基于物理學(xué)史的一堂探究課
——“牛頓第一定律”的教學(xué)設(shè)計(jì)

王建輝

（陽(yáng)泉市第十一中學(xué)校 山西 陽(yáng)泉 045000）

1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路的建立（略）

2 教學(xué)過(guò)程

2.1 引入課題

活動(dòng)1：創(chuàng)設(shè)剎車互動(dòng)游戲，觀看神州飛船發(fā)射升空的視頻.

讓學(xué)生思考，為什么剎車時(shí)人體會(huì)向前傾斜？為什么汽車能夠做加速運(yùn)動(dòng)，為什么可以做減速運(yùn)動(dòng)？為什么有的物體做直線運(yùn)動(dòng)，有的物體可以轉(zhuǎn)彎？神舟六號(hào)發(fā)射后，媒體稱中國(guó)已經(jīng)掌握微小衛(wèi)星進(jìn)動(dòng)控制的方法，這具體是指什么？

師：所有這些“為什么”實(shí)質(zhì)都是同一個(gè)問(wèn)題，運(yùn)動(dòng)背后的原因是什么？這是個(gè)古老的話題，最早可以追溯到公元前4世紀(jì).

2.2 歷史回眸

2.2.1 亞里士多德（公元前384～公元前322年，古希臘哲學(xué)家、自然科學(xué)家）

活動(dòng)2：觀看馬拉車、拉弓射箭、賽場(chǎng)上滾動(dòng)的足球的視頻.

師：亞里士多德通過(guò)諸如馬拉車行駛，船夫拉船行駛等生產(chǎn)、生活中物體被推拉后的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，這些運(yùn)動(dòng)必須有推動(dòng)者，即運(yùn)動(dòng)必須有外力維持，否則就歸于靜止.他認(rèn)為 “一切運(yùn)動(dòng)的物體必定受某物的驅(qū)動(dòng)”，外力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因.有力作用則物體動(dòng)，力停止作用則物體停止運(yùn)動(dòng).同學(xué)們同意這個(gè)點(diǎn)嗎？你能否分析一下理由是什么？

學(xué)生交流、討論后得出亞里士多德觀點(diǎn)不正確，沒(méi)考慮阻力.

師：若沒(méi)有空氣阻力、地面摩擦阻力的存在，水平運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)怎樣呢？

生：會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去.

師：亞里士多德的觀點(diǎn)歷經(jīng)2000多年卻無(wú)人質(zhì)疑，直到16世紀(jì)，物理學(xué)家伽利略提出質(zhì)疑.他第一個(gè)意識(shí)到摩擦力存在的問(wèn)題，沒(méi)有阻力存在，水平運(yùn)動(dòng)的物體將會(huì)永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.你們與他的設(shè)想是一樣的.如何驗(yàn)證其正確與否？

生：通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

2.2.2伽俐略（1564～1642年，意大利物理學(xué)家、天文學(xué)家）

活動(dòng)3：分組操作彎曲斜面的實(shí)驗(yàn).

在鋁合金軌道上墊上毛巾，小球從固定點(diǎn)釋放，有摩擦，到達(dá)的位置低于釋放點(diǎn)的高度；撤去毛巾，更換棉布，在同一點(diǎn)釋放，小球爬行的高度增加；撤去棉布同一點(diǎn)釋放，小球到達(dá)的位置基本與釋放點(diǎn)等高.

結(jié)論：若軌道無(wú)摩擦小球會(huì)運(yùn)動(dòng)到與釋放點(diǎn)等高處.

點(diǎn)評(píng)：無(wú)摩擦?xí)r小球會(huì)滑到與釋放點(diǎn)等高處是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上合乎邏輯的推理，是讓人信服的結(jié)論.

活動(dòng)4：分組實(shí)驗(yàn)，不斷減小光滑軌道右側(cè)斜面的傾角.

師：減小斜面的傾角，從同一高度上釋放小球，運(yùn)動(dòng)的水平距離更遠(yuǎn)了，為什么？

生：根據(jù)剛才的結(jié)論，小球仍將要運(yùn)動(dòng)到與釋放點(diǎn)等高的位置.

師（肯定學(xué)生的回答）：繼續(xù)減小斜面傾角，仍從同一高度釋放，小球運(yùn)動(dòng)的水平距離越來(lái)越遠(yuǎn)，假如無(wú)摩擦，且軌道足夠長(zhǎng)，小球會(huì)怎樣？

生：會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去.

師（活動(dòng)總結(jié)）：這是進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)推理.小球在光滑的水平軌道運(yùn)動(dòng)，水平方向不受外力，卻可以一直運(yùn)動(dòng)下去，這個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了剛才的猜想，也說(shuō)明亞里士多德的論點(diǎn)的錯(cuò)誤，力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因.

板書：如果沒(méi)有摩擦阻力、流體阻力的影響，在水平面上運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去.

師：回顧伽利略研究力與運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的研究思路，是在可靠實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用邏輯推理得出規(guī)律的思維模式，即理想實(shí)驗(yàn)方法.亞里士多德采用的觀察法也是一種研究方法，但直覺(jué)有時(shí)不一定很準(zhǔn)確，更不能迷信權(quán)威.

視頻觀看一項(xiàng)體育項(xiàng)目——冰壺球運(yùn)動(dòng)，由于球運(yùn)動(dòng)過(guò)程阻力很小，能以幾乎不變的速度前進(jìn).

讓學(xué)生觀察氣墊導(dǎo)軌上物體近似勻速運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)演示，并交流實(shí)驗(yàn)體會(huì).

點(diǎn)評(píng)：愛(ài)因斯坦評(píng)價(jià)伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開(kāi)端.

那么，為什么我們今天不是學(xué)習(xí)伽利略定律呢？

2.2.3 法國(guó)科學(xué)家笛卡兒（1596～1650年）

板書：如果運(yùn)動(dòng)中的物體沒(méi)有受到力的作用，那么，它將繼續(xù)以同一速度沿直線運(yùn)動(dòng)，既不停下來(lái)，也不偏離原來(lái)的方向.

活動(dòng)5：對(duì)比同時(shí)代兩位科學(xué)家的表述.

師：有什么區(qū)別？

生：對(duì)比結(jié)果可以看出笛卡兒的觀點(diǎn)和伽利略的觀點(diǎn)的具體差異.笛卡兒補(bǔ)充完善了伽利略結(jié)論.

2.2.4 牛頓（1642～1727年）

牛頓系統(tǒng)總結(jié)了前人的研究并賦予更新的內(nèi)涵.

板書：牛頓第一定律：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止.

活動(dòng)6：理解牛頓第一定律.

讓學(xué)生大聲朗讀第69頁(yè).

師：牛頓全面總結(jié)了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系.1687年他的理論體系收錄在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》.牛頓的三個(gè)定律成為動(dòng)力學(xué)核心.亞里士多德提出問(wèn)題，引起爭(zhēng)議；伽利略創(chuàng)立方法，引導(dǎo)方向；笛卡兒補(bǔ)充完善，深化認(rèn)識(shí)；牛頓系統(tǒng)總結(jié)，明確內(nèi)涵.牛頓第一定律包含了眾多科學(xué)家的大膽猜想、假設(shè)，是牛頓在對(duì)前人的結(jié)論提出質(zhì)疑并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上形成的.牛頓曾謙虛地說(shuō)，如果說(shuō)我看得更遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诹司奕说募绨蛏?牛頓第一定律的形成過(guò)程貫穿了物理學(xué)史的全過(guò)程.

我國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)末期的《考工論辀人篇》中更有明確的記載，“勸登馬力，馬力既竭，猶能一取也.”意思是說(shuō)，馬拉車的時(shí)候，馬雖然對(duì)車不再施力了，但車還能繼續(xù)前進(jìn)一段路，這顯然是在講述一種現(xiàn)象.

2.3 慣性定律

活動(dòng)7：放慢400倍的鏡頭，觀看扎破裝水氣球的視頻.

教師：為什么球破時(shí)刻水仍然保持原狀？

生：水具有保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì).

設(shè)計(jì)小實(shí)驗(yàn)用棒敲打疊放的象棋子.請(qǐng)學(xué)生繼續(xù)分析.

點(diǎn)評(píng)：物體保持原來(lái)勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)叫做慣性.一切物體都具有與生俱來(lái)的慣性.

師：物體抵抗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的本領(lǐng)與什么因素有關(guān)呢？

學(xué)生觀看高速公路超載的車禍報(bào)道.討論、分析出慣性是物體的固有性質(zhì)，抵抗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的本領(lǐng)，質(zhì)量大，慣性大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難改變；質(zhì)量小，慣性小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)易于改變.

點(diǎn)評(píng)：質(zhì)量是物體慣性大小的量度.

活動(dòng)8：請(qǐng)學(xué)生列舉生活中體現(xiàn)與利用慣性的例子.

活動(dòng)9：教師設(shè)計(jì)小車實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)學(xué)生猜想，若小車勻速運(yùn)動(dòng)，銜住小球的電磁鐵突然斷開(kāi)電源，小球掉在哪里？小車加速運(yùn)動(dòng)呢？

生：因?yàn)樾∏蚓哂袘T性，會(huì)掉入小車內(nèi).

師：司機(jī)為什么要系安全帶？（呼應(yīng)課題引入時(shí)的剎車游戲）

點(diǎn)評(píng)：牛頓第一定律揭示了一切物體都具有一種保持其原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性即慣性.當(dāng)物體不受力時(shí)，它處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，體現(xiàn)了它保持原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性，當(dāng)物體受到外力作用時(shí)，慣性會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變進(jìn)行反抗，此時(shí)這種特性就明顯表示出來(lái)，因此，牛頓第一定律又被稱為慣性定律.

2.4 課堂小結(jié)

師：今天這堂課的學(xué)習(xí)有何收獲呢？

生：牛頓第一定律、慣性、理想實(shí)驗(yàn)研究方法、不迷信權(quán)威勇于質(zhì)疑……

師（點(diǎn)評(píng)）：近代愛(ài)因斯坦等科學(xué)家又進(jìn)一步發(fā)展了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系.沒(méi)有哪一個(gè)定律是終極真理，物理學(xué)的大廈永不封頂，還等待你們?yōu)樗泶u加瓦.

3 板書設(shè)計(jì)（略）

4 教學(xué)后記

本節(jié)課從人類對(duì)力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的認(rèn)識(shí)歷史入手，讓學(xué)生對(duì)牛頓第一定律本身的建立有全面、清楚的認(rèn)識(shí).在物理教學(xué)中，恰當(dāng)運(yùn)用物理學(xué)史，加強(qiáng)物理學(xué)史教育，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)中受到科學(xué)方法和科學(xué)思維的訓(xùn)練，受到物理學(xué)科學(xué)作風(fēng)的熏陶，有利于學(xué)生掌握科學(xué)研究方法，提高科學(xué)研究能力，養(yǎng)成科學(xué)的態(tài)度和精神，從而最終達(dá)到全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的.

1 教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）.北京：人民教育出版社，2011

2 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究中心.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理·必修2.北京：人民教育出版社，2011.67

3 人民教育出版社物理室.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理·必修2教師教學(xué)用書.北京：人民教育出版社，2011.11

4 羅亦超，王一鳴.物理學(xué)史與中學(xué)物理教學(xué).武漢：湖北大學(xué)出版社，1989.1～8