王蓓

摘 要：《牛顿第一定律》在高中物理教材中被设为单独的一节内容，对本节课的教学研究一直是教师关注的焦点。我们要从学生的基本认知过程出发，渐进地让学生领略科学家的思想方法，从知识、方法上升到精神的境界。本文澄清了对牛顿第一定律的一些模糊史学认识，并研究了牛顿第一定律的本质内涵以及在牛顿三大定律中的地位和作用。

关键词：牛顿第一定律；物理学史；科学精神；科学方法；基石

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）7-0038-3

2016年10月27日，浙江省“变与应变——特级教师论新背景下高中物理教学”培训中，选择“牛顿第一定律”作为课题之一，很多教师都感到上好这节课比较困难，笔者也不例外。由于在初中时学生已学过牛顿第一定律，学生已有一定的基础。有些教师为了赶进度，并没有把物理发展的历史进程讲透讲深，只是一带而过，学生根本没有得到认知的情感体验，没有领略到科学家探究物理规律的曲折过程和科学精神。其实，除了牛顿第一定律本身以及惯性概念、惯性定律、惯性的利用与防止等等学生熟知的内容外，教师必须思考高中教学的落点应在哪里？怎么才能对牛顿第一定律的认识做螺旋式上升？下面以笔者自己的教学设计为例，针对教材在以下几个方面做了突破。

1 源于生活 高于生活

播放近日中国太空探索的一大进步——“神州”十一号于2016年10月17日发射成功的视频，神圣并壮观。给学生展示“神州”十一号的运动轨迹图，如图1所示。复杂的轨道图是科学家原先设定好的，庞然大物却听从地面控制中心的指挥，指挥中心要它怎么动，它就乖乖地听从指挥，指哪到哪，这就是力与运动之间的关系。我们学习了简单的运动学和力学，但只有懂得了动力学的知识，才能根据物体所受的力确定物体的位置、速度变化的规律。人类必须发挥人的主观能动性，去征服自然与认知自然，创造条件来控制物体的运动，这就是我们这一章要学的核心内容——牛顿三大运动定律，它揭示了力与运动之间的复杂关系，我们要一起踏踏实实地学习它。

2 科学巨匠 引领精神

按照图2所示逐渐理解科学巨匠的贡献，以及思想的进步。人教版《物理》必修1有这样一段话：“必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止在一个地方”[1]。这是对力和运动的一个错误认识，也是学生对亚里士多德的第一个感性认识。在学生的头脑中，他是阻碍了物理学的发展，对物理学的发展是没有任何贡献的。因此，我们在教学时必须让学生重新认识亚里士多德，站在历史的平台上，对他进行正确客观的评价。其实，亚里士多德是古希腊最有才的人，他的科学思想似于孔子在东方儒学界中的地位。亚里士多德对运动和力的认识虽然是错误的，但他在动力学方面给我们的最大贡献是：他首先提出了力与运动间存在关系的论点。

伽利略是第一个意识到直觉有时并不可靠的人，通过理想斜面实验得到：“若没有摩擦阻力，球将永远沿水平面运动下去”。[1]伽利略的贡献不仅在于提出了上述结论，更重要的是：他是走出“直观观察就能得出结论”误区的第一人，认识到要验证一个结论是否正确可以通过实验的方法来进行验证，并提出了“理想实验”科学研究方法。但是细推伽利略的结论，还是有不妥之处——水平面，即贴着地面的轨道，而地球是球形。近距离看，水平面是一条直线，而远距离看，却是围绕地球表面的圆弧，这并不是真正意义上的直线，所以伽利略所指的是圆周运动，并非匀速直线运动。

那么，笛卡尔的贡献在哪里呢？很多教师认为笛卡尔与伽利略观点是一样的。我们可仔细研究一下教材上的两段原话，伽利略认为如果没有力的作用“小球将沿水平面一直运动下去”，而笛卡尔则认为如果没有力的作用“小球将以同一速度沿同一直线运动下去”。此时，笛卡尔的观点已经前进了一大步，他第一个意识到：力是改变物体运动状态的原因，修正伽利略的“水平面”为“一条直线”，并打破局限为“一切方向上的直线运动”。但是，笛卡尔却忽略了“没有受到力作用”的物体是根本不存在的。

牛顿非常认真好学，他学习了前人留下的宝贵知识，总结出牛顿第一定律。他提出：“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”[1]。他明确表明：力是物体运动状态变化的原因，将力与运动关系的探究更进了一步，并且明确提出物体的固有属性——惯性这个概念，动者恒动，静者恒静，直到有外力的作用才会改变这种状态。

在教材中，我们阐述了亚里士多德的观点，从亚里士多德到伽利略，再從伽利略到笛卡尔，层层递进，科学地发现了力与运动的正确关系。但是真理是相对的，不是绝对的。事实上惯性定律在牛顿之后也有很大的发展，例如爱因斯坦提出牛顿三定律的适用条件——低速、宏观、弱引力，而爱因斯坦的“相对论”揭示了空间与时间是有联系的，使得惯性定律变得更有包容性……牛顿第一定律是人类理性在两千多年的历史长河中发展的产物，是一个漫长的、经过了许多人不断思考、不断完善、不断提高的过程。

3 深层剖析 挖掘内涵

认真解读牛顿第一定律文本，可以体会出牛顿第一定律包含以下内容：

（1）一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态——一切物体都具有惯性这种属性。

（2）原状态是运动的物体将保持匀速直线运动状态——物体的运动不需要力去维持。

（3）除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态——力是改变物体运动状态的原因。

（4）定律成立的条件是质点在惯性参考系中的运动描述。

牛顿第一定律的实质是给出了一个没有加速度的参考系——惯性参考系，但是学生自己去解读定律是很难解读出“定律成立的条件”这一条的，教师要帮助学生解读，必要的时候要明确指出。

4 辨析概念 升华内涵

几乎所有的《物理》教科书都强调：因为牛顿第一定律描述了物体具有惯性，所以又把第一定律称作惯性定律。其中具有代表性的：如北京大学顾建中先生编写的《普通物理学简明教程》力学部分，又如张三惠等编著的《大学物理学》力学，再如马文蔚先生改编的《物理学》。牛顿第一定律一方面是描述物体的惯性，它是物体本身具有的一种属性，动则恒动，静则恒静。惯性的大小只与物体的质量有关，质量是惯性大小的量度。牛顿第一定律的另一方面是描述物体运动状态的改变，用外力去改变物体的运动状态，力是改变物体运动状态的原因，而物体的惯性又要保持原有的运动状态，一个要改变，一个要保持，这是一对矛盾的同一体，最终物体的运动状态到底怎么改变呢？进而牛顿第二定律F=ma不但描述了物体的惯性，而且定量地给出了物体的惯性大小可以用惯性质量m来描述。

牛顿第一定律的实质是：如果某个物体或某个系统不受外力作用，那么这个系统的运动状态就不会改变，也就是加速度为零。在运动学中我们学过参照物，物体的运动与静止是相对的，是相对于你所选择的参照物。牛顿第一定律给出的就是以匀速运动的物体为参考系，就是所谓的惯性参考系，牛顿运动定律是相对于惯性参考系才成立的，只有这样才使我们对物理问题的研究和物理量的测量变得有意义。

5 三大定律 力学基石

牛顿第二定律的物理公式F=ma，只能在惯性参考系中成立，即以匀速运动的物体为参考系。因为只有在这样的参考系中，物体的加速度a才有确定的测量值。如果我们选择有加速度的物体为参考系，那么加速度a的值就将改变，这时牛顿第二定律就不再成立了。由此可见，没有牛顿第一定律，牛顿第二定律也就失去了存在的前提。所以牛顿第一定律并不是可有可无的，那种认为“牛顿第一定律是牛顿第二定律的特例”，认为“当物体运动的加速度为零，物体静止或做匀速直线运动时，牛顿第二定律就变成第一定律了”等观点，显然是站不住脚的。

同理，牛顿第三定律也是一样的，我们如果选择有加速度的物体为参考系，那么物体间相互作用力与反作用力就不再相等，即：F≠F'（其中F、F'分别是作用力和反作用力），则第三定律也就不成立了。其实，后面我们要学到的动量定理I=Ft=Δp、动能定理W=Fl =ΔEK等也都是相对于惯性参考系成立的。

由此可见，牛顿第一定律是一条独立的、不可缺少的重要的力学定律，这三大牛顿运动定律构成了一个完整的理论体系，是经典物理学的核心知识。

回眸历史，科学发展的历程是艰辛的，探究得出的结果是深刻的，对结果的分析升华更是必不可少的。我们要让学生在学习的过程中，时时刻刻都在接受科学方法与科学精神的熏陶。物理学史以其灵活多变的形式，丰富而又蕴藏着科学家素养的教学内容，具有自己独特的风景，以上是笔者针对“牛顿第一定律”在几个方面的教学意义的探讨，还望同行指正。

参考文献：

[1]人民教育出版社.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，2010：68-70.

（栏目编辑 罗琬华）