為理想實(shí)驗(yàn)搭橋

劉建新

摘要：牛頓第一定律描述的是物體不受外力怎樣運(yùn)動(dòng)，是基于理想實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要結(jié)論，為初中物理教學(xué)難點(diǎn)之一.本文就如何對(duì)伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)逐步搭建思維臺(tái)階，推導(dǎo)出力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，并運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)方法將結(jié)論進(jìn)一步外推，得出物體不受外力將如何運(yùn)動(dòng)，闡述了個(gè)人觀點(diǎn)及教學(xué)處理技巧.

關(guān)鍵詞：理想實(shí)驗(yàn)；轉(zhuǎn)化；推理

牛頓第一定律與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)并不相符，其思想及內(nèi)涵學(xué)生很難理解，教學(xué)中可以探究什么？能探究到什么程度？筆者認(rèn)為合理滲透理想實(shí)驗(yàn)方法并恰當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用此方法推理出力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系是達(dá)成教學(xué)目標(biāo)關(guān)鍵所在.筆者從引出問(wèn)題、對(duì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化處理、遞進(jìn)式分析數(shù)據(jù)、結(jié)論描述、結(jié)論外推等方面給出了相應(yīng)的片斷設(shè)計(jì)及思考.

1觀點(diǎn)碰撞 引出探究課題

學(xué)生已有認(rèn)知體驗(yàn)是物體的運(yùn)動(dòng)需要力的維持，教學(xué)中可先從學(xué)生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)引出亞里士多德的觀點(diǎn)——力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因；繼而搬出伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)并提出完全相反的觀點(diǎn)：物體運(yùn)動(dòng)并不需要力去維持.教學(xué)中要注意引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)略伽俐略的理想實(shí)驗(yàn)思想，并努力促成學(xué)生思維的激烈碰撞.此片斷設(shè)計(jì)如下：

師講述，引導(dǎo)學(xué)生思考：生活中運(yùn)動(dòng)的物體的事例很多（用大屏幕展示如馬拉車、手推重物、起重機(jī)起吊重物等），設(shè)想撤去馬的拉力，車還能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)嗎？手不再推重物，重物還能持續(xù)移運(yùn)嗎？據(jù)此你認(rèn)要維持物體的運(yùn)動(dòng)，必須……

總結(jié)：在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上出示亞里士多德的觀點(diǎn)——物體的運(yùn)動(dòng)需要力的維持.

過(guò)渡：這位大哲學(xué)家的觀點(diǎn)是否正確呢？意大利物理學(xué)家伽利略卻提出了不同看法.

演示： 如圖1所示

將小球從斜面某一位置由靜止釋放，觀察小球能到達(dá)另一斜面的最高點(diǎn)，比較與釋放點(diǎn)高度關(guān)系.

講述：伽利略斷定小球到達(dá)另一斜面的高度略低于出發(fā)時(shí)的高度是因?yàn)樾泵嬗心Σ?，如果沒有摩擦，小球一定會(huì)到達(dá)相同的高度，也即是說(shuō)小球似乎是記住了自己出發(fā)時(shí)的高度，它總要去追尋這一高度.

思考：設(shè)不受摩擦力，逐漸減小另一斜面的傾角，小球?yàn)榈竭_(dá)同樣的高度，就必須要通過(guò)更長(zhǎng)的路程，若將斜面放至水平，小球?yàn)榱俗穼ぴ鹊母叨?，那么它要怎樣？而在小球運(yùn)動(dòng)方向上有力的維持嗎？

學(xué)生討論回答后師講述：小球在水平面上會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去，而小球在運(yùn)動(dòng)方向上并沒有力的維持.據(jù)此伽利略認(rèn)為：物體的運(yùn)動(dòng)不需要力的維持

2轉(zhuǎn)化問(wèn)題降低探究難度

“探究物體不受力如何運(yùn)動(dòng)”是一個(gè)大課題，如何選定研究對(duì)象、控制實(shí)驗(yàn)條件、分析結(jié)論？教材提供的方法是：讓水平面上運(yùn)動(dòng)小車所受摩擦力逐漸減小，最后推理得到小車不受摩擦力時(shí)如何運(yùn)動(dòng).而教材是怎樣將“探究物體不受力如何運(yùn)動(dòng)”這一問(wèn)題遷移到“水平面上運(yùn)動(dòng)物體在水平方向上不受力如何運(yùn)動(dòng)”問(wèn)題上的，兩個(gè)問(wèn)題之間存在怎樣的邏輯關(guān)聯(lián)？探究“水平面上運(yùn)動(dòng)物體在水平方向上不受力如何運(yùn)動(dòng)”目的是要說(shuō)明什么觀點(diǎn)？筆者的想法是先不提出物體不受力如何運(yùn)動(dòng)，將本節(jié)課的探究重點(diǎn)放在“力是否是維持運(yùn)動(dòng)的原因”這一問(wèn)題上，在“維持”二字上下功夫.接上一片斷設(shè)計(jì)如下：

引導(dǎo)學(xué)生思考：根據(jù)你的理解簡(jiǎn)要說(shuō)明一下“運(yùn)動(dòng)需要力的維持”與“運(yùn)動(dòng)不需要力的維持”兩個(gè)觀點(diǎn).

交流總結(jié)：在學(xué)生回答基礎(chǔ)上作出小結(jié)——如果說(shuō)運(yùn)動(dòng)需要力維持，則表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)的物體在運(yùn)動(dòng)方向上必須有力的作用；如果說(shuō)運(yùn)動(dòng)不需要力的維持，則表現(xiàn)為物體運(yùn)動(dòng)方向沒有力的作用運(yùn)動(dòng)仍會(huì)一直持續(xù).

過(guò)渡：如果能用實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證出伽利略的推論，至少可以說(shuō)明沿水平方向運(yùn)動(dòng)的物體其運(yùn)動(dòng)不需要力的維持.

出示問(wèn)題：水平面上運(yùn)動(dòng)物體在運(yùn)動(dòng)方向上不受外力將如何運(yùn)動(dòng)？

3充分醞釀細(xì)化探究方案

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可圍繞如下幾個(gè)方面展開討論：（1）選定一個(gè)物體，使之獲得水平方向的初速度（2）設(shè)法控制物體運(yùn)動(dòng)方向上不受力（3）觀察物體運(yùn)動(dòng)情況.物體如何獲得一定的初速度？學(xué)生易想到讓物體沿斜面下滑；如何控制物體在運(yùn)動(dòng)方向上不受力？教師可類比“探究聲音不能在真空傳播”是如何做到無(wú)法在實(shí)驗(yàn)中獲得真空卻得出聲音不能在真空中傳播這一結(jié)論的.學(xué)生會(huì)想到可逐漸減小物體運(yùn)動(dòng)方向上的作用力并最后推理得出在運(yùn)動(dòng)方向上不受力物體的運(yùn)動(dòng)情況.此片斷教學(xué)設(shè)計(jì)如下：

過(guò)渡：實(shí)驗(yàn)室條件很好，能否用實(shí)驗(yàn)直接去顯示水平面上運(yùn)動(dòng)物體在運(yùn)動(dòng)方向上不受外力將如何運(yùn)動(dòng)

提出問(wèn)題，學(xué)生討論：（1）如何讓小車沿水平面運(yùn)動(dòng)？（2）如何控制小車在水平面上不受運(yùn)動(dòng)方向的力（既沒有相同方向的力，也沒有摩擦力）

交流、總結(jié)：（1）讓小車從斜面某個(gè)位置由靜止釋放，到達(dá)水平面即會(huì)獲得一定的初速度（2）可以做到讓小車不受與運(yùn)動(dòng)方向相同方向上的力，但無(wú)法滿足不受摩擦力.

過(guò)渡：實(shí)驗(yàn)想要控制運(yùn)動(dòng)小車在運(yùn)動(dòng)方向上不受任何力的作用，但又不能滿足這一理想條件，怎么辦呢？

老師點(diǎn)撥、學(xué)生思考：引導(dǎo)學(xué)生回憶如何探究聲音不能在真空中傳播（逐漸減小玻璃內(nèi)的空氣，聽聲音大小的變化最后推出真空不能傳播聲音），那我們可否逐漸減小運(yùn)動(dòng)小車在水平面上所受的摩擦力，觀察分析小車運(yùn)動(dòng)情況的變化趨勢(shì)，進(jìn)而得出不受摩擦力其運(yùn)動(dòng)情況.

交流、總結(jié)：設(shè)法讓小車到達(dá)水平面時(shí)獲得相同的速度，逐漸減小小車在水平面上所受的摩擦力，對(duì)比觀察小車的運(yùn)動(dòng)情況的不同.

閱讀思考：（1）實(shí)驗(yàn)需要準(zhǔn)備的器材？（2）實(shí)驗(yàn)操作具體步驟？（3）實(shí)驗(yàn)記錄表格.

學(xué)生敘述：（1）器材的作用；（2）具體操作步驟；（3）表格中記錄的數(shù)據(jù)內(nèi)容.

教師總結(jié)：展示器材，并用大屏幕出示實(shí)驗(yàn)探究步驟、實(shí)驗(yàn)操作應(yīng)注意的細(xì)節(jié)（要保證小車能順利從斜面進(jìn)入水平面、防止小車從長(zhǎng)木板上掉下等）及記錄數(shù)據(jù)的表格.

4指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)獲取探究數(shù)據(jù)

對(duì)于本節(jié)內(nèi)容而言，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程沒有太大難度.

5合理外推轉(zhuǎn)化結(jié)論描述

教材提供的實(shí)驗(yàn)表格如下表1所示：

表格所能記錄的數(shù)據(jù)較少，讓學(xué)生在此基礎(chǔ)上結(jié)合推理得出結(jié)論似乎跨度較大.但實(shí)驗(yàn)也沒有必要搜集更多組數(shù)據(jù)，教師在設(shè)計(jì)表格時(shí)多預(yù)留幾行如表2所示，讓學(xué)生根據(jù)前面幾次數(shù)據(jù)去推測(cè)后面可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)及現(xiàn)象，再去類推物體不受力時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)于學(xué)生而言思維坡度就較小，這樣去歸納、推理更為符合學(xué)生的認(rèn)知水平.

對(duì)于推理所得到的結(jié)論——水平面上運(yùn)動(dòng)的物體在運(yùn)動(dòng)方向上不受力，將一直運(yùn)動(dòng)下去.老師應(yīng)通過(guò)恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)將這一結(jié)論進(jìn)行描述方式上的轉(zhuǎn)化，讓學(xué)生明白這一結(jié)論至少表明水平面上物體沿水平方向的運(yùn)動(dòng)不需要力維持，初步說(shuō)明力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因.對(duì)結(jié)論的轉(zhuǎn)化描述并不是一味將結(jié)論擴(kuò)大，轉(zhuǎn)化描述方式目的是要引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變思想，領(lǐng)會(huì)結(jié)論的內(nèi)涵.此片斷設(shè)計(jì)如下：

展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：選取一組學(xué)生數(shù)據(jù)投影

提問(wèn)：對(duì)比各組數(shù)據(jù)，可以看到摩擦力越小，小車滑行的距離怎樣？小車速度減小的快慢怎樣？

講述：我們發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的小車在水平面所受摩擦力越小，小車滑行的距離越大.據(jù)此，請(qǐng)用合適的詞語(yǔ)完成下表第4、5行的填空.

更光滑些的玻璃11161……111總結(jié)并啟發(fā)學(xué)生外推：在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上，教師作小結(jié)：運(yùn)動(dòng)方向上所受的摩擦力越小，小車滑行距離越大，小車減速越慢，那么當(dāng)摩擦力為零，小車滑行的距離有多遠(yuǎn)？小車的速度還會(huì)減小嗎？（讓學(xué)生討論）

展示推論：水平面運(yùn)動(dòng)的小車，在不受摩擦力時(shí)將一直運(yùn)動(dòng)下去.

啟發(fā)思考：推論說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的小車是否需要一個(gè)力去維持它在這個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)？

總結(jié)：物體的運(yùn)動(dòng)不需要力的維持

6拓展延伸引出牛頓第一定律

物體的運(yùn)動(dòng)不需要力的維持，秉承這一思想，運(yùn)動(dòng)的物體不受任何力的作用，它的運(yùn)動(dòng)仍會(huì)保持下去.那么由一般到特殊，也可將靜止看成速度為零的運(yùn)動(dòng)，教師順勢(shì)提出“靜止的物體，它要保持靜止，需要力的維持嗎？”，將力不是維持運(yùn)動(dòng)原因這一思想逐步滲透，學(xué)生或許就能給出正確的答案出現(xiàn)這種情況教師在肯定學(xué)生答案的同時(shí)更要肯定學(xué)生思維的飛躍，讓學(xué)生享受被認(rèn)同、及成功的快樂(lè).教師可通過(guò)一些適當(dāng)問(wèn)題的引導(dǎo)，不斷拓展結(jié)論.此片斷設(shè)計(jì)如下：

講述：看來(lái)亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)的，既然說(shuō)運(yùn)動(dòng)不需要力的維持，那么一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體，拆除它所受的所有外力，它能一直運(yùn)動(dòng)下去嗎？

學(xué)生回答后教師評(píng)議：對(duì)學(xué)生的積極思考作出客觀評(píng)價(jià).

板書：運(yùn)動(dòng)的物體不受任何外力將一直運(yùn)動(dòng)下去

引導(dǎo)：如果把靜止也看成是物體速度大小為零的一種運(yùn)動(dòng)，這種“運(yùn)動(dòng)”的保持需要力的維持嗎？或者說(shuō)靜止的物體不受力的作用它能一直將靜止這種“運(yùn)動(dòng)”進(jìn)行下去嗎？

學(xué)生討論后教師小結(jié)：既然物體的運(yùn)動(dòng)不需要力的維持，物體速度為零的“運(yùn)動(dòng)”也不需要力的維持.

板書：靜止的物體不受任何外力將一直靜止下去

過(guò)渡：在一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上推理出運(yùn)動(dòng)的物體不受力會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去，靜止的物體不受力也會(huì)保持靜止，這只是理想實(shí)驗(yàn)的一種思維過(guò)程，得出的推論還必須要接受檢驗(yàn).此外物體在不受力時(shí)它保持的運(yùn)動(dòng)是一種什么形式的運(yùn)動(dòng)？伽利略沒有給出明確的答案.三百多年前英國(guó)物理學(xué)家牛頓在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究與推理給出了牛頓第一定律.

閱讀：學(xué)生看書，了解牛頓第一定律.教師用大屏幕出示牛頓第一定律內(nèi)容.

提出問(wèn)題，解讀牛頓第一定律：（1）牛頓第一定律描述的對(duì)象；（2）牛頓第一定律的條件及結(jié)論；（3）牛頓第一定律揭示了運(yùn)動(dòng)與力是怎樣的關(guān)系

總結(jié)：略

理解運(yùn)用：為加深學(xué)生對(duì)第一定律的內(nèi)化可適當(dāng)例舉一些習(xí)題作針對(duì)性的練習(xí).

理想實(shí)驗(yàn)是思想上的實(shí)驗(yàn)，是一種邏輯推理和理論研究的重要方法，學(xué)生若能在探究力與運(yùn)運(yùn)關(guān)系過(guò)程真正體會(huì)到這種方法的“能量”之大，其價(jià)值不亞于認(rèn)識(shí)牛頓第一定律.

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