的特性即慣性.當物體不受力時，它處于靜止或勻速直線運動狀態，體現了它保持原來運動狀態的特性，當物體受到外力作用時，慣性會對運動狀態的改變進行反抗，此時這種特性就明顯表示出來，因此，牛頓第一定律又被稱為慣性定律.

2.4 課堂小結

師：今天這堂課的學習有何收獲呢？

生：牛頓第一定律、慣性、理想實驗研究方法、不迷信權威勇于質疑……

師（點評）：近代愛因斯坦等科學家又進一步發展了力與運動的關系.沒有哪一個定律是終極真理，物理學的大廈永不封頂，還等待你們為它添磚加瓦.

3 板書設計（略）

4 教學后記

本節課從人類對力和運動關系的認識歷史入手，讓學生對牛頓第一定律本身的建立有全面、清楚的認識.在物理教學中，恰當運用物理學史，加強物理學史教育，可以使學生在學習中受到科學方法和科學思維的訓練，受到物理學科學作風的熏陶，有利于學生掌握科學研究方法，提高科學研究能力，養成科學的態度和精神，從而最終達到全面提高學生科學素養的目的.

1 教育部.普通高中物理課程標準（實驗）.北京：人民教育出版社，2011

2 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究中心.普通高中物理課程標準實驗教科書物理·必修2.北京：人民教育出版社，2011.67

3 人民教育出版社物理室.普通高中物理課程標準實驗教科書 物理·必修2教師教學用書.北京：人民教育出版社，2011.11

4 羅亦超，王一鳴.物理學史與中學物理教學.武漢：湖北大學出版社，1989.1～8