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(jié)課的設計緊緊圍繞牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)過程，深入挖掘物理學史中的相關素材，將牛頓第一定律發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)：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(fā)現(xiàn)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(jié)內(nèi)容.但是在實際教學過程中，很多教師并未把該節(jié)內(nèi)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(jīng)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(nèi)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(xiàn)象、真正深刻地觸及到牛頓第一定律的本質(zhì)，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(xù)學習？學習牛頓第一定律的意義就在于糾正我們通過經(jīng)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(tài)或靜止狀態(tài).”而在高中教科書中這樣表述：“一切物體總保持靜止狀態(tài)或勻速運動狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止”.對比后發(fā)現(xiàn)，初中物理的強調(diào)物體保持勻速運動狀態(tài)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(diào)了“力對物體運動狀態(tài)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(nèi)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(nèi)容及意義.

③能夠從生活的經(jīng)驗中體會慣性，會正確解釋日常生活中的慣性現(xiàn)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(yǎng)學生嚴謹?shù)倪壿嬐评砟芰?

②通過學生對歷史演變過程的“親身”參與，培養(yǎng)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(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力.

(3)情感態(tài)度與價值觀

讓學生知道科學研究過程的艱難，領悟?qū)嶒灱油评淼目茖W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(tǒng)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(guī)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(fā)射及其與神舟八號的空間交會是一個復雜的系統(tǒng)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(wěn)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(shù)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(shù)學家和物理學家.

牛頓：英國數(shù)學家、物理學家和天文學家..

愛因斯坦：德國物理學家，現(xiàn)代物理學的開創(chuàng)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(zhì)疑，對話開始.

“亞里士多德”：我經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)吧！

“亞里士多德”：應該是太陽在繞地球運轉(zhuǎn)，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(jù)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(xiàn)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(xù)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(tài)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(tài)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(xù)以同一速度在同一直線方向上運動，或者是繼續(xù)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(tài)或靜止狀態(tài)，除非有外力迫使它改變這種狀態(tài).

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(tài)的？

圖2

“牛頓”：小球的運動狀態(tài)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(zhuǎn).

“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(fā)現(xiàn)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(xù)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(tài)或靜止狀態(tài)，除非有力迫使它改變這種狀態(tài).

(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(tài)的原因,可用速度描述物體的運動狀態(tài)；力是改變物體速度的原因；力是產(chǎn)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(tài)的性質(zhì)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(jié)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(tài)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(xiàn)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(xiàn)錯誤的回答又會打亂教學節(jié)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(huán)節(jié)，教學目標才能順利實現(xiàn),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(tài)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(fā)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．