牛顿第一定律教学中的三个疑惑，本文主要内容关键词为：定律论文,疑惑论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
牛顿第一定律是牛顿力学体系的开篇，也是进一步学习牛顿第二、第三定律的基础。牛顿第一定律在初中阶段学生已经学过，但学得比较简单，理解得也很肤浅；高中阶段再次学习这个定律时，笔者发现由于学生认识和思维能力的提高，他们会产生一些有别于初中阶段的新疑惑。如果教师没有意识到并想办法解决这些疑惑，则教学中不仅在知识上无所突破，而且在认识上无法进一步的提高，很大程度上成为初中知识的复习课。以下就是学生在学习“牛顿第一定律”时常产生的三个疑惑及笔者解惑的拙见，供大家参考。
一、亚里士多德的历史地位
高中《物理课程标准》的课程具体目标之一是：培养学生具有敢于坚持真理和实事求是的科学态度和科学精神，具有判断大众传媒有关信息是否科学的意识。通过学习物理知识，使学生形成正确的认识观，这是物理教学德育功能的重要体现。
司南版高中课程标准教科书《物理1》中两次介绍到亚里士多德的观点：第一次是亚里士多德关于自由落体运动的错误结论；第二次就是本节课中亚里士多德对力与运动关系的错误认识。这样很容易让学生产生一种误解，认为亚里士多德禁锢了人们的思想，阻碍了物理学的发展。事实上，亚里士多德是人类历史长河中有卓越贡献的人物，因此，笔者在教学中对亚里士多德的介绍作了如下补充：
亚里士多德是古希腊著名的哲学家、教育家、文学家、物理学家、生物学家、伦理学家和教师。他的讲课被认为是古希腊思想的百科全书。黑格尔对他的评价是：“亚里士多德乃是历史上最多才、最渊博、最深刻的科学天才之一，他是一个在历史上无与伦比的人……”。由于他善于总结才能大胆地得出一般性的结论，从而对人们的生产和生活具有指导意义，但是“由于运动问题太复杂而含糊不清”（爱因斯坦语），所以受历史条件的限制，亚里士多德不可能真正明白其中的道理。我们不能因为伽利略的贡献而贬低了亚里士多德的地位，而应该历史地、辩证地评价亚里士多德及其观点。
二、教科书中伽利略实验的逻辑断点
伽利略的斜面实验将可靠的事实和理想化的科学方法相结合，能更深刻地反映科学规律，它是学生理解牛顿第一定律的关键。司南版高中课程标准教科书《物理1》中“伽利略的斜面实验”是这样编写的：
……伽利略设计了一个理想实验（图1）。在这个实验中，伽利略认为，当小球沿光滑斜面从左侧某一高度滚下时，无论右侧斜面坡度如何，它都会沿斜面上升到与下落点等高的地方。如果右侧变为水平面，小球将为了达到那永远无法达到的高度而一直滚下去。在这种情况下，没有力也可以有运动，维持物体的运动可以不需要外力。
图1
教学中，学生常常会针对课本的上述内容，提出这样的疑问：无论右侧斜面的坡度多么小，只要小球是沿该斜面上升到与下落点等高的地方，右侧斜面就永远成不了水平面。因此，当右侧斜面有坡度时，小球沿右侧斜面做减速上升是一回事；当右侧变为水平面时，小球沿水平面做匀速运动又是另一回事，这两者并不存在什么逻辑关系。
出现这种情况的原因，是教科书没有讲清“无论右侧斜面坡度如何”和“如果右侧变为水平面”之间的逻辑关系，也就是说，“右侧斜面坡度很小”和“右侧斜面变为水平面”之间的逻辑链条中存在一个不易觉察的逻辑断点——满足什么条件才会使右侧斜面的坡度为零？可以说，在牛顿第一定律的教学中，如果不解决这个逻辑断点，学生就很难沿着逻辑的思路理解牛顿第一定律。
鉴于上述“伽利略的斜面实验”编写的不足，笔者建议进行如下的教学设计：
如下页图2甲所示，让静止在A处的小球沿左侧斜面滚下来，小球将滚上右侧斜面，如果没有摩擦，小球将上升到与A等高的B处。如果减小右侧斜面的倾角（图2乙），即增加BC的长度，小球在这个斜面上要到达原来的高度就要通过更长的路程。继续减小右侧斜面的倾角，使BC的长度不断增加（图2丙），于是在直角三角形BCD中，
，当
时，sinθ→0；取极限，从而θ=0，即右侧斜面BC成为水平面（图2丁），因此，小球就沿水平面以恒定速度持续运动下去。据此理想化实验得出结论：如果没有摩擦，一旦物体具有某一速度，物体将保持这个速度继续运动下去，即物体的运动不需要力来维持。
图2
这样进行“伽利略的斜面实验”的教学设计，由于体现了从有限向无限的过渡，虽然并未回避右侧斜面的上端仍在与下落点等高处，但由于引入了正弦函数，通过讨论右侧斜面的长趋于无穷大时斜面与水平面的夹角为零，从逻辑上阐述了右侧斜面成为水平面的必然性，较好地体现了“伽利略的斜面实验”的思想。
三、牛顿第一定律与前人结论的区别
司南版高中课程标准教科书在“牛顿第一定律”一节中，分别介绍了伽利略、笛卡儿和牛顿的观点（牛顿第一定律），由于三者的观点很相似——都指出力不是维持物体运动的原因，于是有学生问：牛顿第一定律和前两者的观点有什么区别？为什么惯性定律被称为牛顿第一定律而不是伽利略定律或笛卡儿定律？因此，教学中有必要说清牛顿第一定律与前两者观点的区别。
伽利略通过斜面实验分析了物体不受力时的运动情况，得到与亚里士多德不同的结论，即力不是维持物体运动的原因，物体在不受力的情况下将保持匀速运动，即从光滑斜面上滚下来的小球将沿水平面永远的等速运动下去。考虑到地球的表面（水平面）实际上是一个球面，所以伽利略所谓的匀速运动（即惯性运动）是指环绕一个中心的圆周运动。事实上，伽利略深信匀速圆周运动是宇宙中最完美、和谐的运动，甚至开普勒发现行星的轨道是一个椭圆的时候，也没有引起伽利略的重视。因此，伽利略的惯性原理表述得并不准确，这也是惯性定律被称为牛顿第一定律而不是伽利略定律的原因。
笛卡儿进一步补充和完善了伽利略的观点，他提出：如果没有其他原因，运动的物体将继续以原来的速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。显然，笛卡儿的这一惯性原理的表述突破了伽利略的水平面，显得更加准确，了。但他只是指出运动的物体具有惯性，没有指出静止的物体也有惯性；同时，没有说出力是改变物体运动的原因。
牛顿在前人工作的基础上，对惯性原理加以完善，提出了具有划时代意义的牛顿第一定律。它作为力学的一个基本规律，包含了两个重要概念，那就是惯性和力。而且，在牛顿之前，人们认为天体运动和地面上物体的运动分别服从于不同的规律。仔细阅读牛顿第一定律，我们会发现牛顿第一定律的研究对象是“一切物体”，其中的指示代词“一切”表明了牛顿认为：天上的运动与地上的运动遵从同样的规律，因此牛顿成为跨越天地之间鸿沟的第一人，牛顿第一定律具有深刻的哲学意义。有了天地遵从相同自然规律的哲学思想，所以其后的牛顿第二、第三定律及其他的科学规律中的研究对象虽然只讲“物体”（而省略了指示代词“一切”），这时所讲的“物体”自然就默认为包括天上和地面上的一切物体。
在以往的一些教育理念和实践中，教科书是教学中心，教师的作用只是讲解教科书，以使学生掌握教科书。新的教学理念则认为，教科书只是最基本、最重要的课程资源之一，教科书与师生的关系应该是教师、学生与教科书形成一个系统，相互影响、相互丰富、相互补充。普通高中课程标准实验教科书除了具有时代性、基础性和选择性外，还具有一定的开放性，教科书不可能也没有必要把所有的问题都讲清，因此，教师在授课时要针对教科书和学生的实际情况，对教科书做适当的补充，以便为学生解惑。