楊雄生

（北京市教育學(xué)院朝陽分院 北京 100026）

汪 瀛

（北京市趙登禹中學(xué)校 北京 100067）

牛頓第一定律是力學(xué)的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)，在力學(xué)中居于舉足輕重的地位.初中物理中牛頓第一定律是慣性概念與平衡力的理論基礎(chǔ).

初中牛頓第一定律和慣性以及慣性現(xiàn)象，組成一個(gè)單元，也是初中物理的重點(diǎn)知識(shí)，歷來為各地教研員所重視.

初中牛頓第一定律和慣性現(xiàn)象的教學(xué)難點(diǎn)在于：如何從有限次的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，過渡到理想狀態(tài)的物理定律；如何解讀牛頓第一定律的內(nèi)容，盡量吸取其中的“物理營養(yǎng)”；如何引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)分析和解釋初中涉及的“分離式”的慣性現(xiàn)象.

經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，筆者終于找到突破這些難點(diǎn)的方法.現(xiàn)將我們進(jìn)行的一堂研究課，介紹如下，與同行交流.

1 引入新課

用如圖1所示的3個(gè)實(shí)驗(yàn)引入新課，圖1（a）是由教師演示的常見的慣性實(shí)驗(yàn)，用簡易的器材轉(zhuǎn)化為學(xué)生實(shí)驗(yàn)；圖1（b）是將長方形的橡皮擦，立在課本上，突然推動(dòng)課本，橡皮后倒，模擬車輛啟動(dòng)乘客后傾的現(xiàn)象；圖1（c）是將長方形的橡皮擦，立在課本上，先慢慢推動(dòng)課本，讓橡皮隨課本一起運(yùn)動(dòng)，然后利用實(shí)驗(yàn)桌上的木塊作障礙物使課本停下了來，橡皮前倒，模擬剎車時(shí)乘客前沖的現(xiàn)象.

每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前都應(yīng)該先讓學(xué)生猜想可能出現(xiàn)什么現(xiàn)象——預(yù)判；而后再動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證猜想是否正確；最后，敘述出現(xiàn)的現(xiàn)象，想辦法給現(xiàn)象一定的解釋.

圖1 學(xué)生實(shí)驗(yàn)

對(duì)于圖1（b）、（c）兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生敘述現(xiàn)象且尚未對(duì)現(xiàn)象解釋之前，教師應(yīng)及時(shí)增加一個(gè)問題：生活中，我們遇到過這種現(xiàn)象嗎？學(xué)生提出汽車啟動(dòng)時(shí)，乘客后仰；汽車剎車，乘客前傾的現(xiàn)象.結(jié)合學(xué)生的敘述，教師及時(shí)展示汽車啟動(dòng)與剎車時(shí)，乘客出現(xiàn)現(xiàn)象的圖片，再讓學(xué)生解釋.

由于尚未學(xué)習(xí)牛頓第一定律，也沒有訓(xùn)練過如何解釋此類顯示分離式的慣性現(xiàn)象，學(xué)生的解釋往往回答不到點(diǎn)子上.

教師：要仔細(xì)、透徹回答這些問題，我們知識(shí)不夠，還需要學(xué)習(xí)新的物理知識(shí)！

2 探究教學(xué)——探究運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系

2.1 引出探究課題

先演示如下實(shí)驗(yàn)；在水平面上，教師用手推小車一小段路程，松手后，小車運(yùn)動(dòng)一段路程停下來.

設(shè)問：看到什么現(xiàn)象？想到什么問題？歸納出問題：為什么小車會(huì)停下來？

學(xué)生A：因?yàn)槭植煌菩≤嚵耍?，它才下?

學(xué)生B：因?yàn)樾≤囀艿阶烂娴哪Σ亮?，它才?huì)停下來.

師：是因?yàn)槭植煌扑?，小車才停下來；還是小車受到桌面的摩擦力，它才停下來？我們通過實(shí)驗(yàn)探究來解決這個(gè)問題！

引出課題.探究：運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系.

2.2 引出探究實(shí)驗(yàn)

展示圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置，問：運(yùn)動(dòng)小車在木板面停下來快些，還是在毛巾面上停下來快些？

圖2 運(yùn)動(dòng)小車實(shí)驗(yàn)裝置

學(xué)生一致回答：在毛巾面上停下來快些！

教師演示，故意在擋板后面，對(duì)小車的推力不同，使的小車在木板面的初速度小，在毛巾面的速度大，讓小車在木板面上停的快，毛巾面上停的慢！

問：看到什么現(xiàn)象，想到什么問題？

學(xué)生一致反對(duì)：兩次實(shí)驗(yàn)速度不同，實(shí)驗(yàn)不公平！

師：大家說得很對(duì)，要探究運(yùn)動(dòng)小車在不同的表面上運(yùn)動(dòng)，停下來的快慢這個(gè)問題，需要一個(gè)條件，就是小車開始運(yùn)動(dòng)的速度要相同.

請大家?guī)臀以O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，能保證每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，開始的速度相同！

先敞開讓學(xué)生隨意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，過3～4min后，再讓同學(xué)低頭，看看課桌上提供的器材，請同學(xué)利用桌上的器材，設(shè)計(jì)一個(gè)探究“運(yùn)動(dòng)小車在不同的表面上運(yùn)動(dòng)，停下來的快慢和阻力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)”，重點(diǎn)是如何保證每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，開始的速度相同！如果還有困難，可讓學(xué)生閱讀教材的相關(guān)部分.

讓學(xué)生介紹自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

圖3 學(xué)生自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置

重點(diǎn)在于如何保證每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，開始的速度相同！和如何做實(shí)驗(yàn)兩件事情上面.在學(xué)生介紹不完整的情況下，教師給于適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充.

2.3 實(shí)驗(yàn)情況與結(jié)果

學(xué)生實(shí)驗(yàn)與教師輔導(dǎo)情況（略），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 從有限次實(shí)驗(yàn)結(jié)果 過渡到理想實(shí)驗(yàn)規(guī)律

師：大家知道，要想得到正確的物理結(jié)論，實(shí)驗(yàn)的次數(shù)當(dāng)然是越多越好，但，不論做多少次實(shí)驗(yàn)，都要有理性的思維和科學(xué)的推理，才能得到科學(xué)的結(jié)論.雖然，我們只做了3次實(shí)驗(yàn)，只要我們通過理性的思維和科學(xué)的推理，同樣也能得到科學(xué)的結(jié)論.

師：請看表1，同學(xué)3次實(shí)驗(yàn)結(jié)論，假如讓你再做第4次實(shí)驗(yàn)，你一定選什么樣的材料？

生：選比第3次阻力更小的材料.

師：那么它運(yùn)動(dòng)的距離就會(huì)

生：比第3次更長.

師：速度的變化

生：就會(huì)比第3次更慢.

師：假如做第5次實(shí)驗(yàn)，你一定選什么樣的材料？

生：選比第4次阻力更小的材料.

師：那么它運(yùn)動(dòng)的距離就會(huì)

生：比第4次更長.

師：速度的變化

生：就會(huì)比第4次更慢.

師：假如做第10次實(shí)驗(yàn)，你一定選什么樣的材料？

生：選比第9次阻力更小的材料.

師：那么它運(yùn)動(dòng)的距離就會(huì)

生：比第9次更長.

師：速度的變化

生：就會(huì)比第9次更慢.

假如做第100次實(shí)驗(yàn)……（師生對(duì)話略）

假如做第1000次實(shí)驗(yàn)……（師生對(duì)話略）

假如做第10萬次實(shí)驗(yàn)……（師生對(duì)話略）

師：總之，如果每次的阻力比上次的更小，運(yùn)動(dòng)的距離就更長，速度的變化就更慢.

師：假如小車在完全光滑的水平面上運(yùn)動(dòng)，一點(diǎn)阻力都不受，它會(huì)做什么樣的運(yùn)動(dòng)？

生：勻速運(yùn)動(dòng).

師：速度會(huì)不會(huì)變化？

生：不會(huì).

師：方向會(huì)不會(huì)改變？

生：不會(huì).

師：它將會(huì)如何運(yùn)動(dòng)？

生：就以這樣的速度和方向一直運(yùn)動(dòng)下去，一直做勻速直線.

師：第一位研究運(yùn)動(dòng)和力關(guān)系的科學(xué)家是意大利的伽利略，他的結(jié)論：在理想情況下，如果表面絕對(duì)光滑，物體受到的阻力為零，它的速度將不會(huì)減慢，這時(shí)物體將以恒定不變的速度永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.

請注意，伽利略只提到速度大小不變永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，沒有提到速度的方向會(huì)怎樣？

這個(gè)問題是由法國的科學(xué)家笛卡兒給予補(bǔ)充的，指出如果運(yùn)動(dòng)物體不受任何力的作用，不僅速度大小不變，而且運(yùn)動(dòng)的方向也不變，將沿著原來的方向勻速運(yùn)動(dòng)下去.

英國的科學(xué)家牛頓，總結(jié)了伽利略、笛卡兒等人研究成果，從而概括出一條重要的物理定律——牛頓第一定律.

一切物體在沒有受到力的作用時(shí)，總保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

2.5 解讀牛頓第一定律

（1）對(duì)于牛頓第一定律，“研究對(duì)象”為一切物體，這個(gè)一切物體，包括一切固體、液體和氣體.

“前提”條件是不受力的作用.

“結(jié)論—規(guī)律”：總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài).

請注意這個(gè)“總”字，它包含“一定”、“必定”的意思.

（2）能不能用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證牛頓第一定律——不能，因?yàn)椤敖^對(duì)光滑，物體受到的阻力為零的條件”，在實(shí)際生活中并不存在！所以，不能用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這個(gè)定律.因此，牛頓第一定律屬于理想定律.

既然是理想定律，我們?nèi)绾纬姓J(rèn)它是否正確呢？

這是因?yàn)閺呐ｎD提出這個(gè)定律的300多年來，由它推出來的結(jié)論，都經(jīng)受住了實(shí)踐的檢驗(yàn)，所以，牛頓第一定律仍然是大家公認(rèn)的基本定律之一.

（3）不受力的情況不存在，但，我們知道有一種情況和不受力的情況等效.受平衡力和不受力的情況等效.所以，物體受平衡力作用時(shí)，也總是保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài).

（4）物體不受力作用時(shí)，總保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；要改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就必須有力的作用；有力的作用，物體改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

那么，力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系是怎樣？維持運(yùn)動(dòng)需不需要力？我們說，維持運(yùn)動(dòng)不需要力，改變運(yùn)動(dòng)才需要力的作用.

回放引出探究課題的實(shí)驗(yàn)錄像：手推小車一段距離，放手后小車運(yùn)動(dòng)一段距離停下來.現(xiàn)在就能回答剛才的問題，小車停下來，是由于手不再推小車呢，還是小車受到阻力呢？應(yīng)該是小車受到阻力的作用.

3 慣性

3.1 引出慣性概念

師：由“一切物體在沒有受到力的作用時(shí)，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).”我們能否體會(huì)出：自然界一切物體都有一種“天生的本性”，就是保持自己原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的本性，就是原來運(yùn)動(dòng)的就一直運(yùn)動(dòng)下去；原來靜止的就一直保持靜止?fàn)顟B(tài)，總之，不會(huì)改變自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

一切物體都有保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性，（板書：）我們把物體保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的特性叫做慣性.

3.2 解讀慣性

大家知道，物體不受力作用，保持原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有慣性；物體受力的作用，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，這時(shí)，物體還有慣性嗎？

答案是有慣性，在改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的情況下，慣性表現(xiàn)為力圖保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變.這種情況下，力要改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，慣性要保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，兩者是一對(duì)矛盾，正是這對(duì)矛盾相互斗爭與制約，演繹出千姿百態(tài)、五彩繽紛的力學(xué)現(xiàn)象.

有人說：正因?yàn)槲矬w具有慣性，才有牛頓第一定律；也有人說，牛頓第一定律揭示物體具有慣性的本質(zhì).總之，牛頓第一定律和物體的慣性是密不可分的，所以，牛頓第一定律也稱為慣性定律.

物體的慣性越大，改變原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越不容易；慣性小的物體，改變原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越容易.質(zhì)量越大的物體，改變原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越不容易，慣性越大；質(zhì)量越小的物體，改變原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越容易，慣性越小.

所以，我們說：質(zhì)量大，慣性大；質(zhì)量小，慣性小.

4 解釋慣性現(xiàn)象

師：我們學(xué)習(xí)了牛頓第一定律和物體的慣性概念之后，對(duì)上課之初所做的3個(gè)實(shí)驗(yàn)，就可以解釋得更加清楚、透徹了.

讓同學(xué)先解釋，教師在給于適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充，使之完整.

解釋這3個(gè)“分離式慣性現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)的要點(diǎn)如下.

（1）研究對(duì)象都是兩個(gè)物體，明確兩個(gè)研究對(duì)象原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

（2）這兩個(gè)物體，總是一個(gè)受力，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，另一個(gè)不受力，保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變.因此，發(fā)生分離現(xiàn)象.

3個(gè)實(shí)驗(yàn)的解釋（略）.

本堂課的總結(jié)和作業(yè)（略）

5 說明

（1）本課的內(nèi)容多，時(shí)間緊，所以，聯(lián)系生活實(shí)際的例子，僅限于引入新課的3個(gè)實(shí)驗(yàn)，不要再增加.如果教學(xué)不順利，最后可以只解釋圖1（b）的實(shí)驗(yàn)，而將另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，作為課后作業(yè)，讓學(xué)生完成；如果教學(xué)順利，最后解釋3個(gè)引入新課的實(shí)驗(yàn)之后，還有時(shí)間的話可以再做如圖4所示的“打紙條”的實(shí)驗(yàn)，并作為課后作業(yè)，讓學(xué)生完成.

圖4 “打紙條”實(shí)驗(yàn)

（2）初中物理教學(xué)，不論是學(xué)生實(shí)驗(yàn)，還是演示實(shí)驗(yàn)，每次應(yīng)該先讓學(xué)生猜想，做出預(yù)判；再做實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)自己的預(yù)判是否正確；最后，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.每次實(shí)驗(yàn)都堅(jiān)持這樣的程序，經(jīng)過多次的熏陶，讓學(xué)生養(yǎng)成這樣良好實(shí)驗(yàn)習(xí)慣.上述“打紙條”等的作業(yè)，也要求按上述要求完成.

（3）“從有限次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，過渡到理想實(shí)驗(yàn)規(guī)律”的教學(xué)中，師生共同演繹從假如做第4次實(shí)驗(yàn)，到假如做第10萬次實(shí)驗(yàn)，需用時(shí)3min左右.從啟發(fā)學(xué)生思維，讓學(xué)生順利從有限次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，過渡到理想實(shí)驗(yàn)規(guī)律，這3min是應(yīng)該花的，也是必須花的.

（4）在解讀牛頓第一定律與慣性時(shí)，對(duì)于“牛頓第一定律這個(gè)理想定律，不能用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，我們又如何承認(rèn)它是否正確呢？”“物體不受力，保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，表現(xiàn)出慣性，物體受力的作用，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，這時(shí)，物體還有慣性嗎？”

這兩件事，對(duì)于理解牛頓第一定律和慣性是非常重要的，可能學(xué)生一時(shí)理解不了，教師可以在章復(fù)習(xí)與期末復(fù)習(xí)時(shí)，適當(dāng)重復(fù)，引導(dǎo)學(xué)生逐步加深理解.

上述方案，也僅為一家之言，不妥之處請同行斧正.