牛頓第一定律改寫給學(xué)生帶來的理解方便

冉賢智

高中物理的很多概念較抽象，給學(xué)生的學(xué)習(xí)造成困難.如何用通俗易懂的語言描述抽象的概念是高中物理教師在課堂教學(xué)過程中的一大難題.牛頓第一定律是牛頓定律的基礎(chǔ)，高中學(xué)生首次接觸牛頓定律，對于牛頓第一定律的本質(zhì)和意義理解不夠深入，無法在做題過程中熟練運(yùn)用.對此，對牛頓第一定律進(jìn)行簡化和改寫，方便學(xué)生的理解和掌握，對學(xué)生高效率地學(xué)習(xí)具有重要幫助.

1 牛頓第一定律的改寫

牛頓第一定律是由英國科學(xué)家牛頓總結(jié)概括出來的，又稱為慣性定律.該定律對力和運(yùn)動狀態(tài)這兩者之間的關(guān)系進(jìn)行了闡述，并提出慣性的概念，是物理學(xué)中的一條基本定律.其內(nèi)容為：任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動狀態(tài)為止.高中生初次接觸牛頓定律，對于定律中涉及到的“勻速直線運(yùn)動或靜止?fàn)顟B(tài)”和所反映的“慣性”概念的理解較為模糊.為了使得定律更容易理解，我們在保持定律原意的基礎(chǔ)上，將定律改寫.

改寫牛頓第一定律，實際上是為了加強(qiáng)學(xué)生的理解，使用通俗易懂的語言描述該定律，根據(jù)牛頓第一定律的實質(zhì)，我們可以將其改寫為： 一切物體總有保持當(dāng)下時刻運(yùn)動速度的特性，直到有外力迫使它改變該速度為止.其中“運(yùn)動速度”是學(xué)生在小學(xué)就有所了解的名詞，在初中又進(jìn)一步學(xué)習(xí)與速度有關(guān)的知識，因此，學(xué)生對改寫后的牛頓第一定律抵觸性較低，積極性較高.

2 改寫牛頓第一定律的實際意義

改寫后的牛頓第一定律詞義表達(dá)比較淺顯，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生從發(fā)現(xiàn)過程、定律的內(nèi)容、定律的實質(zhì)、定律和慣性的關(guān)系以及定律的應(yīng)用這五個方面理解改寫后的牛頓第一定律.

2.1 了解定律的發(fā)現(xiàn)過程

亞里士多德提出“力是維持物體運(yùn)動的原因”，而伽利略在17世紀(jì)推翻了這一理論，提出“物體在運(yùn)動中不受外力作用，它的速度將保持大小不變.”這一理論是牛頓第一定律的前身，它正確地闡述了牛頓第一定律的內(nèi)容，改寫后的定律與伽利略提出的正確理論中都涉及到“速度”一詞，兩個理論意思相近，都通俗易懂，能夠為學(xué)生深入理解牛頓第一定律提供幫助.

2.2 加深對定律內(nèi)容的理解

要想深入了解牛頓第一定律的內(nèi)容，要從以下三方面入手：

（1）牛頓第一定律中的“任何物體”說明牛頓第一定律的適用范圍是所有物體.

（2）“直到外力迫使它改變……”說明了“力”是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的條件.

（3）“保持勻速直線運(yùn)動或靜止?fàn)顟B(tài)”是此內(nèi)容的結(jié)論.

以上是對牛頓第一定律內(nèi)容的分析，將定律改寫之后，原定律中的“保持勻速直線運(yùn)動或靜止?fàn)顟B(tài)”被轉(zhuǎn)換成了“保持當(dāng)下時刻運(yùn)動速度”；“改變運(yùn)動狀態(tài)”變成了“改變運(yùn)動速度”，清晰地說明了該定律的條件、范圍和結(jié)論，且強(qiáng)調(diào)了“當(dāng)下時刻”的重要性，幫助學(xué)生輕松掌握定律內(nèi)容.

2.3 加深對定律實質(zhì)的理解

牛頓第一定律的實質(zhì)也有三個方面：

（1）一切物體都有慣性.利用改寫之后的定律解釋這一實質(zhì)，“一切物體總有保持當(dāng)下運(yùn)動速度的性質(zhì)”中“保持當(dāng)下時刻的運(yùn)動速度”說明物體的速度沒有發(fā)生改變，教師可以以此為切入點，提出速度有快有慢，如果速度為零時，物體是什么狀態(tài)，學(xué)生很容易理解，并回答是“靜止?fàn)顟B(tài)”；如果物體的直線運(yùn)動速度一直為5 m/s或者是1 km/h，那么物體保持什么運(yùn)動，學(xué)生也能很容易理解為勻速運(yùn)動.總結(jié)速度為零以及速度不變這兩種現(xiàn)象，物體的狀態(tài)為靜止或者是勻速直線運(yùn)動，那么學(xué)生對于牛頓第一定律中“任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動或是靜止?fàn)顟B(tài)”的理解就會簡單很多.

（2）外力是迫使物體改變運(yùn)動狀態(tài)的原因.利用改寫后的牛頓第一定律來理解這一實質(zhì)，“直到外力迫使它改變該速度”中“該速度”指的是物體原有的速度，即速度為零或者速度不變的情況，也就是“靜止?fàn)顟B(tài)或者勻速直線運(yùn)動狀態(tài)”，那么“改變該速度”就很好理解了，在某一特定的時刻，物體的速度被相應(yīng)時刻的力所改變，學(xué)生自然而然地想到某一時刻的狀態(tài)被當(dāng)時的力改變，了解了外力是迫使物體改變運(yùn)動狀態(tài)的原因這一實質(zhì).

（3）力不是維持物體運(yùn)動的原因.利用改寫后的牛頓第一定律來解釋，在不受外力的作用下，物體會“保持當(dāng)下時刻的運(yùn)動速度”，每一個特定時刻，物體都沒有受到力而改變速度，即當(dāng)下時刻的運(yùn)動狀態(tài)沒有改變，也就是說物體的運(yùn)動過程不需要力，進(jìn)而得出力不是維持物體運(yùn)動狀態(tài)的原因這一實質(zhì).

為了更加形象地解釋定律的實質(zhì)，教師可以組織學(xué)生現(xiàn)場進(jìn)行“推課本”的實驗，拿起物理課本，放在桌面上輕輕推動，當(dāng)手對課本有了一定的推力時，課本開始運(yùn)動，且每一個時刻都對應(yīng)著特定時刻的力，即當(dāng)下的力對應(yīng)著當(dāng)下速度的改變.松開手，課本就恢復(fù)到之前的狀態(tài)，運(yùn)動速度為零，也就即恢復(fù)到改寫的定律中“保持當(dāng)下時刻的速度”，進(jìn)行多次實驗，學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)，力改變了物體的運(yùn)動狀態(tài)，但不是物體維持運(yùn)動狀態(tài)的原因.

2.4 了解定律與慣性的關(guān)系

牛頓第一定律說明了兩個問題：說明了力與運(yùn)動的關(guān)系；提出了慣性的概念.通過“一切物體總有保持當(dāng)下時刻運(yùn)動速度的特性”來說明這一特性即慣性是所有物體固有的屬性，包括固體、液體、氣體；因為在不受外力作用的某一時刻，物體的速度沒有發(fā)生改變，能夠說明物體的慣性與力無關(guān).由于高中學(xué)生首次接觸到“慣性”這一名詞，需要通過牛頓第一定律中的運(yùn)動狀態(tài)來理解，若學(xué)生對于運(yùn)動狀態(tài)的意義理解不夠充分，那么容易出現(xiàn)思路混亂，知識結(jié)構(gòu)不清的現(xiàn)象.而改寫之后的定律能夠引導(dǎo)學(xué)生通過“速度”來了解慣性，通俗易懂，學(xué)生很容易掌握慣性的概念.

例如，舉出例子來形象地解釋慣性的定義，組織學(xué)生觀察橡皮和書本，當(dāng)沒有外力作用的每一個特定時刻，二者都保持靜止?fàn)顟B(tài)，提出生活中的所有物品同樣具有這一性質(zhì)，來幫助學(xué)生理解慣性.為了探究慣性的影響因素，教師可以組織學(xué)生輕拋橡皮和書本，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)用同樣的力度，質(zhì)量較輕的橡皮飛出的速度快，進(jìn)而得出慣性和質(zhì)量有關(guān).

2.5 學(xué)會在實踐中應(yīng)用

學(xué)習(xí)理論知識的目的在于增強(qiáng)學(xué)生的實踐能力.因此，通過具體的例題來講解定律并組織學(xué)生進(jìn)行測試，能夠有效提高學(xué)生的應(yīng)用能力.例如，將以下題目來作為例題，教師引導(dǎo)學(xué)生在實踐中理解牛頓第一定律.

例題 對牛頓第一定律的理解，不正確的是

A.一切物體都具有慣性

B.物體不受力的作用也能運(yùn)動

C.物體受到力，運(yùn)動狀態(tài)一定改變

D.物體的運(yùn)動狀態(tài)改變，一定受到力

在實踐中應(yīng)用牛頓定律的思路為：（1）確定研究對象；（2）確定研究過程；（3）進(jìn)行受力分析；（4）根據(jù)力的改變推斷出狀態(tài)的改變；（5）具體問題具體分析.

3 需要注意的問題

第一，是牛頓在第一定律中沒有說明靜止?fàn)顟B(tài)或者勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的參考系是什么，我們一般將物體運(yùn)動理解為在絕對空間內(nèi)的相對運(yùn)動，即以空間內(nèi)的“土地”或者是其他物體為參考系.

第二，雖然力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因，但是，不是所有的力都可以改變物體的運(yùn)動狀態(tài)，例如，物體在受到多個外力作用時，運(yùn)動速度沒有改變，這時物體受到的合力為零.

第三，當(dāng)下的力只能夠改變當(dāng)下時刻的速度.在“推課本”的實驗中，當(dāng)手開始給書本施加推力，書本的速度馬上發(fā)生變化，因此，我們可以得出，不受力的情況下，物體保持的是某一時刻的速度.當(dāng)推書的手松開，書本又回到了速度為零的狀態(tài)，因此，力是存在于當(dāng)下時刻的一瞬間，只有當(dāng)受力的特定時刻，物體才會改變相應(yīng)時刻的運(yùn)動速度，當(dāng)力消失，當(dāng)下物體的運(yùn)動速度就會保持不變，直到有新的力來迫使它改為止，為后面講牛頓第二定律對應(yīng)時刻的力對物體產(chǎn)生對應(yīng)時刻的加速度這一內(nèi)容要點.能更好加深學(xué)生對物體所受合外力與物體加速度瞬間對應(yīng)的理解.