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牛顿第一定律教学中的几个问题
作者：田鹏
来源：《中学物理·高中》2015年第09期
笔者近期参加了市里举办的高中课堂教学竞赛，抽到的课是牛顿第一定律，荣获一等奖.在备课和上课的过程中有一些感悟，与大家分享. 1 话题的引入
学生刚学完运动学和静力学，如何引入到动力学中来是本节课面临的第一个问题.在检索资料后，发现基本上有两种引入方式. 1.1 两种引入方式
1.1.1 邢红军等人的高端备课
邢红军等人选取了4个原始问题展开教学，目的是将学生置于生态化的问题情境中来有效地破除前概念.所选4个问题如下：
（1）在匀速行驶的火车车厢内竖直向上抛钥匙，问钥匙落在抛出点何处？
（2）从匀速水平向前飞行的飞机上向下空投，不计空气阻力，问扔下后在空中如何排列？
（3）一人站在轮船二层甲板上，以最大速度奔跑想跳入水中.由于一层甲板过长，每次都只能跳到一层甲板边缘而不能跳入水中.有人建议在人以最大速度奔跑过程中，让轮船向相反方向以速度v匀速运动.请问这种情况下人能否跳入水中？
（4）在匀速向前行驶的汽车车厢内，前后车窗上各趴有一只蜜蜂，当两只蜜蜂同时相对车厢以同样的速度向对方车厢飞去时，问前车窗的蜜蜂先到达后车窗还是后车窗的蜜蜂先到达前车窗？
1.1.2 孟秀兰等人的问题引入
孟秀兰等人首先根据学生的经验常识，要求他们思考并回答下列问题：
（1）要改变一个静止的物体的位置，使它运动起来，你有什么办法？运动与什么因素有关？
（2）一辆四匹马拉的车比一辆两匹马拉的车走得更快.由此你可以得出什么结论？
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（3）在水平路面上用力推车，车才运动；停止用力，车静止.由此你能得出什么结论？ （4）在第3个问题中，停止用力后，小车是否立刻停止？怎样增加小车继续运动的距离？
总结一下自己的观点，并把它写下来.你还能举出哪些实例来支持或证明自己的观点？ 学生的观点不外乎两类，此时引导学生就两类不同观点展开辩论，最终将学生的思维引导到理性批判的轨道，得出正确的观点.
1.2 对两种引入方式的分析比较及我们的做法
（1）邢红军教授的做法有效破除学生头脑中已经存在的前概念，但是所列的四个问题涉及到曲线运动、运动的合成和分解、相对运动、参考系的转换等，这些问题要么是在必修二中才学习，要么难度过大，不适宜作为新授课的引入.
（2）孟秀兰教授等人的问题引入，优点在于能够针对学生存在的认识误区，切中要害地提出一些问题，激发学生的认知冲突和探究欲望，展开辩论，让学生暴露自己的观点，通过问题解决促使学生理性思考.但在试讲中发现，学生讨论完四个问题后无一例外的认同亚里士多德的观点，无法展开辩论.针对第3个问题再次引导分析后学生依然无法说服自己，课后分析原因可能是这几个问题反而加深了学生头脑中“力是维持物体运动的原因”这一错误认识. （3）我们的做法：通过分析学情，我们知道学生在初中已经学习过相关知识，即便认识不深或有所遗忘，但对于牛顿第一定律的基本内容是知道的，所以我们决定从学生熟悉的情景入手.
师：我们都有这样的生活经验，当我们坐在一辆正在行驶的大巴车上，突然刹车时我们的身体会有什么动作？
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生：向前倾.
师：这个问题其实与物体为什么会上升、为什么会下降，为什么有时候加速、有时候减速都是同一个问题，那就是运动背后的原因是什么.这是一个古老的问题，可以一直追溯到公元前四世纪，那时有一个伟大的哲学家亚里士多德，他认为……
学生其实知道亚里士多德的观点是不对的，请学生举例说明，如足球踢出后仍然会运动、推一辆小车然后撤去外力小车仍然会运动一段距离等，来理解原来是摩擦力、空气阻力造成的. 很自然引入到伽利略的研究：
质疑：原来运动的物体之所以停下来，难道真是因为没有外力的作用吗？ 假设：如果没有摩擦阻力、流体阻力的影响，在水平面上运动的物体会怎么样呢？ 猜想：如果没有摩擦阻力、流体阻力的影响，在水平面上运动的物体将会一直运动下去. 这种引入方式符合学生实际情况. 2 伽利略理想实验的处理
伽利略理想实验是本节的一个重点，一方面是实验怎么做更好，一方面是理想实验的丰富内涵怎么理解.检索资料后主要有两种方式.
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2.1 两种方式
（1）让小球从斜面滚下，先在棉布表面上运动，再去掉棉布，让小球滚下在木板上运动，再把木板换成玻璃板，可以看到小球运动的距离越来越远，进而推出当表面光滑时小球将做匀速直线运动，不再停下.
（2）郑青岳老师认为，伽利略的理想斜面实验的原型是单摆实验，从单摆实验转化到理想斜面实验才是符合当年伽利略得出力和运动规律的思维过程的，唯有这样才能充分展示伽利略高超的创造性思维和理想化实验的魅力. 2.2 对两种引入方式的分析比较及选择
2.2.1 第一种方法其实是初中学习牛顿第一定律的时候做过的实验，而且学生有深刻印象，高中再次学习就没有必要重复了，而且这种做法也不符合高中对伽利略理想斜面实验的要求.
2.2.2 第二种方法非常好的还原了伽利略当时的研究过程，符合史实，充分展现了理想化实验的魅力.过程如下：
（1）先演示单摆的摆动（图1）：
学生知道小球从A点释放摆到B点时，A、B等高，同时引导学生知道实际上B点的位置要低一些，如果没有空气阻力则A、B等高.
（2）在摆线悬点下方不同位置插入钉子进行实验（图2），小球将摆到右边多高位置？ （3）将单摆图中其它线条去掉，变为如图3所示的曲线轨道，那么小球从A点释放沿不同轨道仍能到达等高的D、C、B三点.
（4）将右侧轨道不断放低，小球总能到达与A点等高的位置，则在右侧轨道运动的距离越来越远，速度减小的越来越慢，可以推出当右侧轨道放成水平时，小球将一直匀速直线运动下去.
这种设计非常好的体现了伽利略理想实验的精髓，从对单摆的观察联想到曲面轨道，推出如果没有摩擦力时小球将做怎样的运动.但在试讲时发现学生无法理解悬点下方挡一个钉子时为什么小球会到达等高位置，学生总认为此处能量必有损失.因学生在初中学习机械能守恒定律时理解不深，关于圆周运动的知识还没有学习，所以此处的认知障碍短时间内无法消除，与同事研究后认为此方法同样不适合牛顿第一定律的新授课教学.
2.2.3 我们的做法：根据演示实验操作要简便、让规律得到更合理的原则，我们用长且软的塑料条自制一条轨道，弯成弧形，先铺上毛巾，从轨道一侧释放小球，用小红旗标记下小球
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能到达的最高位置；去掉毛巾，从同一位置释放小球，再次标记小球能到达的最高位置，学生知道若没有摩擦小球将到达与释放点等高位置；将右侧轨道放低，再次从同一位置释放小球，可明显看到小球将运动到更远处，直至右侧轨道放平，小球做速度几乎不变的运动.整个过程简洁明了，学生一看便知，对伽利略理想实验的实验基础深信不疑.要给学生交代清楚，如果没有摩擦、如果水平导轨无限长正是理想化的表现，所得结论是可靠的实验基础结合理想条件推理出来的.
3 从伽利略到笛卡尔到牛顿逐步深入研究该问题的处理
学习完伽利略的研究后，学生会有疑问：伽利略已经搞清楚了运动的原因，为什么笛卡尔还要补充，最后却又命名为牛顿第一定律？
此处要先呈现伽利略和笛卡尔对这一问题的表述：
伽利略：如果没有摩擦阻力、流体阻力的影响，在水平面上运动的物体将会一直运动下去. 笛卡尔：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向.
带领学生比较两种说法的不同.第一，笛卡尔描述的是物体不受力的情况，已不再局限于摩擦阻力、流体阻力；第二，笛卡尔的描述不再局限于物体沿水平面的运动，即物体不受力时将沿原来的运动方向运动，而原来的运动方向可以是任意的.即笛卡尔把个别现象扩展到了一般现象.至此学生就明白了笛卡尔的描述比伽利略更加深入.
再呈现牛顿的研究结果：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态.
带领学生分析牛顿的描述与笛卡尔的不同.第一，牛顿说的是一切物体，不单单是地面上的物体，包括了宇宙间的所有物体，揭示了地上、天上的物体都遵循同样的物理规律，这是人类认识史上的性突破；第二，“总保持”说明物体具有惯性这一固有属性；第三，“除非”说明力是改变物体运动状态的唯一原因，学生在前面学习中已经知道力能改变物体的运动状态，但是否是唯一原因，至此明了.
经过这样的分析，学生既感受了人类认识运动的原因这一问题的曲折过程，也明白了为什么牛顿的认识是最彻底的.
