牛頓第一定律的初、高中教學比較研究

吳文建+許新勝

摘 要：牛頓第一定律是初中和高中物理中都要學習的重要知識.現行的人教版初、高中物理教科書均有一節以“牛頓第一定律”為標題的教學內容.這兩個階段所進行的教學應既有共同點，又有區別.本文將通過對比研究，揭示初、高中階段所分別要講清的具體內容，以期對初、高中物理教師的教學提供一定的參考.

關鍵詞：牛頓第一定律；運動和力的關系；慣性

“牛頓第一定律”這部分內容，在現行人教版初中物理教科書中被安排在第八章“運動和力”的第一節中.初中物理教科書對此的內容編排是：“阻力對運動的影響”、“牛頓第一定律”和“慣性”.“牛頓第一定律”這部分內容在人教版高中物理教科書中被安排在第四章“牛頓運動定律”第一節中，在內容編排上，這一節也被分成三部分來學習，分別是：“理想實驗的魅力”、“牛頓第一定律”和“慣性與質量”.

1 運動和力的關系

初、高中教材中這一節第一部分的標題雖然不同，但討論的都是運動和力的關系問題.內容上都提到兩種不同的觀點.其一是亞里士多德的觀點：“如果要使一個物體持續運動，就必須對它施加力的作用；如果這個力被撤掉，物體就會停止運動”[1]（初中教科書沒有明確說這是亞里士多德的觀點，高中教科書上說明了）；其二是伽利略的觀點：“物體的運動不需要力來維持，運動的物體之所以停下來，是因為受到了阻力”[1].接下來教科書詳細分析了一個實驗，以證明伽利略的觀點是正確的.初中教科書中的實驗設計是：如圖1，將棉布鋪在水平木板上，讓小車從斜面頂端由靜止滑下，觀察小車在鋪有棉布的木板上滑行的距離；去掉木板上的棉布，再次讓小車從斜面頂端由靜止滑下，觀察小車在木板上滑行的距離.

高中物理教科書介紹的是伽利略的理想（斜面）實驗.實驗設計是：讓小球沿一個斜面從靜止狀態開始向下運動，小球將“沖”上另一個斜面，如果沒有摩擦，小球將上升到原來的高度.減小第二個斜面的傾角，小球在這個斜面上仍將達到同一高度，但這時它要運動得遠些.繼續減小第二個斜面的傾角，球達到同一高度時就會運動得更遠.

這兩個實驗都能在可靠實驗的事實基礎上，經推理得出伽利略的觀點.相對來說，初中課本中設計的實驗理解起來要容易一些，所以幾乎各版本初中物理教科書都采用前者的實驗設計方案.“小車從高處滑下”這個實驗的現象是：水平面越光滑，小車運動的距離就越遠.這可以說明：在水平面上運動的小車所受的阻力越小，它的速度減小地就越慢.在此基礎上進行推理：在水平面上運動的小車如果不受阻力，速度就不會減小，小車將以恒定不變的速度一直運動下去.[1]

2 牛頓第一定律

這一節的第二部分——牛頓第一定律.初中物理教科書對牛頓第一定律的陳述是：“一切物體在沒有受到力的作用時，總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態”[1].高中物理教科書對此的陳述是：“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.”[2]仔細閱讀，發現這兩種陳述能表達的含義不同.筆者認為初中課本中的陳述能揭示物體的靜止狀態或勻速直線運動狀態不需要力來維持（或者說力不是維持物體運動狀態不變的原因）.高中課本中的陳述除了能揭示這一點外，還能揭示出力是改變物體運動狀態的原因.在牛頓的著作——《自然哲學的數學原理》一書中，其陳述是：A body at rest remains at rest， and a body in motion moves with uniform velocity in a straight line， unless a force acts on it.[3]（每個物體都保持其靜止或勻速直線運動的狀態，除非有外力作用于它迫使它改變那個狀態[4].）可見高中課本中的陳述是保留原著中的完整意思.初中教科書為便于學生理解和記憶牛頓第一定律，采用條件關系的陳述句，但把“力是改變物體運動狀態的原因”這層意思沒有明顯地表達出來，這應該是考慮到初中生的認知水平.

3 慣性

初中物理教科書先介紹慣性的概念，然后通過實驗和相關事例認識物體的慣性，最后講到慣性的利用與防止.高中物理教科書中這一部分的標題是“慣性與質量”，慣性的概念在上一小節已作了介紹，這部分著重介紹慣性與質量的關系.對于慣性與質量的關系，人教版初中物理教科書是沒有的.查閱《義務教育物理課程標準》，對慣性知識點的要求僅僅是：“用物體的慣性解釋自然界和生活中的有關現象”[5]，沒有要求知道慣性與質量的關系.安徽省中考考綱對“慣性與質量的關系”有要求，要學生知道物體的慣性大小與物體質量間的關系.[6]初中物理教師一般可能會這樣講解：物體慣性的大小只與物體的質量有關.物體的質量越大，其慣性就越大，表現在該物體具有保持原來運動狀態（包括靜止狀態）不變的能力就越強.然后初中教師可能會舉一些事例，比如：相同輸出功率的摩托車與大卡車，更容易由靜止啟動的是摩托車.它們都以相同的速度行駛后，更難停下來的是大卡車.

高中物理在這一部分重點分析慣性與質量的關系.課本在“思考與討論”小欄目中說：“從牛頓第一定律我們得知，物體都有保持它們原來的勻速直線運動或靜止的狀態，或者說，它們都具有抵抗運動狀態變化的‘本領，但是這種 ‘本領的大小是不一樣的.”然后叫大家通過實例分析這種“本領”與什么因素有關.最后給出結論：觀察和實驗表明，對于任何物體，在受到相同的作用力時，決定它們運動狀態變化難易程度的唯一因素就是它們的質量.[2]

牛頓在其著作《自然哲學的數學原理》一書中開宗明義，以“定義和注釋”的形式提出了八個定義和四個注釋，其中定義3是：“慣性或物質固有的力，是一種起抵抗作用的力，它存在于每一物體當中，大小與該物體相當，并盡量使之保持其現有的狀態，或是靜止狀態，或是勻速直線運動狀態.”[4]這種陳述，再結合高中所學的加速度知識，我們可以說：“慣性是物體的一種固有屬性，表現為物體對其運動狀態變化的一種抵抗能力.質量是對物體慣性大小的量度.當作用在物體上的外力為零時，慣性表現為物體保持其運動狀態不變，即保持靜止或勻速直線運動狀態；當作用在物體上的外力不為零時，慣性表現為外力改變物體運動狀態的難易程度.在同樣的外力作用下，獲得加速度較小的物體慣性較大，獲得加速度較大的物體慣性較小.物體的慣性，在任何時候（受外力作用或不受外力作用），任何狀態下（靜止或運動），都不會改變，更不會消失.”endprint

4 “牛頓第一定律”初中應教的知識

通過以上分析，我們可以認識到“牛頓第一定律”這一節初中要講解的知識點應包括：第一部分，討論運動和力的關系，陳述兩種不同的觀點，介紹能說明伽利略觀點正確的實驗（只介紹圖1所示的實驗，不介紹伽利略原版的理想斜面實驗），觀察現象、得出結論、做出推理；第二部分，介紹牛頓第一定律，為了便于初中生理解和記憶，同時又不改變原意，其內容可寫成：“一切物體在沒有受到力的作用時，總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態.當物體受到力（非平衡力）時，它的運動狀態定會發生改變”；第三部分，介紹慣性的概念、生產生活中的慣性現象、慣性的利用和防止.筆者認為最后應補充介紹慣性是物體的固有屬性.物體的慣性有大小，其大小只與物體的質量有關.物體的質量越大，在相同的情況下，改變該物體的運動狀態就越困難，即該物體具有保持原來運動狀態不變的能力就越強，慣性就越大；反之，物體的質量越小，在相同的情況下，改變該物體的運動狀態就越容易，即該物體具有保持原來運動狀態不變的能力就越弱，慣性就越小.然后可舉一些事例說明這一點.

5 “牛頓第一定律”高中應教知識

“牛頓第一定律”這一節，高中要講的知識點應主要包括：第一部分，同樣討論運動和力的關系，陳述兩種不同的觀點，介紹伽利略的理想斜面實驗（最好安排實驗演示），然后觀察現象、得出結論、做出推理；第二部分，同樣介紹牛頓第一定律，按牛頓在其著作《自然哲學的數學原理》中的原文介紹，然后說明從這個定律可以揭示：物體的運動不需要力來維持，力是改變物體運動狀態的原因；第三部分，可以從牛頓第一定律得出，一切物體都具有保持其原來運動狀態（注：靜止也是一種運動狀態）不變的性質，我們把這種性質稱為慣性.接下來可以講物體的慣性有大小.其大小的不同就是物體保持原來運動狀態不變能力的不同，或者說物體具有抵抗運動狀態變化“本領”的不同，或者說改變物體運動狀態難易程度的不同.然后可以聯系前面學過的加速度概念具體分析.如：當作用在物體上的外力為零時，慣性表現為物體保持其運動狀態不變，即保持靜止或勻速直線運動；當作用在物體上的外力不為零時，慣性表現為外力改變物體運動狀態的難易程度.在同樣的外力作用下，獲得加速度較小（即運動狀態難以改變）的物體慣性較大；獲得加速度較大（即運動狀態容易改變）的物體慣性較小.然后舉一些能說明這個問題的事例.最后，筆者認為可以把牛頓關于慣性的定義說一下，不過為避免學生誤解，可以稍作修改，把“起抵抗作用的力”改成“起抵抗作用的能力”，改過后如下：“慣性是一種起抵抗作用的能力，它存在于每一物體當中，大小與該物體相當，并盡量使其保持現有的狀態，不論是靜止狀態，或是勻速直線運動狀態.” 并說明物體慣性的大小只與物體的質量有關.一切物體不管是否受力，也不管它是否運動和怎樣運動，慣性的大小不變，慣性是物體的固有屬性.

6 總結

“牛頓第一定律”這一節是初、高中物理教學的重點，更是難點.我們需要對這個內容的教學進行深入研究，理清初、高中教學中的側重點，以使學生學得輕松，教師教得科學合理.希望本文能對老師們的備課和教學起到一定的參考作用.

參考文獻：

[1]人民教育出版社課程教材研究所.義務教育教科書物理八年級下冊[M]. 北京：人民教育出版社，2012，10.

[2]人民教育出版社課程教材研究所. 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，2010， 3.

[3]黃時中，倪致祥 主編. 大學物理[M]. 北京：高等教育出版社，2014： 27.

[4]伊薩克·牛頓著，王克迪譯. 自然哲學的數學原理[M]. 武漢：武漢出版社，1992：13-14.

[5]中華人民共和國教育部. 義務教育物理課程標準（2011年版）[S]. 北京：北京師范大學出版社，2012， 1.

[6]安徽省教育科學研究院. 2017年安徽省初中畢業學業考試綱要[S]. 合肥：安徽科學技術出版社，2017， 3.endprint