尋差異平爭論 “戲說”牛頓第一定律

王蓓

摘 要：《牛頓第一定律》在高中物理教材中被設為單獨的一節(jié)內(nèi)容，對本節(jié)課的教學研究一直是教師關(guān)注的焦點。我們要從學生的基本認知過程出發(fā)，漸進地讓學生領(lǐng)略科學家的思想方法，從知識、方法上升到精神的境界。本文澄清了對牛頓第一定律的一些模糊史學認識，并研究了牛頓第一定律的本質(zhì)內(nèi)涵以及在牛頓三大定律中的地位和作用。

關(guān)鍵詞：牛頓第一定律；物理學史；科學精神；科學方法；基石

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）7-0038-3

2016年10月27日，浙江省“變與應變——特級教師論新背景下高中物理教學”培訓中，選擇“牛頓第一定律”作為課題之一，很多教師都感到上好這節(jié)課比較困難，筆者也不例外。由于在初中時學生已學過牛頓第一定律，學生已有一定的基礎。有些教師為了趕進度，并沒有把物理發(fā)展的歷史進程講透講深，只是一帶而過，學生根本沒有得到認知的情感體驗，沒有領(lǐng)略到科學家探究物理規(guī)律的曲折過程和科學精神。其實，除了牛頓第一定律本身以及慣性概念、慣性定律、慣性的利用與防止等等學生熟知的內(nèi)容外，教師必須思考高中教學的落點應在哪里？怎么才能對牛頓第一定律的認識做螺旋式上升？下面以筆者自己的教學設計為例，針對教材在以下幾個方面做了突破。

1 源于生活 高于生活

播放近日中國太空探索的一大進步——“神州”十一號于2016年10月17日發(fā)射成功的視頻，神圣并壯觀。給學生展示“神州”十一號的運動軌跡圖，如圖1所示。復雜的軌道圖是科學家原先設定好的，龐然大物卻聽從地面控制中心的指揮，指揮中心要它怎么動，它就乖乖地聽從指揮，指哪到哪，這就是力與運動之間的關(guān)系。我們學習了簡單的運動學和力學，但只有懂得了動力學的知識，才能根據(jù)物體所受的力確定物體的位置、速度變化的規(guī)律。人類必須發(fā)揮人的主觀能動性，去征服自然與認知自然，創(chuàng)造條件來控制物體的運動，這就是我們這一章要學的核心內(nèi)容——牛頓三大運動定律，它揭示了力與運動之間的復雜關(guān)系，我們要一起踏踏實實地學習它。

2 科學巨匠 引領(lǐng)精神

按照圖2所示逐漸理解科學巨匠的貢獻，以及思想的進步。人教版《物理》必修1有這樣一段話：“必須有力作用在物體上，物體才能運動；沒有力的作用，物體就要靜止在一個地方”[1]。這是對力和運動的一個錯誤認識，也是學生對亞里士多德的第一個感性認識。在學生的頭腦中，他是阻礙了物理學的發(fā)展，對物理學的發(fā)展是沒有任何貢獻的。因此，我們在教學時必須讓學生重新認識亞里士多德，站在歷史的平臺上，對他進行正確客觀的評價。其實，亞里士多德是古希臘最有才的人，他的科學思想似于孔子在東方儒學界中的地位。亞里士多德對運動和力的認識雖然是錯誤的，但他在動力學方面給我們的最大貢獻是：他首先提出了力與運動間存在關(guān)系的論點。

伽利略是第一個意識到直覺有時并不可靠的人，通過理想斜面實驗得到：“若沒有摩擦阻力，球?qū)⒂肋h沿水平面運動下去”。[1]伽利略的貢獻不僅在于提出了上述結(jié)論，更重要的是：他是走出“直觀觀察就能得出結(jié)論”誤區(qū)的第一人，認識到要驗證一個結(jié)論是否正確可以通過實驗的方法來進行驗證，并提出了“理想實驗”科學研究方法。但是細推伽利略的結(jié)論，還是有不妥之處——水平面，即貼著地面的軌道，而地球是球形。近距離看，水平面是一條直線，而遠距離看，卻是圍繞地球表面的圓弧，這并不是真正意義上的直線，所以伽利略所指的是圓周運動，并非勻速直線運動。

那么，笛卡爾的貢獻在哪里呢？很多教師認為笛卡爾與伽利略觀點是一樣的。我們可仔細研究一下教材上的兩段原話，伽利略認為如果沒有力的作用“小球?qū)⒀厮矫嬉恢边\動下去”，而笛卡爾則認為如果沒有力的作用“小球?qū)⒁酝凰俣妊赝恢本€運動下去”。此時，笛卡爾的觀點已經(jīng)前進了一大步，他第一個意識到：力是改變物體運動狀態(tài)的原因，修正伽利略的“水平面”為“一條直線”，并打破局限為“一切方向上的直線運動”。但是，笛卡爾卻忽略了“沒有受到力作用”的物體是根本不存在的。

牛頓非常認真好學，他學習了前人留下的寶貴知識，總結(jié)出牛頓第一定律。他提出：“一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)”[1]。他明確表明：力是物體運動狀態(tài)變化的原因，將力與運動關(guān)系的探究更進了一步，并且明確提出物體的固有屬性——慣性這個概念，動者恒動，靜者恒靜，直到有外力的作用才會改變這種狀態(tài)。

在教材中，我們闡述了亞里士多德的觀點，從亞里士多德到伽利略，再從伽利略到笛卡爾，層層遞進，科學地發(fā)現(xiàn)了力與運動的正確關(guān)系。但是真理是相對的，不是絕對的。事實上慣性定律在牛頓之后也有很大的發(fā)展，例如愛因斯坦提出牛頓三定律的適用條件——低速、宏觀、弱引力，而愛因斯坦的“相對論”揭示了空間與時間是有聯(lián)系的，使得慣性定律變得更有包容性……牛頓第一定律是人類理性在兩千多年的歷史長河中發(fā)展的產(chǎn)物，是一個漫長的、經(jīng)過了許多人不斷思考、不斷完善、不斷提高的過程。

3 深層剖析 挖掘內(nèi)涵

認真解讀牛頓第一定律文本，可以體會出牛頓第一定律包含以下內(nèi)容：

（1）一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)——一切物體都具有慣性這種屬性。

（2）原狀態(tài)是運動的物體將保持勻速直線運動狀態(tài)——物體的運動不需要力去維持。

（3）除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)——力是改變物體運動狀態(tài)的原因。

（4）定律成立的條件是質(zhì)點在慣性參考系中的運動描述。

牛頓第一定律的實質(zhì)是給出了一個沒有加速度的參考系——慣性參考系，但是學生自己去解讀定律是很難解讀出“定律成立的條件”這一條的，教師要幫助學生解讀，必要的時候要明確指出。

4 辨析概念 升華內(nèi)涵

幾乎所有的《物理》教科書都強調(diào)：因為牛頓第一定律描述了物體具有慣性，所以又把第一定律稱作慣性定律。其中具有代表性的：如北京大學顧建中先生編寫的《普通物理學簡明教程》力學部分，又如張三惠等編著的《大學物理學》力學，再如馬文蔚先生改編的《物理學》。牛頓第一定律一方面是描述物體的慣性，它是物體本身具有的一種屬性，動則恒動，靜則恒靜。慣性的大小只與物體的質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量是慣性大小的量度。牛頓第一定律的另一方面是描述物體運動狀態(tài)的改變，用外力去改變物體的運動狀態(tài)，力是改變物體運動狀態(tài)的原因，而物體的慣性又要保持原有的運動狀態(tài)，一個要改變，一個要保持，這是一對矛盾的同一體，最終物體的運動狀態(tài)到底怎么改變呢？進而牛頓第二定律F=ma不但描述了物體的慣性，而且定量地給出了物體的慣性大小可以用慣性質(zhì)量m來描述。

牛頓第一定律的實質(zhì)是：如果某個物體或某個系統(tǒng)不受外力作用，那么這個系統(tǒng)的運動狀態(tài)就不會改變，也就是加速度為零。在運動學中我們學過參照物，物體的運動與靜止是相對的，是相對于你所選擇的參照物。牛頓第一定律給出的就是以勻速運動的物體為參考系，就是所謂的慣性參考系，牛頓運動定律是相對于慣性參考系才成立的，只有這樣才使我們對物理問題的研究和物理量的測量變得有意義。

5 三大定律 力學基石

牛頓第二定律的物理公式F=ma，只能在慣性參考系中成立，即以勻速運動的物體為參考系。因為只有在這樣的參考系中，物體的加速度a才有確定的測量值。如果我們選擇有加速度的物體為參考系，那么加速度a的值就將改變，這時牛頓第二定律就不再成立了。由此可見，沒有牛頓第一定律，牛頓第二定律也就失去了存在的前提。所以牛頓第一定律并不是可有可無的，那種認為“牛頓第一定律是牛頓第二定律的特例”，認為“當物體運動的加速度為零，物體靜止或做勻速直線運動時，牛頓第二定律就變成第一定律了”等觀點，顯然是站不住腳的。

同理，牛頓第三定律也是一樣的，我們?nèi)绻x擇有加速度的物體為參考系，那么物體間相互作用力與反作用力就不再相等，即：F≠F'（其中F、F'分別是作用力和反作用力），則第三定律也就不成立了。其實，后面我們要學到的動量定理I=Ft=Δp、動能定理W=Fl =ΔEK等也都是相對于慣性參考系成立的。

由此可見，牛頓第一定律是一條獨立的、不可缺少的重要的力學定律，這三大牛頓運動定律構(gòu)成了一個完整的理論體系，是經(jīng)典物理學的核心知識。

回眸歷史，科學發(fā)展的歷程是艱辛的，探究得出的結(jié)果是深刻的，對結(jié)果的分析升華更是必不可少的。我們要讓學生在學習的過程中，時時刻刻都在接受科學方法與科學精神的熏陶。物理學史以其靈活多變的形式，豐富而又蘊藏著科學家素養(yǎng)的教學內(nèi)容，具有自己獨特的風景，以上是筆者針對“牛頓第一定律”在幾個方面的教學意義的探討，還望同行指正。

參考文獻：

[1]人民教育出版社.普通高中課程標準實驗教科書 物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2010：68-70.

（欄目編輯 羅琬華）