挖掘物理學史 展示對話魅力
——高中《牛頓第一定律》教學案例

(南京師范大學附屬中學江寧分校，江蘇 南京 211102)

1 教學設計思路

本節課的設計緊緊圍繞牛頓第一定律的發現過程，深入挖掘物理學史中的相關素材，將牛頓第一定律發現過程的幾個關鍵問題以歷史原貌的形式展示給學生，讓他們作為各個歷史時期的研究者參與相關問題的討論.在對話的過程中學生會發現：這些看似簡單的問題不僅很難回答，而且蘊藏著深刻的思想方法，所以人類用了幾千年的時間才弄清楚.通過這樣的教學，讓學生“重走”物理學家的發現之路，不僅讓他們自主建構了物理知識的意義，更讓他們感受到科學結論得出的艱難，領略科學思維的力量和美，從而取得了較好的教學效果.

2 教材分析

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，就是囫圇吞棗.究其原因，是他們認為學生在初中已學過了這個知識，知道伽利略通過斜面實驗等推翻了亞里斯多德的觀點：物體的運動需要力去維持.其實，牛頓第一定律是經典力學的基石，正是因為它破除了長達近兩千年的亞里士多德的錯誤，改變了人類的自然觀和世界觀.同時，它本身還包含著力、慣性和參考系等科學概念，成為物理學理論的基礎.牛頓第一定律的內容，看似簡單，實則非常深刻，學生要達到真正理解并不容易.所以，教學中應在知識的來龍去脈上進行突破，并透過現象、真正深刻地觸及到牛頓第一定律的本質，否則學生對力和運動的認識就會含混不清.

3 學情分析

學生在初中已學過牛頓第一定律,那為什么在高中階段仍然要繼續學習？學習牛頓第一定律的意義就在于糾正我們通過經驗得出的錯誤結論嗎？

初中物理對牛頓第一定律或慣性定律的表述為：“一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態.”而在高中教科書中這樣表述：“一切物體總保持靜止狀態或勻速運動狀態，直到有外力迫使它改變這種狀態為止”.對比后發現，初中物理的強調物體保持勻速運動狀態的條件是“物體在沒有受到外力作用”，而高中階段的表述則強調了“力對物體運動狀態的改變”,為牛頓第二定律的學習做鋪墊.可見,高中對牛頓第一定律的學習并不是對初中所學內容的簡單重復,高中階段的學習更加深刻.

4 教學目標

(1)知識與技能

①能敘述牛頓第一定律建立的過程.

②能夠陳述牛頓第一定律的內容及意義.

③能夠從生活的經驗中體會慣性，會正確解釋日常生活中的慣性現象.

④使學生領會伽利略“理想實驗”的思想.

(2)過程與方法

①培養學生嚴謹的邏輯推理能力.

②通過學生對歷史演變過程的“親身”參與，培養他們深度分析和思考的能力.

③通過對生活實例的分析，培養學生理論聯系實際的能力.

(3)情感態度與價值觀

讓學生知道科學研究過程的艱難，領悟實驗加推理的科學研究方法.

5 教學重難點、教學策略

(1)教學重點：正確認識物體運動與力的關系.

(2)教學難點：生活常識使人們對力和運動的關系形成了模糊的認識，要通過教學使學生克服傳統觀念，形成正確的認識.

(3)教學策略：運用對話式教學，按物理史實為線索展示物理規律的形成過程.

6 教學過程

(1)引入新課

師：請同學們觀看天宮一號視頻.天宮一號的發射及其與神舟八號的空間交會是一個復雜的系統工程，但它應用的仍然是最基本的物理原理，比如為了保證飛船的平穩飛行，就要用第三章靜力學的知識分析它的受力情況；為確定飛船的位置，就要運用第二章所學的運動學知識；而需要確定多大的推力才能將飛船送入預定軌道，從而控制運動，預測運動就得研究運動和力的關系，這就是第四章的知識——動力學.力學的奠基人牛頓于1687年出版了他的劃時代著作《自然哲學的數學原理》，他在書中提出的三條運動定律成為整個力學的基礎，今天我們就來學習牛頓第一定律.

(2)新課教學

師：下面介紹與牛頓第一定律有關的物理學家.

亞里士多德：世界古代史上最偉大的哲學家、科學家和教育家.

伽利略：意大利物理學家和天文學家.

笛卡爾：法國哲學家、數學家和物理學家.

牛頓：英國數學家、物理學家和天文學家..

愛因斯坦：德國物理學家，現代物理學的開創者和奠基人.

老師扮演各個時期的科學家，學生對他們的觀點提出質疑，對話開始.

“亞里士多德”：我經過觀察發現，凡運動著的事物必然都有推動者在推著它運動.比如，我們推桌上的物體，如果不推了物體就會停止.

生：如果物體一個推一個，那么推的物體又需要別的物體推它，追溯上去，豈不是有無限個物體了.

“亞里士多德”：不應該有無限個物體，肯定存在著第一推動者.

生：那么這個第一推動者在哪？

“亞里士多德”：我認為這是一種超自然的神力.

生：就算存在這個神力，可是我還發現許多物體不需要推動就在運動.如天體就在不停地運動，那又是誰在推動它們呢？

“亞里士多德”：運動的天體是不需要外力去推動的，因為它們的“自然本性”是運動的，而地球上的物體和地球一樣它們的“自然本性”是靜止.

生：可是，應該是地球繞太陽運轉吧！

“亞里士多德”：應該是太陽在繞地球運轉，地球是靜止的.

“伽利略”：桌面上的物體會停下來并不是物體的“自然本性”在起作用，而是因為接觸面不光滑.

生：那你這個觀點的依據何在？

“伽利略”：我們來看這樣一個“對接斜面”的實驗，在斜面完全光滑時，物體沿斜面下滑會越來越快，沿斜面上滑會越來越慢，物體停在第二個斜面上的時候剛好會達到原來的高度(如圖1).

圖1

“伽利略”：如果第二個斜面水平，那物體將永遠不會達到這個高度，也就永遠運動下去了.所以，物體的運動不需要力來維持.如果接觸面光滑，物體將永遠運動下去，補充一點：在這個實驗中，斜面要光滑如鏡，用堅硬材料制成，小球是極圓的球，用又硬又重的材料制成，并且沒有空氣阻力.

生：可是，伽利略先生，實驗中的條件在現實中好像無法滿足，那您的實驗是在哪做的？

“伽利略”：在我腦袋里做的.

生：有些不太明白.

“伽利略”：其實我這個實驗不是真實的實驗，而是理論思維的一種方式，是一種在真實實驗的基礎之上，結合合理的想象與科學推理而進行的實驗，叫理想實驗.

“笛卡爾”：聽聽我的看法吧！如果物體處在運動之中，那么，如果沒有其他原因作用的話，它將繼續以同一速度在同一直線方向上運動，既不停止也不偏離原來的方向.

生：通過您剛才的話我知道了運動的物體是有一種保持其運動狀態的特性.那么靜止的物體呢？

“笛卡爾”：其實靜止也是一種特殊的運動方式，也就是速度為零的運動.當然物體也會具有保持靜止狀態的特性了.

生：也就是說，如果沒有其他原因作用的話，它將繼續以同一速度在同一直線方向上運動，或者是繼續靜止.那么您所說的這個“其它原因”是指什么呢？

“牛頓”：還是我來回答這個問題吧！這個“其它原因”就是外力.我的觀點是：一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，除非有外力迫使它改變這種狀態.

生：可是我還有點疑問.請看圖2，球和車之間是光滑的，人和車是固定的.車從靜止向右開，人就會觀察到球在向自己運動，那么是什么力使它改變靜止狀態的？

圖2

“牛頓”：小球的運動狀態改變并不是因為受力了.是選取的參考系有問題.

生：難道不能以車為參考系研究小球的運動嗎？

“牛頓”：不能，因為車是有加速度的，有加速度的參考系我們叫做非慣性參考系，我的理論是不適用于非慣性參考系的.沒有加速度的參考系叫做慣性參考系，我的理論在慣性參考系里是成立的.比如地面就是慣性參考系.

生：可是地球和太陽也在繞銀河系的中心運轉.

“牛頓”：那就以銀河系的中心為參考系.

學生：可是我們也不能確保銀河系的中心就一定沒加速度，那么這個慣性參考系在哪找到呢？

“牛頓”：肯定可以找到這樣一個參考系的，它永遠是不動的，是絕對的慣性參考系.

“愛因斯坦”：沒有絕對的慣性參考系，但存在近似的慣性參考系.在研究地面上物體的運動時，可以把地球看成是慣性參考系.

師：我們基本上有一個滿意的結論了，那談話就到這里吧！

“愛因斯坦”：我再補充一點：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.

(3)總結、梳理不同時期科學家的觀點

亞里士多德：凡運動著的事物必然都有推動者在推著它運動．力是維持物體的運動原因.

伽利略：物體的運動不需要力維持.如果接觸面光滑，物體將永遠運動下去.

笛卡爾：如果物體處在運動之中，那么如果沒有其他原因作用的話，它將繼續以同一速度在同一直線方向上運動，既不停止也不偏離原來的方向.

牛頓：一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，除非有力迫使它改變這種狀態.

(4)師生共同分析、思考，進一步理解牛頓第一定律

力是改變物體運動狀態的原因,可用速度描述物體的運動狀態；力是改變物體速度的原因；力是產生加速度的原因.

物體具有保持原來勻速直線運動或靜止狀態的性質叫做慣性.

思考一：慣性的大小與什么因素有關？

思考二：牛頓第一定律能用實驗驗證嗎？

思考三：理想實驗得出的結論一定是可靠的嗎？

7 結語

本節課以物理學史作為教學主線，抓住了學生的興趣點，在課堂中進行師生間多層次的對話.生態的課堂需要建立一種“對話場”，對話場的“能量”反映了學生參與對話的熱情,對話場的“疊加”表征了師生間互動的程度與維度，對話場的“輻射”則體現在參與對話的廣度.但在具體教學中，教師基于自己的理解設計了所有問題，未必與學生的興趣點契合.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.只有在教學過程中，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,使課堂不再成于為機械的預設生成的地方，而成為精彩的動態生成的場所.

參考文獻：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心．普通高中課程標準實驗教科書 物理必修1[M]．北京：人民教育出版社，2007．

[2][德]艾·愛因斯坦，[波]科·英費爾德著，周肇威譯．物理學的進化[M]．長沙：湖南教育出版社，1999．