渗透探究思想的教学 重在引导学生思维——谈谈初中牛顿第一定律的教学

杨雄生

（北京市教育学院朝阳分院 北京 100026）

汪 瀛

（北京市赵登禹中学校 北京 100067）

牛顿第一定律是力学的基础和出发点，在力学中居于举足轻重的地位.初中物理中牛顿第一定律是惯性概念与平衡力的理论基础.

初中牛顿第一定律和惯性以及惯性现象，组成一个单元，也是初中物理的重点知识，历来为各地教研员所重视.

初中牛顿第一定律和惯性现象的教学难点在于：如何从有限次的实验结论，过渡到理想状态的物理定律；如何解读牛顿第一定律的内容，尽量吸取其中的“物理营养”；如何引导学生学会分析和解释初中涉及的“分离式”的惯性现象.

经过多年的研究和实践，笔者终于找到突破这些难点的方法.现将我们进行的一堂研究课，介绍如下，与同行交流.

1 引入新课

用如图1所示的3个实验引入新课，图1（a）是由教师演示的常见的惯性实验，用简易的器材转化为学生实验；图1（b）是将长方形的橡皮擦，立在课本上，突然推动课本，橡皮后倒，模拟车辆启动乘客后倾的现象；图1（c）是将长方形的橡皮擦，立在课本上，先慢慢推动课本，让橡皮随课本一起运动，然后利用实验桌上的木块作障碍物使课本停下了来，橡皮前倒，模拟刹车时乘客前冲的现象.

每个实验进行前都应该先让学生猜想可能出现什么现象——预判；而后再动手实验，验证猜想是否正确；最后，叙述出现的现象，想办法给现象一定的解释.

图1 学生实验

对于图1（b）、（c）两个实验，在学生叙述现象且尚未对现象解释之前，教师应及时增加一个问题：生活中，我们遇到过这种现象吗？学生提出汽车启动时，乘客后仰；汽车刹车，乘客前倾的现象.结合学生的叙述，教师及时展示汽车启动与刹车时，乘客出现现象的图片，再让学生解释.

由于尚未学习牛顿第一定律，也没有训练过如何解释此类显示分离式的惯性现象，学生的解释往往回答不到点子上.

教师：要仔细、透彻回答这些问题，我们知识不够，还需要学习新的物理知识！

2 探究教学——探究运动和力的关系

2.1 引出探究课题

先演示如下实验；在水平面上，教师用手推小车一小段路程，松手后，小车运动一段路程停下来.

设问：看到什么现象？想到什么问题？归纳出问题：为什么小车会停下来？

学生A：因为手不推小车了，所以，它才下来.

学生B：因为小车受到桌面的摩擦力，它才会停下来.

师：是因为手不推它了，小车才停下来；还是小车受到桌面的摩擦力，它才停下来？我们通过实验探究来解决这个问题！

引出课题.探究：运动和力的关系.

2.2 引出探究实验

展示图2所示的实验装置，问：运动小车在木板面停下来快些，还是在毛巾面上停下来快些？

图2 运动小车实验装置

学生一致回答：在毛巾面上停下来快些！

教师演示，故意在挡板后面，对小车的推力不同，使的小车在木板面的初速度小，在毛巾面的速度大，让小车在木板面上停的快，毛巾面上停的慢！

问：看到什么现象，想到什么问题？

学生一致反对：两次实验速度不同，实验不公平！

师：大家说得很对，要探究运动小车在不同的表面上运动，停下来的快慢这个问题，需要一个条件，就是小车开始运动的速度要相同.

请大家帮我设计一个实验，能保证每次实验时，开始的速度相同！

先敞开让学生随意设计实验，过3～4min后，再让同学低头，看看课桌上提供的器材，请同学利用桌上的器材，设计一个探究“运动小车在不同的表面上运动，停下来的快慢和阻力关系的实验”，重点是如何保证每次实验时，开始的速度相同！如果还有困难，可让学生阅读教材的相关部分.

让学生介绍自己设计的实验，实验装置如图3所示.

图3 学生自己设计的实验装置

重点在于如何保证每次实验时，开始的速度相同！和如何做实验两件事情上面.在学生介绍不完整的情况下，教师给于适当的补充.

2.3 实验情况与结果

学生实验与教师辅导情况（略），实验结果如表1所示.

表1 实验结果

2.4 从有限次实验结果 过渡到理想实验规律

师：大家知道，要想得到正确的物理结论，实验的次数当然是越多越好，但，不论做多少次实验，都要有理性的思维和科学的推理，才能得到科学的结论.虽然，我们只做了3次实验，只要我们通过理性的思维和科学的推理，同样也能得到科学的结论.

师：请看表1，同学3次实验结论，假如让你再做第4次实验，你一定选什么样的材料？

生：选比第3次阻力更小的材料.

师：那么它运动的距离就会

生：比第3次更长.

师：速度的变化

生：就会比第3次更慢.

师：假如做第5次实验，你一定选什么样的材料？

生：选比第4次阻力更小的材料.

师：那么它运动的距离就会

生：比第4次更长.

师：速度的变化

生：就会比第4次更慢.

师：假如做第10次实验，你一定选什么样的材料？

生：选比第9次阻力更小的材料.

师：那么它运动的距离就会

生：比第9次更长.

师：速度的变化

生：就会比第9次更慢.

假如做第100次实验……（师生对话略）

假如做第1000次实验……（师生对话略）

假如做第10万次实验……（师生对话略）

师：总之，如果每次的阻力比上次的更小，运动的距离就更长，速度的变化就更慢.

师：假如小车在完全光滑的水平面上运动，一点阻力都不受，它会做什么样的运动？

生：匀速运动.

师：速度会不会变化？

生：不会.

师：方向会不会改变？

生：不会.

师：它将会如何运动？

生：就以这样的速度和方向一直运动下去，一直做匀速直线.

师：第一位研究运动和力关系的科学家是意大利的伽利略，他的结论：在理想情况下，如果表面绝对光滑，物体受到的阻力为零，它的速度将不会减慢，这时物体将以恒定不变的速度永远运动下去.

请注意，伽利略只提到速度大小不变永远运动下去，没有提到速度的方向会怎样？

这个问题是由法国的科学家笛卡儿给予补充的，指出如果运动物体不受任何力的作用，不仅速度大小不变，而且运动的方向也不变，将沿着原来的方向匀速运动下去.

英国的科学家牛顿，总结了伽利略、笛卡儿等人研究成果，从而概括出一条重要的物理定律——牛顿第一定律.

一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止或匀速直线运动状态.

2.5 解读牛顿第一定律

（1）对于牛顿第一定律，“研究对象”为一切物体，这个一切物体，包括一切固体、液体和气体.

“前提”条件是不受力的作用.

“结论—规律”：总保持静止状态或匀速直线运动的状态.

请注意这个“总”字，它包含“一定”、“必定”的意思.

（2）能不能用实验来验证牛顿第一定律——不能，因为“绝对光滑，物体受到的阻力为零的条件”，在实际生活中并不存在！所以，不能用实验验证这个定律.因此，牛顿第一定律属于理想定律.

既然是理想定律，我们如何承认它是否正确呢？

这是因为从牛顿提出这个定律的300多年来，由它推出来的结论，都经受住了实践的检验，所以，牛顿第一定律仍然是大家公认的基本定律之一.

（3）不受力的情况不存在，但，我们知道有一种情况和不受力的情况等效.受平衡力和不受力的情况等效.所以，物体受平衡力作用时，也总是保持静止状态或匀速直线运动的状态.

（4）物体不受力作用时，总保持原来的运动状态；要改变物体的运动状态，就必须有力的作用；有力的作用，物体改变运动状态.

那么，力和运动的关系是怎样？维持运动需不需要力？我们说，维持运动不需要力，改变运动才需要力的作用.

回放引出探究课题的实验录像：手推小车一段距离，放手后小车运动一段距离停下来.现在就能回答刚才的问题，小车停下来，是由于手不再推小车呢，还是小车受到阻力呢？应该是小车受到阻力的作用.

3 惯性

3.1 引出惯性概念

师：由“一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态.”我们能否体会出：自然界一切物体都有一种“天生的本性”，就是保持自己原来的运动状态不变的本性，就是原来运动的就一直运动下去；原来静止的就一直保持静止状态，总之，不会改变自己的运动状态.

一切物体都有保持原有运动状态的特性，（板书：）我们把物体保持运动状态不变的特性叫做惯性.

3.2 解读惯性

大家知道，物体不受力作用，保持原有的运动状态，有惯性；物体受力的作用，运动状态改变，这时，物体还有惯性吗？

答案是有惯性，在改变运动状态的情况下，惯性表现为力图保持原来的运动状态不变.这种情况下，力要改变运动状态，惯性要保持原来的运动状态，两者是一对矛盾，正是这对矛盾相互斗争与制约，演绎出千姿百态、五彩缤纷的力学现象.

有人说：正因为物体具有惯性，才有牛顿第一定律；也有人说，牛顿第一定律揭示物体具有惯性的本质.总之，牛顿第一定律和物体的惯性是密不可分的，所以，牛顿第一定律也称为惯性定律.

物体的惯性越大，改变原来运动状态越不容易；惯性小的物体，改变原来的运动状态越容易.质量越大的物体，改变原来运动状态越不容易，惯性越大；质量越小的物体，改变原来运动状态越容易，惯性越小.

所以，我们说：质量大，惯性大；质量小，惯性小.

4 解释惯性现象

师：我们学习了牛顿第一定律和物体的惯性概念之后，对上课之初所做的3个实验，就可以解释得更加清楚、透彻了.

让同学先解释，教师在给于适当地补充，使之完整.

解释这3个“分离式惯性现象”实验的要点如下.

（1）研究对象都是两个物体，明确两个研究对象原来的运动状态.

（2）这两个物体，总是一个受力，运动状态改变，另一个不受力，保持原来的运动状态不变.因此，发生分离现象.

3个实验的解释（略）.

本堂课的总结和作业（略）

5 说明

（1）本课的内容多，时间紧，所以，联系生活实际的例子，仅限于引入新课的3个实验，不要再增加.如果教学不顺利，最后可以只解释图1（b）的实验，而将另外两个实验，作为课后作业，让学生完成；如果教学顺利，最后解释3个引入新课的实验之后，还有时间的话可以再做如图4所示的“打纸条”的实验，并作为课后作业，让学生完成.

图4 “打纸条”实验

（2）初中物理教学，不论是学生实验，还是演示实验，每次应该先让学生猜想，做出预判；再做实验，检验自己的预判是否正确；最后，解释实验现象.每次实验都坚持这样的程序，经过多次的熏陶，让学生养成这样良好实验习惯.上述“打纸条”等的作业，也要求按上述要求完成.

（3）“从有限次实验结果，过渡到理想实验规律”的教学中，师生共同演绎从假如做第4次实验，到假如做第10万次实验，需用时3min左右.从启发学生思维，让学生顺利从有限次实验结果，过渡到理想实验规律，这3min是应该花的，也是必须花的.

（4）在解读牛顿第一定律与惯性时，对于“牛顿第一定律这个理想定律，不能用实验来验证，我们又如何承认它是否正确呢？”“物体不受力，保持原来的运动状态，表现出惯性，物体受力的作用，运动状态改变，这时，物体还有惯性吗？”

这两件事，对于理解牛顿第一定律和惯性是非常重要的，可能学生一时理解不了，教师可以在章复习与期末复习时，适当重复，引导学生逐步加深理解.

上述方案，也仅为一家之言，不妥之处请同行斧正.