挖掘物理学史 展示对话魅力——高中《牛顿第一定律》教学案例

(南京师范大学附属中学江宁分校，江苏 南京 211102)

1 教学设计思路

本节课的设计紧紧围绕牛顿第一定律的发现过程，深入挖掘物理学史中的相关素材，将牛顿第一定律发现过程的几个关键问题以历史原貌的形式展示给学生，让他们作为各个历史时期的研究者参与相关问题的讨论.在对话的过程中学生会发现：这些看似简单的问题不仅很难回答，而且蕴藏着深刻的思想方法，所以人类用了几千年的时间才弄清楚.通过这样的教学，让学生“重走”物理学家的发现之路，不仅让他们自主建构了物理知识的意义，更让他们感受到科学结论得出的艰难，领略科学思维的力量和美，从而取得了较好的教学效果.

2 教材分析

在高中物理教材中，牛顿第一定律被设为单独的一节内容.但是在实际教学过程中，很多教师并未把该节内容讲透，不是隔靴搔痒，就是囫囵吞枣.究其原因，是他们认为学生在初中已学过了这个知识，知道伽利略通过斜面实验等推翻了亚里斯多德的观点：物体的运动需要力去维持.其实，牛顿第一定律是经典力学的基石，正是因为它破除了长达近两千年的亚里士多德的错误，改变了人类的自然观和世界观.同时，它本身还包含着力、惯性和参考系等科学概念，成为物理学理论的基础.牛顿第一定律的内容，看似简单，实则非常深刻，学生要达到真正理解并不容易.所以，教学中应在知识的来龙去脉上进行突破，并透过现象、真正深刻地触及到牛顿第一定律的本质，否则学生对力和运动的认识就会含混不清.

3 学情分析

学生在初中已学过牛顿第一定律,那为什么在高中阶段仍然要继续学习？学习牛顿第一定律的意义就在于纠正我们通过经验得出的错误结论吗？

初中物理对牛顿第一定律或惯性定律的表述为：“一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持匀速直线运动状态或静止状态.”而在高中教科书中这样表述：“一切物体总保持静止状态或匀速运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止”.对比后发现，初中物理的强调物体保持匀速运动状态的条件是“物体在没有受到外力作用”，而高中阶段的表述则强调了“力对物体运动状态的改变”,为牛顿第二定律的学习做铺垫.可见,高中对牛顿第一定律的学习并不是对初中所学内容的简单重复,高中阶段的学习更加深刻.

4 教学目标

(1)知识与技能

①能叙述牛顿第一定律建立的过程.

②能够陈述牛顿第一定律的内容及意义.

③能够从生活的经验中体会惯性，会正确解释日常生活中的惯性现象.

④使学生领会伽利略“理想实验”的思想.

(2)过程与方法

①培养学生严谨的逻辑推理能力.

②通过学生对历史演变过程的“亲身”参与，培养他们深度分析和思考的能力.

③通过对生活实例的分析，培养学生理论联系实际的能力.

(3)情感态度与价值观

让学生知道科学研究过程的艰难，领悟实验加推理的科学研究方法.

5 教学重难点、教学策略

(1)教学重点：正确认识物体运动与力的关系.

(2)教学难点：生活常识使人们对力和运动的关系形成了模糊的认识，要通过教学使学生克服传统观念，形成正确的认识.

(3)教学策略：运用对话式教学，按物理史实为线索展示物理规律的形成过程.

6 教学过程

(1)引入新课

师：请同学们观看天宫一号视频.天宫一号的发射及其与神舟八号的空间交会是一个复杂的系统工程，但它应用的仍然是最基本的物理原理，比如为了保证飞船的平稳飞行，就要用第三章静力学的知识分析它的受力情况；为确定飞船的位置，就要运用第二章所学的运动学知识；而需要确定多大的推力才能将飞船送入预定轨道，从而控制运动，预测运动就得研究运动和力的关系，这就是第四章的知识——动力学.力学的奠基人牛顿于1687年出版了他的划时代著作《自然哲学的数学原理》，他在书中提出的三条运动定律成为整个力学的基础，今天我们就来学习牛顿第一定律.

(2)新课教学

师：下面介绍与牛顿第一定律有关的物理学家.

亚里士多德：世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家.

伽利略：意大利物理学家和天文学家.

笛卡尔：法国哲学家、数学家和物理学家.

牛顿：英国数学家、物理学家和天文学家..

爱因斯坦：德国物理学家，现代物理学的开创者和奠基人.

老师扮演各个时期的科学家，学生对他们的观点提出质疑，对话开始.

“亚里士多德”：我经过观察发现，凡运动着的事物必然都有推动者在推着它运动.比如，我们推桌上的物体，如果不推了物体就会停止.

生：如果物体一个推一个，那么推的物体又需要别的物体推它，追溯上去，岂不是有无限个物体了.

“亚里士多德”：不应该有无限个物体，肯定存在着第一推动者.

生：那么这个第一推动者在哪？

“亚里士多德”：我认为这是一种超自然的神力.

生：就算存在这个神力，可是我还发现许多物体不需要推动就在运动.如天体就在不停地运动，那又是谁在推动它们呢？

“亚里士多德”：运动的天体是不需要外力去推动的，因为它们的“自然本性”是运动的，而地球上的物体和地球一样它们的“自然本性”是静止.

生：可是，应该是地球绕太阳运转吧！

“亚里士多德”：应该是太阳在绕地球运转，地球是静止的.

“伽利略”：桌面上的物体会停下来并不是物体的“自然本性”在起作用，而是因为接触面不光滑.

生：那你这个观点的依据何在？

“伽利略”：我们来看这样一个“对接斜面”的实验，在斜面完全光滑时，物体沿斜面下滑会越来越快，沿斜面上滑会越来越慢，物体停在第二个斜面上的时候刚好会达到原来的高度(如图1).

图1

“伽利略”：如果第二个斜面水平，那物体将永远不会达到这个高度，也就永远运动下去了.所以，物体的运动不需要力来维持.如果接触面光滑，物体将永远运动下去，补充一点：在这个实验中，斜面要光滑如镜，用坚硬材料制成，小球是极圆的球，用又硬又重的材料制成，并且没有空气阻力.

生：可是，伽利略先生，实验中的条件在现实中好像无法满足，那您的实验是在哪做的？

“伽利略”：在我脑袋里做的.

生：有些不太明白.

“伽利略”：其实我这个实验不是真实的实验，而是理论思维的一种方式，是一种在真实实验的基础之上，结合合理的想象与科学推理而进行的实验，叫理想实验.

“笛卡尔”：听听我的看法吧！如果物体处在运动之中，那么，如果没有其他原因作用的话，它将继续以同一速度在同一直线方向上运动，既不停止也不偏离原来的方向.

生：通过您刚才的话我知道了运动的物体是有一种保持其运动状态的特性.那么静止的物体呢？

“笛卡尔”：其实静止也是一种特殊的运动方式，也就是速度为零的运动.当然物体也会具有保持静止状态的特性了.

生：也就是说，如果没有其他原因作用的话，它将继续以同一速度在同一直线方向上运动，或者是继续静止.那么您所说的这个“其它原因”是指什么呢？

“牛顿”：还是我来回答这个问题吧！这个“其它原因”就是外力.我的观点是：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非有外力迫使它改变这种状态.

生：可是我还有点疑问.请看图2，球和车之间是光滑的，人和车是固定的.车从静止向右开，人就会观察到球在向自己运动，那么是什么力使它改变静止状态的？

图2

“牛顿”：小球的运动状态改变并不是因为受力了.是选取的参考系有问题.

生：难道不能以车为参考系研究小球的运动吗？

“牛顿”：不能，因为车是有加速度的，有加速度的参考系我们叫做非惯性参考系，我的理论是不适用于非惯性参考系的.没有加速度的参考系叫做惯性参考系，我的理论在惯性参考系里是成立的.比如地面就是惯性参考系.

生：可是地球和太阳也在绕银河系的中心运转.

“牛顿”：那就以银河系的中心为参考系.

学生：可是我们也不能确保银河系的中心就一定没加速度，那么这个惯性参考系在哪找到呢？

“牛顿”：肯定可以找到这样一个参考系的，它永远是不动的，是绝对的惯性参考系.

“爱因斯坦”：没有绝对的惯性参考系，但存在近似的惯性参考系.在研究地面上物体的运动时，可以把地球看成是惯性参考系.

师：我们基本上有一个满意的结论了，那谈话就到这里吧！

“爱因斯坦”：我再补充一点：伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端.

(3)总结、梳理不同时期科学家的观点

亚里士多德：凡运动着的事物必然都有推动者在推着它运动．力是维持物体的运动原因.

伽利略：物体的运动不需要力维持.如果接触面光滑，物体将永远运动下去.

笛卡尔：如果物体处在运动之中，那么如果没有其他原因作用的话，它将继续以同一速度在同一直线方向上运动，既不停止也不偏离原来的方向.

牛顿：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非有力迫使它改变这种状态.

(4)师生共同分析、思考，进一步理解牛顿第一定律

力是改变物体运动状态的原因,可用速度描述物体的运动状态；力是改变物体速度的原因；力是产生加速度的原因.

物体具有保持原来匀速直线运动或静止状态的性质叫做惯性.

思考一：惯性的大小与什么因素有关？

思考二：牛顿第一定律能用实验验证吗？

思考三：理想实验得出的结论一定是可靠的吗？

7 结语

本节课以物理学史作为教学主线，抓住了学生的兴趣点，在课堂中进行师生间多层次的对话.生态的课堂需要建立一种“对话场”，对话场的“能量”反映了学生参与对话的热情,对话场的“叠加”表征了师生间互动的程度与维度，对话场的“辐射”则体现在参与对话的广度.但在具体教学中，教师基于自己的理解设计了所有问题，未必与学生的兴趣点契合.所有的学生都回答正确是不可能的,然而出现错误的回答又会打乱教学节奏.只有在教学过程中，教师适当引导，抓住主要线索，忽略次要环节，教学目标才能顺利实现,使课堂不再成于为机械的预设生成的地方，而成为精彩的动态生成的场所.

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心．普通高中课程标准实验教科书 物理必修1[M]．北京：人民教育出版社，2007．

[2][德]艾·爱因斯坦，[波]科·英费尔德著，周肇威译．物理学的进化[M]．长沙：湖南教育出版社，1999．