基于物理學(xué)史的一堂探究課

王建輝

1 教學(xué)設(shè)計思路的建立

1.1指導(dǎo)思想與理論依據(jù)

新的課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法，發(fā)展自主學(xué)習(xí)能力，通過自主的探索行為，能運(yùn)用物理知識和科學(xué)探究方法解決一些問題。物理概念的形成過程，結(jié)論的推導(dǎo)過程，方法的思考過程，問題的發(fā)展過程，規(guī)律的被揭示的過程等，都是向?qū)W生滲透物理思想方法、訓(xùn)練思維的好機(jī)會。本節(jié)課以自主學(xué)習(xí)理論、探究教學(xué)理論為基本依據(jù)，將科學(xué)探究與物理知識有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)問題情境，讓學(xué)生經(jīng)歷探究的過程，在體驗(yàn)中獲得物理規(guī)律，在探究中領(lǐng)略思維的邏輯。

1.2教學(xué)背景分析

《牛頓第一定律》是人民教育出版社《高中物理》必修一第四章第一節(jié)的內(nèi)容，是將力與運(yùn)動聯(lián)系起來的紐帶，是物理學(xué)中的一個重要內(nèi)容，也是本章本節(jié)的重點(diǎn)。牛頓第一定律破除了長達(dá)近兩千年的亞里士多德的錯誤觀點(diǎn)，改變了人類的自然觀和世界觀，成為物理學(xué)理論的支柱和基石。另外，伽利略的理想實(shí)驗(yàn)為牛頓第一定律的提出發(fā)揮重要作用。教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會牛頓第一定律的含義，充分說明伽利略理想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)和推理過程，讓學(xué)生明確力和運(yùn)動的關(guān)系，以及學(xué)會運(yùn)用慣性知識解決分析實(shí)際問題。

學(xué)生們經(jīng)過初中的學(xué)習(xí)，已初步知道牛頓第一定律的內(nèi)容和慣性的概念，但是對牛頓第一定律的內(nèi)容一知半解，對其歷史也不太了解；此外，他們具備一定分析推理的思維能力，但探究學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)主動性不強(qiáng)，以被動接受為主，所以本節(jié)課由教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)前人的研究過程，讓他們逐步掌握一定的探究方法，正確認(rèn)識力與運(yùn)動的關(guān)系。

2 教學(xué)目標(biāo)的確立

2.1知識與技能

體會伽利略的理想實(shí)驗(yàn)思想；理解牛頓第一定律的內(nèi)容及意義；理解慣性的概念，知道質(zhì)量是慣性大小的量度。

過程與方法：通過回顧歷史及探究過程，理解牛頓第一定律的形成過程，理解理想實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的重要方法；通過對慣性現(xiàn)象的解釋，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識的能力。

情感態(tài)度與價值觀：通過運(yùn)動和力的關(guān)系的歷史過程探究，了解人類認(rèn)識事物本質(zhì)的曲折，使學(xué)生體會規(guī)律的形成都有一個從感性到理性嚴(yán)密的科學(xué)態(tài)度教育，培養(yǎng)學(xué)生敢于堅持真理，不迷信權(quán)威的科學(xué)探究精神。

2.2教學(xué)重點(diǎn)

加深對牛頓第一定律形成的理解。重中之重是伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)。

教學(xué)難點(diǎn)：慣性的概念建立及其在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。

3 教學(xué)過程

3.1引入課題

活動1創(chuàng)設(shè)剎車互動游戲、觀看神州飛船發(fā)射升空的視頻。

學(xué)生：思考為什么剎車時人體會向前傾斜？你再想想為什么汽車能夠做加速運(yùn)動，為什么可以做減速運(yùn)動？為什么有的物體作直線運(yùn)動，有的物體可以轉(zhuǎn)彎？神舟六號發(fā)射后，媒體稱中國已經(jīng)掌握微小衛(wèi)星進(jìn)動控制的方法，這具體是指什么？

教師：所有這些為什么其實(shí)質(zhì)都是同一個問題：運(yùn)動背后的原因是什么？這是個古老的話題，最早可以追溯到公元前四世紀(jì)。

3.2歷史回眸

（1）亞里士多德（前384-前322年，古希臘哲學(xué)家、自然科學(xué)家）

活動2觀看視頻馬拉車、拉弓射箭、賽場上滾動的足球。

教師：亞里士多德通過諸如馬拉車行駛，奴隸曳船行駛等生產(chǎn)、生活中物體推拉的運(yùn)動進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，這些運(yùn)動必須有推動者，即運(yùn)動必須有外力維持，否則就歸于靜止。他認(rèn)為“一切運(yùn)動的物體必定受某物的驅(qū)動”，外力是物體維持運(yùn)動的原因。有力作用物體動，力停止作用物體停止運(yùn)動。同學(xué)們同意這個觀點(diǎn)嗎？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，沒考慮阻力。

教師：那若沒有空氣阻力、地面摩擦阻力的存在水平運(yùn)動的物體會怎樣呢？

學(xué)生：會一直運(yùn)動下去。

教師：亞里士多德的觀點(diǎn)2000多年無人質(zhì)疑，直到十六世紀(jì)物理學(xué)家伽利略才發(fā)出質(zhì)疑。他第一個意識到摩擦力存在的問題，沒有阻力存在，水平運(yùn)動的物體將會永遠(yuǎn)運(yùn)動下去！你們與他的設(shè)想是一樣的。如何驗(yàn)證正確與否？

學(xué)生：通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）伽俐略（1564-1642意大利物理學(xué)家、天文學(xué)家）

活動3分組操作彎曲斜面的實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生：在鋁合金軌道上墊上毛巾，小球從固定釋放點(diǎn)釋放，有摩擦，低于釋放點(diǎn)的高度；撤去毛巾，更換棉布，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，小球基本接近等高。結(jié)論：若軌道無摩擦小球會回到等高處。

點(diǎn)評：無摩擦?xí)r小球會滑到等高處是在實(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4分組實(shí)驗(yàn)：不斷減小光滑軌道右側(cè)斜面的傾角。

教師：減小一個斜面的傾角——同一高度上釋放小球，運(yùn)動的水平距離更遠(yuǎn)了，為什么？

學(xué)生：運(yùn)用剛才的結(jié)論回答小球仍將要運(yùn)動等高。

教師：肯定學(xué)生的回答。繼續(xù)減小斜面傾角同一高度釋放，水平距離越來越遠(yuǎn)，假如無摩擦，假如軌道足夠長小球會怎樣？

學(xué)生：會一直運(yùn)動下去。

點(diǎn)評：這進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)推理。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索，既然選擇了高度，留給世界的便只能是背影。

教師：活動總結(jié)。小球在光滑水平軌道運(yùn)動，水平方向不受外力，卻可以一直運(yùn)動下去，這個實(shí)驗(yàn)證實(shí)了剛才的猜想，也說明亞里土多德的論點(diǎn)的錯誤，力不是維持物體運(yùn)動的原因。

如果沒有摩擦阻力流體阻力的影響，在水平面上運(yùn)動的物體會一直運(yùn)動下去。（板書）

教師：回顧伽利略研究力與運(yùn)動的問題的研究思路，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)律的理論思維模式叫理想實(shí)驗(yàn)方法。亞里士多德采用的觀察法也是一種研究方法，但直覺有時不一定很準(zhǔn)確，更不能迷信權(quán)威。

學(xué)生：視頻觀看一項(xiàng)體育項(xiàng)目——冰壺球運(yùn)動，由于球運(yùn)動過程阻力很小，能以幾乎不變的速度前進(jìn)。

學(xué)生：觀察氣墊導(dǎo)軌上物體近勻速的運(yùn)動實(shí)驗(yàn)演示，并交流實(shí)驗(yàn)體會

點(diǎn)評；愛因斯坦評價伽利略的發(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)的真正開端。

那為什么我們今天不是學(xué)習(xí)伽利略定律呢？

（3）法國科學(xué)家笛卡爾（1596——1650）

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

活動5對比同時代兩位科學(xué)家的表述。

教師：有什么區(qū)別？

學(xué)生：對比笛卡爾的觀點(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。

（4）1643年出生的牛頓系統(tǒng)總結(jié)了前人的研究并賦予更新的內(nèi)涵。

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

活動6理解牛頓第一定律。

學(xué)生：大聲朗讀第69頁。

教師：牛頓全面總結(jié)了力與運(yùn)動的關(guān)系。他的理論體系收錄在1687年發(fā)表的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。牛頓的三個定律成為動力學(xué)核心。亞里士多德提出問題，引起爭議，伽利略創(chuàng)立方法，引導(dǎo)方向；笛卡爾補(bǔ)充完善，深化認(rèn)識，牛頓系統(tǒng)總結(jié)，明確內(nèi)涵。在牛頓第一定律的形成過程中，眾多科學(xué)家的敢于大膽猜想、假設(shè)，對前人結(jié)論提出質(zhì)疑并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。牛頓曾謙虛地說，如果說我看的更遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诹司奕说募绨蛏稀ＥｎD第一定律的形成過程貫穿了物理學(xué)史的全過程。

我國春秋戰(zhàn)國末期的《考工論輈人篇》中更有明確的記載：“勸登馬力，馬力既竭，猶能一取也?！币馑际钦f：馬拉車的時候，馬雖然對車不再施力了，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。

（5）慣性定律

活動7觀看視頻，放慢400倍的鏡頭觀看扎破裝水氣球的視頻。

教師：為什么球破時水仍然保持原狀？

學(xué)生：水具有保持原有的運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)。

設(shè)計小實(shí)驗(yàn)：用棒敲打疊放的象棋子，請學(xué)生繼續(xù)分析。

點(diǎn)評：慣性；物體保持原來勻速直線運(yùn)動或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)叫做慣性。一切物體都具有與生俱來得慣性。

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

學(xué)生：觀看高速公路超載的車禍視頻。討論分析出慣性是物體的固有性質(zhì)，抵抗運(yùn)動狀態(tài)的變化的本領(lǐng)，質(zhì)量大，慣性大，運(yùn)動狀態(tài)難改變；質(zhì)量小，慣性小，運(yùn)動狀態(tài)易于改變。

點(diǎn)評：質(zhì)量是物體慣性大小的量度。

活動8請學(xué)生列舉生活中利用慣性的例子。

活動9教師設(shè)計小車實(shí)驗(yàn)，請學(xué)生猜想，若小車勻速動，銜住小球的電磁鐵突然斷開電源，小球掉哪里？小車加速運(yùn)動呢？

學(xué)生：分析小球具有慣性的原因，掉入小車內(nèi)。

教師：司機(jī)為什么要系安全帶，呼應(yīng)課題引入時剎車游戲。

點(diǎn)評：牛頓第一定律揭示了一切物體都具有一種保持其原來運(yùn)動狀態(tài)的特性即慣性，當(dāng)物體不受力時，它處于靜止勻速直線運(yùn)動狀態(tài)，體現(xiàn)了它保持原來運(yùn)動狀態(tài)的特性，當(dāng)物體受到外力作用時，慣性會對運(yùn)動狀態(tài)的改變進(jìn)行反抗，這時這種特性就明顯表示出來，因此牛頓第一定律又被稱為慣性定律。

3.3課堂小結(jié)

教師：今天這堂課有何收獲呢？

學(xué)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)疑等。

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

4 板書設(shè)計：（如圖1）

5 教學(xué)后記

本節(jié)課從人類對力和運(yùn)動關(guān)系的認(rèn)識歷史入手。讓學(xué)生對牛頓第一定律本身的建立有全面、清楚的認(rèn)識。在物理教學(xué)中，恰當(dāng)運(yùn)用物理學(xué)史，加強(qiáng)物理史學(xué)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，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。