《牛顿第一定律教案【精选8篇】》
这里是的小编为您带来的牛顿第一定律教案【精选8篇】，在大家参照的同时，也可以分享一下给您最好的朋友。
牛顿第一定律教案 篇1
一、自主探究教学模式的预热：创设教学情境
在网络环境下，高中物理教学可充分运用现代化信息技术来设置一定的教学情境，如观察图片、案例分析、演示实验等，以诱导学生大胆质疑、自主提问，积极融入课堂教学活动中。
例如，在讲“牛顿第三定律”时，创设教学情境：（1）播放视频：足球运动员头球图片，火箭发射过程，冰上游戏——互推冰车，鸡蛋敲瓦片，手拉弹簧等。 （2）演示磁铁小车运动；（3）牛顿第三定律的有关应用。如马拉车时，马同时受到车向后的拉力；作业人员在高空工作时，站于墙边高架窄板上，必须面壁站立，不可背对墙站立，否则在弯腰时很容易由架板上摔下去。上述资料学生可课前访问校园网络资料库进行自主学习，还可在课堂上由物理教师引导他们共同学习。
二、自主探究教学模式的基础：提出研究课题
当教师将学生引入教学情境之后，物理老师可利用提问、讨论等形式来呈现本堂课需要学习与探索的课题。由于学生自身知识有限，为了保证教学的顺利进行，教师需要为学生提供一定的资料信息，若是物理实验探究，则需为学生提供有关的实验器材，并说明注意事项。
例如，在讲“牛顿第三定律”时，当学生观察视频等资料进入学习状态后，引导学生质疑、思考：既然力的作用是相互的，那么作用力与反作用力是否同时产生？若想研究一个力，需要由从哪些方面着手？作用力与反作用力的方向之间、大小之间有何关系？借助网页设计系列问题，引出课题。
三、自主探究教学模式的关键：学生自主探究
在自主探究教学模式中，这一环节是关键，要求学生独立学习或小组合作，如自主阅读，自主设计实验方案，利用网络主动获取有关信息资料，进而获得结论。首先，学生依据自身原有知识与相关经验，亦或搜集所需资料，进行合理假设与猜想，而后设计实验方案来验证猜想。其次，利用网络，学生可访问物理教师事先传入到校园网上的资源库。而后带着实验方案或者问题，利用网络进入到物理教师所创设的学习环境之中，展开独立自主的探究学习。另外，则是鉴别、分析与整理所收集的资料信息，并得出有关结论。然后是利用实验来验证结论是否正确。最后是科学解释自己所得结论。
例如，在讲“牛顿第三定律”时，教师提出课题后，学生可进入探究学习网页，这主要包括如下模块环节。学习目标（模块1）、学习导读（模块2）、例题练习（模块3）、物理学家（模块四）、物理学史（模块5）、科技应用（模块6）、有关课件（模块7）、相关链接（模块8）等。课前，教师需要指导学生怎样有效利用网络资源展开自学，同时根据课文导读中的相关问题展开自主探究。
四、自主探究教学模式的拓展：网上协助合作与课题小结
在学生自主探究时，可能会遇到疑难问题，此时，教师可首先引导学生利用网络展开协助合作，到网络讨论区去相互交流自己的实验方案、或假设猜想、或自己的结论等，对比各种结论与探究过程，以相互启发，分享经验，吸取教训，完善思维。当然，对于一些问题，学生还可与教师或其他同学进行面对面地讨论交流，而教师只是适当提示、启发，指导学生解疑释惑。
其次，课题小结。这既有学生自主小结，表述实验现象、研究思路或者探究结论，同时评价与反思自己的探究学习过程；也有学生评价他人的结论或探究过程，并说出自己的建议。而后，教师点评与补充学生小结，并引导他们观看网页小结。
牛顿第一定律教案 篇2
知识目标：
知道牛顿第一定律，常识性了解伽利略理想实验的推理过程。
能力目标：
1.通过斜面小车实验，培养学生的观察能力。
2.通过实验分析，初步培养学生科学的思维方法(分析、概括、推理).
情感目标：
1.通过科学史的简介，对学生进行严谨的科学态度教育。
2.通过伽利略的理想实验，给学生以科学方法论的教育。
教学建议
教材分析
教材首先通过回忆思考的形式提出问题：如果物体不受力，将会怎样？通过小车在不同表面运动的演示实验，使学生直观的看到物体运动距离与阻力大小的关系，为讲解伽利略的推理作准备。然后讲述伽利略的推理方法和通过推理得出的结论，再介绍迪卡儿对伽利略结论的补充，牛顿最后总结得出的牛顿第一定律。通过这些使学生了解定律的得出是建立在许多人研究的基础上的，正如牛顿所说：“如果说我所看的更远一点，那是因为站在巨人肩上的缘故”。最后指出牛顿第一定律不是实验定律，而是用科学推理的方法概括出来的，定律是否正确要通过实践来检验。给学生以科学方法论的教育。
本节课的重点是揭示物体不受力时的运动规律，即牛顿第一运动定律。
教法建议
1.学生学习牛顿第一定律的困难在于从生活经验中得到的一种被现象掩盖了本质的错误观念，认为物体的运动是力作用的结果。如推一个物体，它就动，不再推它时，它便静止。为使学生摆脱这种错误观念，首先要把运动和运动的变化区别开，树立从静到动和从动到静都是“运动状态改变”的概念，这是为了揭示力和运动的关系做的重要铺垫。其次，通过实验确立“力是改变运动状态的原因”的概念。再通过推理建立“不受力运动状态不变”的概念。
2.通过图9-1演示实验的比较、分析、综合、推理是本节课的核心，可对学生进行简单的科学推理方法的教育。在此演示实验中可通过设计不同的问题渗透研究方法。
3.本节课可按着人类对知识的认识顺序组织教学，让学生体会规律的认识过程，对学生进行学史教育。从亚里士多德的观点——伽利略的研究——笛卡尔的补充——牛顿的总结。
教学设计示例
牛顿第一定律
教学重点：通过对小车实验的分析比较得出牛顿第一定律。
教学难点：
1．明确“力是维持物体运动的原因”观点是错误的。
2．伽利略理想实验的推理过程
教学用具：斜面，小车，毛巾，棉布，玻璃板，微机，实物投影，大倍投电视。
教学过程
一、实验引入：批驳亚里士多德的观点
[演示1]在桌面上推动木块（或板擦）从静止开始慢慢向前运动，撤掉推力，木块立即停止。
分析：日常生活中也有许多类似的现象，（如推桌子）。这些现象从表面上看，“必须有力作用在物体上，才能使物体继续运动，没有力的作用，物体就要停下来。”即：板擦的运动需要推力去维持。于是，古希腊哲学家亚里士多德就根据这些现象总结出“物体的运动需要力去维持”。这种观点在历史上曾被沿用两千多年，但时沿用两千年是否就一定正确呢？也可能有人曾表示过怀疑或有人认为就是错误的，但没某能说服别人的理由。
[演示2]在桌面上推动木块（或板擦）从静止使之向前运动，用力推出，木块向前运动一段距离后停止。
分析：推力撤掉，还要向前运动，与亚里士多德的观点不符。
分析：木块：静止——运动——静止。两个过程中是否都有力存在？在这两个过程中力的作用是维持原来的运动状态还是改变运动状态？
二、讲授新课：
1.规律总结过程
方法1.教师引导
伽利略的贡献：理想实验
[演示]（通过实物投影仪把实验过程反映在大倍投电视上）
介绍器材
实验前提条件：每次实验都需从斜面上的同一高度下滑，为什么？
实验过程：让小球从同一斜面的同一位置滚下后分别在毛巾表面、棉布表面、玻璃表面上运动，每次记下小球停下时的位置。做标记的位置是什么位置？（停下来的位置）
实验纪录：
实验次数表面材料阻力大小滑行距离
1毛巾最大最短
2棉布较大较长
3玻璃较小长
推理想象光滑表面阻力为零无限长
实验分析：
三次实验，小车最终都静止，为什么？
三次实验，小车运动的距离不同，这说明什么问题？
小球运动距离的长短跟它受到的阻力有什么关系？
若使小车运动时受到的阻力进一步减小，小车运动的距离将变长还是变短？
根据上面的实验及推理的思想，还可以推理出什么结论？
推理：小球在光滑的阻力为零的表面，将会怎样运动？
实验结论：通过伽利略的实验和科学推理得出“运动的物体，如果受到的阻力为零，它的速度将不会减慢，将以恒定不变的速度永远运动下去。”即作匀速运动。
[微机模拟实验]:简介伽利略理想实验
迪卡儿的补充
如果运动物体不受任何力的作用，不仅速度大小不变，而且运动方向也不变，将沿原来的方向匀速运动下去。
牛顿的成果：补充与概括
师：物体除了运动的以外，还有静止的。那么，静止的物体在没有受到外力作用时，保持什么状态呢？（牛顿补充：将保持静止状态）
师（引导学生概括）:我们现在已经有了伽利略的研究成果，又有了迪卡儿和牛顿的补充，把两者进行一下概括：一切物体在没有受到外力作用时，将如何呢？（对概括出来大致意思的同学给予鼓励）
介绍：牛顿抓住时机，概括总结得出著名的牛顿第一运动定律
方法2：学生探究式学习
针对基础较好的学生，可以由学生在老师的指导下自己完成斜面小车实验，根据现象学生分组讨论，明确亚里士多德的观点的问题根源．由学生互相补充确定实验结论。
2.定律分析
定律成立条件：不受外力作用
运动规律：总保持匀速直线运动状态或静止状态。
师（回应课题引入实验）：回想我们最开始的实验，有推力板擦运动，撤去推力板擦停下来，从表面现象上得到的结论运动需要力维持是错误的，但这种现象是千真万确摆在我们面前的，我们如何用牛一的观点正确的解释这个现象呢？
三、巩固练习
1．一物体放在桌上静止，假若某瞬间撤掉所有的外→←力，物体将怎么样？
2．对于牛顿第一定律的看法，下列观点正确的是()
A．验证牛顿第一定律的实验可以做出来，所以惯性定律是正确的
B．验证牛顿第一定律的实验做不出来，所以惯性定律不能肯定是正确的
C．验证牛顿第一定律的实验做不出来，但可以经过在事实基础上，进一步科学推理得出惯性定律
D．验证牛顿第一定律的实验虽然现在做不出来，但总有一天可以用实验来验证。
四、小结
人们对物体的运动规律的认识是经历了漫长的时间的。物体在不受力时的运动规律，它是经过亚里士多德对人们近两千年的思想束缚，伽利略的科学推理，才最终由牛顿总结出来的。牛一的重要贡献是：1）力不是维持物体运动的原因，2）力是改变物体运动状态的原因。
五、作业：阅读本节教材
【活动流程】
制订实验方案；准备器材；实验并记录现象，分析材料并得出一些结论；与老师所做实验比较优缺点；与其他组交流。
【备注】
1、要有完整的过程记录。
2、和其他成员交流。
探究活动
牛顿力学的建立
【组织形式】个人或自由结组
【活动目的】
牛顿力学的建立不是牛顿一个人的功劳，而是许多科学家努力研究的最终结果，查阅资料了解牛顿力学的建立过程，及牛顿力学的体系。
【活动流程】
制订查阅和查找方式；收集相关的材料；分析材料并得出一些结论；写出论文；与其他组交流。
【备注】
1、网上查找的资料要有学习的过程记录。
2、和其他成员交流。
斜面小车实验的再研究
【组织形式】个人或自由结组
牛顿第一定律教案 篇3
关键词： 惯性；存在；时间；空间
Abstract: This paper puts forward a different viewpoint to current inertial view inside classical mechanics scope and claims that we should distinguish the property of an object of study from the property of existence，the property of keeping the kind of state from the property of changing the kinds of states，and that we should also focus our attention on the dynamic characteristic and the appreciation of the beauty of physical law.
Key words: Inertia; Existence; Time; Space
惯性是经典力学中的一个基本概念，同时它又是人们日常生活中的一个基础性观念，并且惯性也是经常被物理学界讨论的一个话题（1）。可是，尽管经典力学经过了漫长的时期，大部分的物理教师在此问题上还存在着很多的混乱性（2），本文试从几个方面对惯性进行了讨论，望引起大家的共识。
一、惯性的意义
大家知道，惯性是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质（3）。一个物体，只要不受外力作用，原来静止的就会一直静止下去，而原来运动的则会一直作匀速直线运动。这里的问题在于：惯性是否是物体的性质？依据牛顿第一运动定律，任何物体均具有惯性。因而，看来惯性不是被研究物体的性质，因为这一性质是一切物体所具有的，也就是说它与物体的个别特征无关。因而，惯性只能是存在的一个特征，是被研究对象周围的环境在此对象上的表现。换一句话说，它是存在于物体周围的一种条件，一种约束。
二十世纪初，德国数学家诺特尔（4）证明了：空间平移对称性导致动量守恒、空间转动对称性导致角动量守恒、而时间均匀性导致能量守恒。事实上，物体的惯性是时间均匀性与空间对称性的必然结果。因而它与个别的特殊研究对象无关。惯性不是个别存在物的性质，个别存在物只是惯性的显现者，惯性的本质与个别存在物的特性无关。从而我们就不能用反映个别存在物性质的量（例如质量）来测度惯性。因为惯性作为存在的一种显现，并无大小可言，它只是存在之状态的表达。
二、惯性与物体运动状态变化的难易程度无关
通常认为质量是物体惯性大小的量度是据于这样的理由：质量大的物体在相同的力作用下其运动状态不容易改变。这是由牛顿第二定律所得到的基本结论。而事实上物体运动状态是否变化，物体运动状态的变化是难还是容易是与惯性无关的。惯性所揭示出的物体之性质不在于其使（或抗拒）物体运动状态的改变或代表改变的难易程度的能力，而在于它的保持某种特定状态（静止或匀速直线运动）的本领：在最相似的物之间，错觉说着最巧妙的谎；最小的罅隙是最难度（5）。因而惯性与物体的质量无关。倘若惯性与物体的质量有关的话，则我们也可以说力与惯性也有关系。因为对于相同质量的物体而言，力越小其运动状态就越难改变。因而，也即力越小物体的惯性越大。事实上，在惯性概念发展的最初时期，牛顿就将惯性与力进行等价的思考，当然现在大家知道牛顿的把惯性等同于力的思想是错的了。如果要说质量与惯性确有联系的话，作者以为也只能从这样的一个视角来看：惯性是由其表现物体周围存在着的与时空有关的天体质量分布情况决定着的性质。这是因为，根据广义相对论，空间的性质是由天体质量的分布所决定的。至于时间，自从奥古斯丁（6）提出“什么是时间？”以来，人们还没有认清它的真面目，也因而从更深的层次上而言，人们只认识到什么是惯性而还没有搞清惯性是什么。
惯性不是一种由个别物体自身所具备的原因（诚然，所有物体均会表现出惯性），它不是我们的一种吃力的、需要支撑的、痛苦感的反映，事实上，它是存在之美感的绽开。因而“惯性是物体对任何改变其运动状态的外来作用的阻抗的性质”（7）这样一种说法就是不当的。因为这一注释还是从对牛顿第二定律的基本而来的，在这一注释中已经隐藏了牛顿第二定律及对惯性与物体质量等价的认同感。其实，惯性是一种令人十分安全的、舒适的、和谐的存在之性质，它使物体的存在行为非常简单，而人们也往往由于常见到这种存在的简单性而忽视了它的深层含义。静止的永远静止，运动的永远作匀速直线运动，惯性就是将存在如此单调而重复地显现在人们眼前。凡是背离了这两种物体的存在情况而用惯性去解释其存在原因的，作者以为均属一种不当的诡辩行为。可是这种诡辩行为不仅麻木了人的脑神经而且充斥着各种各样的教科书（8），我们来看一些下面的例子。
例1．惯性也有不利的一面，高速行驶的车辆因惯性而不能及时制动常造成事故。所以，在城市的市区，对机动车的车速都有一定的限制，以利于行车安全。（9）
在这里，不能及时制动是由于惯性还是由于制动力不够大？略作思考，读者就可判断出是由于后者。将惯性看成一种破坏力是十分荒唐的。而发生交通事故的真正原因是，由于车辆质量较大，而相应的制动力在如此质量的物体上所产生的加速度很小，不能使车辆很快地减速，从而在短时间内停下来。倘若对于质量较大的车辆来说制动力也允许更大，那么作者认为还是可以在一定的时间内制动车辆的。
并且，这个例子中的“高速行驶的车辆”及“对机动车的车速都有一定的限制”的字句很容易使学生认为惯性和物体的运动速度有关。这对于初学者来说是一个很大的误导。
例2．把斧柄的一端在水泥地面上撞击几下，斧头就牢牢地套在斧柄上了，这是什么缘故呢？（10）
通常标准答案是这样的：开始斧头和斧柄同时向下运动，当斧柄遇到障碍物时突然停止，而斧头由于惯性保持原来的运动状态，这样斧头就牢牢地套在斧柄上了。
事实上，斧头在斧柄上套牢是由于斧头克服了阻力相对于斧柄运动了一段位移，而惯性不是克服某种阻力使斧头运动的原因。在此中的一个效果是斧头相对于斧柄产生了某种（克服一定力的）运动，因而我们必须以斧柄为参照系来考察此种运动的实质。当以斧柄为参照时，实际上斧柄在撞击的过程中是一个非惯性系，它相对于惯性系有一个向上的加速度。因而斧头在此参照系中必受到一个向下的“惯性力”，正是此力与斧头的重力克服了斧头与斧柄之间的弹力与摩擦阻力使斧头相对于斧柄前进了一段位移，从而使斧头在斧柄上套牢。如果一定要以地面为参照系来看斧头在斧柄上套牢的问题，那么可以这样认为：虽然斧头在斧柄上向下套牢的过程中没有受到除重力以外的向下的另外力，但相对于地面而言斧头具有一定的动能和重力势能，正是这个能量克服了阻力作功从而转化为内能。所以从效果上看，一是斧头相对于斧柄向下移动了一段位移，二是斧头与斧柄的接触面上在发热。
如果仅从动力学的角度来看，斧头在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小与作用时间（或所通过的位移）所共同决定的，也就是说它和斧头相对于斧柄的动能或动量变化有关。斧柄在“水泥地面”上“撞击”这两个条件只是使斧柄产生了相对于水泥地面的较大的动量变化率，从而也使斧头具有了相对于斧柄的惯性力。但是，虽然这个惯性力构成了斧头套牢在斧柄上的直接原因，可严格地说，斧头在斧柄上套得牢不牢的原因还和斧头的重力及斧柄的弹性和斧头与斧柄的摩擦力大小均有关系。并且斧头在斧柄上套得牢不牢和作用时间也大有关系，因而，撞击“几下”也是一个非常重要的条件。
例3．小车上竖直放置一个木块，让木块随小车沿着桌面向右运动，当小车被档板制动时，车上的木块向右倾倒。这是怎么回事呢？（11）
教科书上的答案是这样的：小车突然停止的时候，由于木块和小车之间的摩擦，木块的底部也随着停止，可是木块的上部由于惯性要保持原来的运动状态，所以木块向右倾倒。
事实上，本例中小车上木块的倾倒是由于力矩作用的缘故。若以地面为参照物，小车对木块的摩擦力对木块的重心而言有一个顺时针旋转的力矩，从而木块向右倾倒。若以小车为参照物，小车被档板制动时已是一个非惯性系，作用在木块（重心）上的“惯性力”对木块的底端也产生一个使木块作顺时针旋转的力矩。
需要指出的是，在上述例2和例3中，斧头在斧柄上套牢和木块在小车上倾倒已是一个涉及物体在非惯性系中的动力学的问题。其中例2是非惯性系中的质点动力学问题，而例3则是非惯性系中的刚体动力学问题。可是，在非惯性系中，我们通常意义上所论述的牛顿第一定律已不成立，从而也失去了此两例的代表意义。也就是说，这两个例子不仅是不准确的解释而且是不适当的例子。在涉及惯性的问题上我们必须分别那些是属于惯性现象，而那些则不属于惯性现象——即为动力学现象。牛顿的例子，毫无疑问是正确的（12），但我们许多的物工作者却将惯性对事物的解释范围作了相当随意而并不恰当的扩展或扭曲。其实在讲述惯性时，用不着举更新鲜的特别例子，倒是需指出惯性使我们对事物常态的存在方式太熟视无睹了。这里问题的关键在于，惯性不是使物体改变运动状态（使火车制动、使斧头套牢在斧柄上、使小木块倾倒）的原因。严格地说，这些原因和物体的惯性无关，只和力有关，而至于火车制动得及时不及时，斧头套在斧柄上牢不牢，小木块倾倒得快不快，则不仅与力有关，还和物体的质量、形体、初速度有关。但即使如此地与质量和初速有关却也与惯性无关。
惯性，这个我们通常认为是由物体内在因素决定的性质，其实是物体存在方式的一种条件性：“试取汽车为系统来‘当汽车急剧刹车的时候，车中乘客有向前倾倒的倾向’这个，在汽车急剧刹车前，相对于汽车而言，乘客是静止的，在汽车急剧刹车时，乘客突然向前倾，这就是说，以汽车为参考系统，乘客由静止而突然向前倾，并不保持其静止状态，并不表现出惯性”（13）。这个条件就是：物体要表现出惯性，它必须处于惯性参考系中。而“事物的存在顽强地延续维持不变，无论运动是快是慢抑或停止。”（14）也只在惯性系中才成立。在研究物体的运动学与动力学问题时，惯性系总有着特殊的地位。可是，这个特殊地位的存在并不单单是人类抽象理性的功劳，并不是人类贪懒和间集化的一个报应，惯性系的存在有其形而上的基础：之美的呈现及人对自然之美呈现体认的同一性。如果没有了存在的时间均匀性与空间对称性，我们选取的相对于地面作匀速直线运动的参考系对研究动力学问题而言也就将成为一个畸形的怪胎。惯性系不仅在上向人类提供了联系物体的相互作用与相对运动的便利方式，其更根本的是它使人与存在的关系成为审美性的。惯性定律给我们的启示是：存在是美的。而惯性系则是自然对人的一个馈赠。也因而，我们应当从审美的视角来看待惯性，而不应当将它看成一个恶魔或一件便宜货。
所有的老师都要求学生不要把惯性与惯性定律混为一谈，可是当我们的老师用动力学的观点来看待惯性——也就是说，把惯性与牛顿第二定律混为一谈的时候，对学生的这一期望是合适的吗？其实这是一个误区：当教完一些物的基本概念与以后，就要求学生用它们解释自然现象。事实上，物理学中有些基本概念与规律不是要求我们去解释自然现象，它没有这个功能，它只是告诉我们要去感受些什么，它提供给我们的不是一种推理的方式，而是一个判断的原则 ：它促成我们的判断更接近于自然之美的呈现。
三、惯性定律与牛顿第二定律的关系
当物体所受的合外力为零时，从牛顿第二定律可知物体处于静止状态或作匀速直线运动。可是，仅依据这一点却不能认为牛顿第一定律是牛顿第二定律的一个特例。因为这两个定律的论述对象其实是不一样的。牛顿第二定律的研究对象是一个物体，而牛顿第一定律论述的是整个存在的性质。惯性——这个任何物体均具有的性质其实不是我们的个别研究对象所具有的性质，因为这个“任何物体”，包括了天地间的万物，而万物的总称（15）即是宇宙：“四方上下曰宇，古往今来曰宙”。也即任何个别的物体都不可能无条件地具有惯性：惯性是存在的特性，是存在着的时空的特性，是宇宙的特性。
其次，牛顿第二定律是关于个别物体因果性的规律，而牛顿第一定律却与个别物体的因果性无关，它是存在之状态的表述，它的表述是与具体的特定的时间无关的、瞬时性的。正是这种非时间性（16）构成了牛顿力学的本质特征。也正是牛顿第一定律所成立的时间均匀性与空间对称性构成了惯性系的特殊地位，从而使我们可以在牛顿第二定律的意义上来研究物体的动力学关系。因为毫无疑问，物体的运动性质和规律与采用怎样的空间和时间来度量有着密切的关系（17）。由此可见，不仅牛顿第一定律不是牛顿第二定律和特例，恰恰相反，现行的动力学规律正是牛顿第一定律所揭示的存在之性在具体的个体事物上的展现。惯性定律比牛顿第二定律具有更强的基础性。也就是说，正是惯性现象，构成了牛顿动力学所以成立的操作平台。由于物体在不受外力作用下保持其速度不变，因而物体运动速度的变化才跟物体的受力相关。
最后，牛顿把惯性定律放在三个运动定律的首位也是与其对自然的信仰因素有关的。因为在文艺复兴之前的绝大部分思想家继承了亚里士多德关于物体运动内在决定论的观点。但在牛顿看来，基本的物质粒子完全是惰性的，没有任何自发的运动，而电、磁、光这些‘非物质’的力量则成为神在自然中的行动的载体（18）。也就是说，惯性定律内隐含着牛顿否定亚里士多德运动观的内在目的论从而建立新力学的形而上基础。
四、惯性与具体物体的质量无关
从上面的讨论可以看出：“质量是物体惯性大小的量度”这个论题，在几个角度去看都是错误的。第一，质量不是物体惯性大小的量度。个别对象的质量与其所揭示的惯性毫无关联。因为这两者从数量上来看是一对无穷大的关系，从上来看是个体与存在的关系，在它们之间，人类的理性不可能找到逻辑上的因果链。第二，“物体（的）惯性”这样的说法缺乏依据，因为惯性不是物体的性质。物体只是作为惯性的表现者而存在的。第三，“惯性（的）大小”这样的说法也缺乏依据，因为惯性没有大小，惯性只是存在的一种表达方式，一种特定状态的显现。第四，既然惯性并无大小，我们也不可去进行量度，事实上，任何一本教科书上也没有指出惯性与质量的函数关系，因为这一函数关系并不存在，它只是人们的一个虚假的逻辑推测，谁也不能证明质量与惯性成正比或不成正比 ，更不能得出它们之间的比例系数，因为这些关系均是虚假的。因而，物界流传的物体的惯性等于它的质量（19）只是人们一个随心所欲的错误言说。
由于物体质量与惯性无关，所以，将牛顿第二定律中的质量称为惯性质量就是不当的，质量的确对物体运动状态的改变有一种象力一样的阻抗作用，质量在改变物体运动的状态上而言似乎有一种“消解”、“抗拒”力的性质。因而作者认为可将现行的“惯性质量”改称为物体的“抗性质量”。正如牛顿所说：“物体只有当有其他力作用于它，或者要改变它的状态时，才会产生这种力。这种力的作用既可以看做是抵抗力，也可以看做是推斥力。（20）”因为质量与物体运动状态的变化快慢有关，它事实上具有动力学特征，当一个物体的质量大时，它对运动状态改变的阻抗能力就越大。
从逻辑上而言，我们只有将惯性从物质的内在因素中解除出来，才能完全地克服牛顿的机械论观与牛顿第一运动定律之间存在着的深刻矛盾。也就是说，这样才能使牛顿第一定律恰如其分地建立在由文艺复兴所形成的机械论而不是亚里士多德的目的论的形而上学基础之上。
五、惯性定律的表述方式
牛顿第一定律是动力学定律的基础，但它本身并不表征物体的某种动力学性质，它是关于人类体认自然之美、自然之和谐的陈述。据于上面的论述，对牛顿第一定律的陈述方式作以下的要求是并不过分的：反映时间的均匀性，空间的对称性，及自然之美对人的呈现。可是，现行的许多教科书中对牛顿第一定律的陈述是很不一致的。当然，这种不一致性用老眼光来看是无伤大雅的，但以今天的眼光来看，这种差异性就成为值得商讨的了。
例如：一个物体，如果没有受到其他物体的作用，它就保持自己的静止状态或匀速直线运动状态（21）。这样的陈述可能离惯性定律的本义较远，因为这一陈述的方式是在动力学的维度上来进行的，陈述的对象是“一个物体”。这和牛顿第二定律的研究对象是一致的，这样方式的陈述毫无疑问地可以把惯性定律认为是牛顿第二定律的一个特例，因为“如果没有”这几个字就表达了陈述事件的某种特殊性。
另外一种常见的陈述方式是：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。（22）这样一种表述比前一种完整多了，它几乎就是牛顿的原义，但这里的“一切物体”应当换成“任何物体”（23）。因为在此论述中的“任何物体”实际上是对一切物体的否定，而“有外力”应当换成“其它物体的作用”，因为惯性定律是不涉及力的，操作意义上的力这个动力学的基本概念与惯性无关。
作者试着这样来陈述惯性定律：存在着的宇宙有这样一种性质，它使任何物体在没有受到其它物体作用的时候总保持静止状态或匀速直线运动状态。或许，这样的一种陈述方式是较明晰的陈述方式，它强调了惯性与惯性的表现者（个别研究对象）的严格区分，这个陈述的主语是性质，这样的陈述才可称为关于“惯性”的定律。而我们也应当将惯性定义为：使物体保持静止或匀速直线运动状态的性质。 六、人们误解惯性的来源人们在惯性上所犯的错误认识，既来源于上人们对于和惯性概念相联结的力与物体运动关系的一贯表达方式，又来源于牛顿的表述与对于牛顿力学理解上的偏差。“事实上，牛顿似乎注定要被人误解”。（24）在牛顿所陈述的第一定律中：（25）“每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它改变那个状态（Every body persists it's state of rest or of uniform motion in a straight line until it is compelled by some force to change that state.）”。牛顿对“除非有外力作用于它迫使它”作出了对应的理解，即认为保持其静止或匀速直线运动状态的物体是由内部原因的，这个内部原因即称为惯性：“vis insita，或物质固有的力，是一种起抵抗作用的力，它存在于每一个物体当中，大小与该物体相当，并使之保持其现有的状态，或是静止，或是匀速直线运动”。（26）在牛顿，作出这样的判断是无可厚非的：“一个物体，由于其物质的惰性（现称惯性——译者注），要改变它的静止或运动状态就极其不易。因此这种固有的力可以用一个最确切的名称‘惯性’或‘惰性力’来称它。”（27）因为在牛顿时代是无法判定惯性的本质的。从牛顿的这一段话我们大致可以判断出，他几乎是在第二定律的意义上来领会惯性的，因而他才认为（惯性）大小与该物体相当。这或许就是流传至今的惯性的大小等于物体质量的原义。可是，牛顿的这一段蕴意丰富的思想却是来源于西方古代所流行的关于事物本身的內在决定性的观点：“整个物体的广延性、坚硬性、不可入性、能动性和惯性，来源于其各个部分的广延性、坚硬性、不可入性、能动性和惯性；因此，我们可以下结论说，一切物体的最小微粒也具有广延性、坚硬性、不可入性、能动性，并且赋有其固有的惯性，这是整个哲学的基础（28）”。
这一观点可以追踪到亚里士多德，它了包括牛顿在内的一大批家的思维方式。在牛顿之前的开普勒也就惯性说过（29）：“如果天体不赋有类似于重量的惯性，要使它运动就不需要力，最小的动力就足以使它有无限的速度，但由于天体公转需要用一定的时间，有的长些，有的短些，因此非常明显，物质必须具有能说明这些差别的惯性”；“惯性，或对运动的阻力是物质的一种特性，在给定的体积中，物质的量愈多，惯性愈强。”由此我们也可见，在开普勒那里已经有惯性等同于力与质量的观点了。
从上面的论述可以看出，人们对于惯性的错误理解主要是由历史原因所造成的，这个原因主要在于：人们普遍地认为事物外在的状态是有其内在原因的。当人们在物体之外找不到令人信服的可感觉的原因的时候，就只能把它归因于物体的内部。牛顿将惯性归因于物体的内部，把惯性看成阻碍物体改变其静止或匀速直线运动状况的内力，他假设的惯性非常接近布里丹的冲力——即：惯性作为一个内力，在缺乏外部动力或阻力时，会引起无定限的直线运动（30），另一方面，牛顿的惯性观又来自于他对古希腊关于具有灵魂观念的继承，我们可以从他的著作中强烈地感到，他具有自然界的物体与人一样会在受到作用时产生反作用这样一种强烈的思想意向。显然，在人看来，自然界的物体是与人具有本质区别的。
在牛顿以后，欧拉则将牛顿关于vis insita 的比较隐晦的注释作了同牛顿之前的有些科学家的直感一样的有一定危险性的表白：“惯性是物体保持静止或保持匀速直线运动的能力．．．．．惯性的大小与质量成正比例。”（31） 可是现在看来，这种危险性中是带有错误的。从那以后到现在，人们对于惯性的理解基本上是庸俗性质的。随着现代物的，特别是诺特尔之后，我们可以认识到使物体保持静止状态或匀速直线运动状态的原因并不在物体的内部、也跟力无关，而是由于物体所处的时间均匀性与空间对称性。也就是说，我们必须对牛顿意义上的惯性作出更开放性与发展性的理解，牛顿的vis insita（惯性是一个消极的本原，靠此本原物体维持它们的运动或静止，按照作用力的大小接受运动，按照受到阻力的大小抵制运动。（32））可以深入为两个层面的结论：在没有外力的作用下，一个物体，它能保持静止状态或匀速直线运动是由于惯性，即时间均匀性与空间对称性；在同样大小的力的作用下，一个物体它的运动状态较难改变是由于它的动力学特性——抗性，即它的质量较大。
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牛顿第一定律教案 篇4
关键词：国外；力学概念；前概念
中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2007)8(S)-0003-4
1 引言
物理概念是客观事实的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映，是物理事实的抽象。物理概念是整个物理学知识体系的基石，而“牛顿力学是整个物理学的基础，因此学生对于牛顿力学概念的理解是学好物理的关键”。上世纪二十年代，皮亚杰开创了对儿童物理概念研究的先河，他偏重于研究年幼的孩子对于力和运动概念的理解。更多的物理教育研究者从八十年代开始了大规模对学生物理概念的研究，其内容涉及到力、运动、能量、光、热、温度及简单电路等，但其中大部分研究集中在力学领域。现就国外学生力学概念的研究内容和结果进行分析，以期对我国物理概念教学及改革有一定的启示。
2 国外学生力学概念研究的内容
2.1 运动学概念研究
运动学体系是整个牛顿力学的基础，而时间、位移、速度、加速度又是运动学体系的基本概念，因此学生对于这几个概念的理解会直接影响其牛顿力学的学习。华盛顿大学教育研究小组从80年代初就开始研究学生对于运动学概念的理解。他们主要通过实验创设问题情景，然后结合访谈考察学生对于加速度、速度概念的理解。首先，选取一些学生，他们都学过速度、加速度的概念，并都知道速度、加速度的公式；其次，让他们观察实验：将两个相同的小球放在两个倾斜度相同的“U”槽轨道上(注：两个轨道的形状并不一样，从而导致两个小球具有不同的加速度)，球A放在球B后几厘米处，先无初速释放球A，当球A向下运动了几厘米后(仍处于球B后方)，会碰到一个触动开关，从而无初速释放球B，两个球会同时到达轨道底端并具有相同的末速度；最后，对学生进行访谈：两个小球加速度大小是否相同。研究发现学生存在着很多关于运动学概念的错误理解，可归结为以下三种类型：(1)思维定势，有学生认为两个小球具有相同的加速度，“因为两个轨道具有相同的倾斜度，所以两个球的加速度相同。”这主要是因为学生经过长期常规斜面问题训练形成了思维定势，从而忽略了“U”槽轨道的特殊形状。(2)速度与加速度不分，有学生认为A、B两个球或许具有相同的加速度，“因为相对于球B，球A在较长的时间内，运动了较长的距离”；也有学生认为球A具有较大的加速度，“从球B开始运动算起，在相同的时间内，球A的运动距离更长”；(3)缺乏公式运用能力，有学生认为球B具有较大的加速度，“因为球B在较短位移内，其速度变化和球A是一样的”，这些学生对加速度有一定的感性认识，但不会应用所学加速度公式进行推理。
2.2 牛顿运动定律的研究
牛顿第一、第二、第三定律构成的牛顿运动定律，毫无疑问是整个牛顿力学体系的核心。研究者也非常关注对牛顿运动定律的考察。Halloun和Hestenes(1985)在前人研究的基础上设计了力的诊断测试量表(Mechanics Diagnostictest，简称MD)，其主要作用是全面、系统的考察学生对牛顿力学概念的定性理解，并不涉及公式运算。早期的MD是开放性问题，要求学生写出答案及其原因，然后研究者对错误答案及原因进行总结、归纳、分类，并最终使其成为MD选择题的一些选项，其实这些错误答案是学生前概念最真实的反映。所谓前概念(preconception)是指学生长期日常生活经验的积累以及辨别式学习而形成的对事物非本质的认识，也称相异概念或大众观念。Hestenes等人于1992年推出了MD的改进版：力的概念调查表(Force Concept lnventory，・简称FCl)，FCI共有29个题目(新版本有30题)，每个题目5个选项，其中有16个题目针对牛顿运动定律。Thornton和Sokoloff于1997年设计了力和运动概念评价量表(The Force And Motion Conceputal Evalution，简称FMCE)，相对于FCI，FMCE有几点变化：增加了题目，FMCE共有43个题目，其中有36个题目针对牛顿运动定律；每个题目有8个选项，减低了误选的可能性；增加了考察方式，有些题目以s-t、v-t、a-t图像方式呈现。
2.2.1 牛顿第一定律的研究
Clement于1982设计了三个问题，分别是：单摆问题、抛硬币问题、火箭轨迹问题，这些题目经过修改后被FCI所采用。它们只是定量地考察学生，并不涉及公式运用及数学计算。其中抛硬币问题极具代表性，实验要求被试在忽略空气阻力条件下，用箭头表示硬币被抛向空中时，上升和下落阶段各自的受力情况。研究发现“运动意味着力”这一与牛顿第一定律相矛盾的前概念广泛存在于学生头脑中，其主要表现集中在以下两个方面：(1)运动方向上肯定有力的存在，有些学生认为上抛的硬币受到两个力：一个是重力，一个是抛力。上抛时抛力大于重力，下降时重力大于抛力；(2)随着速度的变化，力是会“耗散”或者“恢复”的，有些学生认为力开始作用的瞬间很“强”(当它离开手时)，它随着球的上升而逐渐减弱，运动停止时(瞬间)，力也就消失了，然后引力使球降落。
2.2.2 牛顿第二定律的研究
FCI对于牛顿第二定律的考察，不是局限于学生对于公式F=ma的记忆，更重要的是考察学生在具体情景中的应用。如：一女士以恒定的的力推一个箱子，箱子以恒定速率V在水平地板上运动，当该女士用两倍的水平推力推箱子，则箱子会怎样运动？在测试中发现很多学生认为箱子将会以2V的速率运动，即速度和施加的力成正比。这主要是由日常生活经验造成的，即“越用力推物体，物体就走得越快”，使得学生特别容易混淆速度与加速度的概念。
2.2.3 牛顿第三定律的研究
FCI和FMCE的量表中有很多碰撞类的题目考察学生对于牛顿第三定律的理解，可归结为以下三种类型：第一、一辆大卡车和一辆小汽车相互碰撞，它们之间相互作用力的大小；第二、小汽车推着熄火的大卡车向前加速或匀速运动时，它们之间相互作用力的大小；第三、两个质量不一样的人坐在椅子上，然后各自朝对方的椅子用力，在推椅子的动作进行及两学生仍然接触期间，它们之间相互作用力的大小。学生的错误理解可以总结和归纳为两个方面：(1) “冲突原则”，学生把相互作用力看成是“两个相反力的斗争”，且越有力的物体施加的力越大，这里“越有力”可以看作“体积越大”“质量越大”或者“更积极”。(2)力的叠加与作用力、反作用力相混淆，尤其在第二类题目中，很多学生认为：“小汽车推着大卡车加速运动，那么小汽车对大客车施加的力肯定大于大卡车对小汽车施加的力。”
2.3 运动的合成与分解
平抛运动是牛顿力学中最重要的一种曲线运动模型，对平抛运动的研究方法是运动合成与分解的典范，因此通过对学生平抛运动理解的考察，可以了解学生对于运动的合成与分解的掌握情况。FCI中考察学生对于平抛运动理解的题目主要有两类：
(1)常规平抛运动：不考虑空气阻力，正在飞行中的飞机丢下物体的运动轨迹。学生错误理解主要有以下两个方面：(1)参考系选择错误，有些学生选择了从飞机上观察小球运动；(2)没有建立惯性的概念，有些学生认为小球离开飞机就没有水平速度了。
(2)类平抛运动，如下题：
一枚火箭在外部空间由“a”点横向漂移至“b”点。该火箭不受任何外力作用。在“b”点时，火箭的引擎发动并产生一恒定的推力(作用在火箭上的推力)，方向与直线“ab”成直角。该恒定推力一直保持到空间中一位置“c”(图1)。问下列哪一路径最能表示火箭在“b”与“c”间的路径？(图2)
类平抛运动的理解需要以平抛运动作为基础，因此学生的错误率比较高。选择错误答案的原因主要集中在以下几个方面：(1)A选项，力具有“耗散性”：力刚开始很大，则物体的运动轨迹就靠近力的方向，随着力逐渐减小，物体的运动就偏向水平方向；(2)B选项，“最后的力决定运动”：物体只受到一个力的作用，那么物体就会沿着所受力方向运动；(3)C选项，没有区分“持续力”和“瞬时力”；(3)D选项，“力具有延迟性”：施加的恒定推力会在水平运动一段时间后才显现出来。
2.4 重力概念的研究
Watts（1982)通过访谈一些中学生，发现了学生关于重力的几个错误概念：(1)重力的作用需要媒介；(2)没有空气的地方就没有重力：(3)重力随着高度增加而增加；(4)重力从物体下落时开始对物体作用，当物体静止在地面上时，就没有重力；(5)物体越重下落越快。研究表明随着年龄的增大，知识的积累，学生持有这些错误概念的比例不断降低。然而这些错误概念真的已经被转变了，还只是被隐藏起来了？FCI中为了考察学生对于“忽略空气阻力，轻重物体下落速度一样”这一概念的理解，重现了伽利略的比萨斜塔实验：“忽略空气阻力情况下，轻重两个小球从同样高度落下，是否同时落地？”，同时从不同的角度提出了新的问题：“让这两个小球以同样的速度从水平桌面上滚下去，它们落地点离桌底的距离之间关系”。两个问题的正确率有着天壤之别，第一个题目正确率非常高，而在第二个题目中，很多学生认为重的物体落地点离桌底远，甚至有学生认为其距离与质量成正比。看来，“物体越重下落越快”这个自亚里士多德开始数千年被人们信奉为“真理”的误解，今天仍然普遍隐藏在学生的头脑中。
3 国外学生力学概念研究的结果
3.1 前概念、相异概念广泛存在于学生头脑中，并严重影响物理概念的学习
大量研究发现，学生或许可以熟记许多科学名词、科学事实、科学理论等，但是对于这些名词、事实、理论和概念并没有真正理解，这是由于学生在学习物理之前，通过日常生活的种种渠道和自身的实践，对客观世界中的各种实物己形成了前概念。Heuvelen(1991)认为“拥有前概念的学生，他们看到的只是弹簧、绳子、斜面、滑车等问题中的实物，而不能像物理学家那样看到问题背后的物理概念。由于不能对问题进行定量的分析，更不用说把物理过程用数学公式表达出来，学生只好不停的使用公式”。Hestenes、Wells(1992)等人也意识到“学生很多关于力学方面的前概念与牛顿力学概念是相矛盾的，这些前概念的存在使得学生听不懂物理课，从而导致他们强行记忆一些没有关联的片段，做着没有意义的作业，所以很多学生有厌学情绪”。
3.2 前概念与科学概念并存于学生的头脑中
有研究者做了这样的实验：一个有点像干冰气垫器的那样圆盘，在几乎是无摩擦的玻璃台面上不停的运动。通过软管打进空气，打进空气的数量和方向可由键盘控制。然后要求学生用这种盘――桌――管装置模拟电子游戏机进行比赛：“使圆盘在桌面上以稳定的速度沿直线运动――圆盘出发后不加速也不减速”。测试的对象是即将进入名牌大学就读的优秀高中毕业生。很多被测在实验中为了维持圆盘的运动都在不停的按着键盘，但在游戏后的访谈中发现大部分的被试都知道圆盘的运动不需要力的维持。这说明学生解决问题存在两种水平，在直觉判断上使用错误概念，而在逻辑推理水平上使用正确的概念体系，即在学生头脑中存在两套系统并存的情况。Goldberg和Bendall(1995)认为：“传统教学中，学生都把记忆性的、以公式为中心的问题解决方法作为学习物理的正统工具，他们缺少面对陌生环境利用所学的概念和定律进行推理的能力。因为他们的知识只是由零散的、少量的事实和公式组成，当遇到陌生的环境时，学生外显的还是他们的前概念。”
3.3 传统教学很难转变学生的前概念，需要新的教学策略
Hestenes、Wells等(1992)对传统讲座教学方式下1500多名中学生以及500多名大学生进行了FCI测试，发现学生前后测试的分数提高并不明显，同时还发现：前概念的转变与学生的数学基础没有明显关系，所在测试班级教师水平(达到合格以上)与测试的结果也没有必然的联系。有研究甚至发现，传统教学之前有34．9％的学生认为恒定的力产生恒定的速度，但是学完课程后这部分的人数却增加到了59．9％，也就是说，传统教学没有帮助学生理解概念，反而起了反作用。
国外研究者认为：“尽管教育者目前对于学生在各个学术和非学术领域所拥有的前概念知识以及怎样在教学中与这些知识互动已经有了很多好的想法，但是，研究表明这些已有的概念在传统教学中很难发生改变。这些研究发现向我们揭示了一个令人失望的局面，也就是说教学常常不能使学生放弃原有的知识、观念而形成我们期望他们具备的知识。这一结果对教学的理论和实践都提出了挑战，促进我们重新评定教学目标、设计新的教学策略”。有研究发现：“体验到认知冲突是影响概念转变的重要因素”，因此有效的概念教学必须要让学生产生认知冲突：首先创设一定的情境，使学生对一些现象所持的观念明朗化，然后直接对其进行挑战，从而引起认知冲突，解决冲突的尝试为随后的学习提供前提。同时有研究者认为：“当力学的精确数学表达式被看作教学唯一重点时，公式的死记硬背式学习就常常取代了对概念的理解，最好的预防措施就是教没有数学的物理，至少在教学过程的初期应这样”。
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牛顿第一定律教案 篇5
关键词： 惯性；存在；时间；空间
惯性是经典力学中的一个基本概念，同时它又是人们日常生活中的一个基础性观念，并且惯性问题也是经常被物理学界讨论的一个话题（1）。可是，尽管经典力学经过了漫长的发展时期，大部分的物理教师在此问题上还存在着很多的混乱性（2），本文试从几个方面对惯性进行了讨论，望引起大家的共识。
一、惯性的意义
大家知道，惯性是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质（3）。一个物体，只要不受外力作用，原来静止的就会一直静止下去，而原来运动的则会一直作匀速直线运动。这里的问题在于：惯性是否是物体的性质？依据牛顿第一运动定律，任何物体均具有惯性。因而，看来惯性不是被研究物体的性质，因为这一性质是一切物体所具有的，也就是说它与物体的个别特征无关。因而，惯性只能是存在的一个特征，是被研究对象周围的环境在此对象上的表现。换一句话说，它是存在于物体周围的一种条件，一种约束。
二十世纪初，德国数学家诺特尔（4）证明了：空间平移对称性导致动量守恒、空间转动对称性导致角动量守恒、而时间均匀性导致能量守恒。事实上，物体的惯性是时间均匀性与空间对称性的必然结果。因而它与个别的特殊研究对象无关。惯性不是个别存在物的性质，个别存在物只是惯性的显现者，惯性的本质与个别存在物的特性无关。从而我们就不能用反映个别存在物性质的量（例如质量）来测度惯性。因为惯性作为存在的一种显现，并无大小可言，它只是存在之状态的表达。
二、惯性与物体运动状态变化的难易程度无关
通常认为质量是物体惯性大小的量度是据于这样的理由：质量大的物体在相同的力作用下其运动状态不容易改变。这是由牛顿第二定律所得到的基本结论。而事实上物体运动状态是否变化，物体运动状态的变化是难还是容易是与惯性无关的。惯性所揭示出的物体之性质不在于其使（或抗拒）物体运动状态的改变或代表改变的难易程度的能力，而在于它的保持某种特定状态（静止或匀速直线运动）的本领：在最相似的物之间，错觉说着最巧妙的谎；最小的罅隙是最难度（5）。因而惯性与物体的质量无关。倘若惯性与物体的质量有关的话，则我们也可以说力与惯性也有关系。因为对于相同质量的物体而言，力越小其运动状态就越难改变。因而，也即力越小物体的惯性越大。事实上，在惯性概念发展的最初时期，牛顿就将惯性与力进行等价的思考，当然现在大家知道牛顿的把惯性等同于力的思想是错的了。如果要说质量与惯性确有联系的话，作者以为也只能从这样的一个视角来看：惯性是由其表现物体周围存在着的与时空有关的天体质量分布情况决定着的性质。这是因为，根据广义相对论，空间的性质是由天体质量的分布所决定的。至于时间，自从奥古斯丁（6）提出“什么是时间？”以来，人们还没有认清它的真面目，也因而从更深的层次上而言，人们只认识到什么是惯性而还没有搞清惯性是什么。
惯性不是一种由个别物体自身所具备的原因（诚然，所有物体均会表现出惯性），它不是我们的一种吃力的、需要支撑的、痛苦感的反映，事实上，它是存在之美感的绽开。因而“惯性是物体对任何改变其运动状态的外来作用的阻抗的性质”（7）这样一种说法就是不当的。因为这一注释还是从对牛顿第二定律的基本分析而来的，在这一注释中已经隐藏了牛顿第二定律及对惯性与物体质量等价的认同感。其实，惯性是一种令人十分安全的、舒适的、和谐的存在之性质，它使物体的存在行为非常简单，而人们也往往由于常见到这种存在的简单性而忽视了它的深层含义。静止的永远静止，运动的永远作匀速直线运动，惯性就是将存在如此单调而重复地显现在人们眼前。凡是背离了这两种物体的存在情况而用惯性去解释其存在原因的，作者以为均属一种不当的诡辩行为。可是这种诡辩行为不仅麻木了人的脑神经而且充斥着各种各样的教科书（8），我们来看一些下面的例子。
例1．惯性也有不利的一面，高速行驶的车辆因惯性而不能及时制动常造成交通事故。所以，在城市的市区，对机动车的车速都有一定的限制，以利于行车安全。（9）
在这里，不能及时制动是由于惯性还是由于制动力不够大？略作思考，读者就可判断出是由于后者。将惯性看成一种破坏力是十分荒唐的。而发生交通事故的真正原因是，由于车辆质量较大，而相应的制动力在如此质量的物体上所产生的加速度很小，不能使车辆很快地减速，从而在短时间内停下来。倘若对于质量较大的车辆来说制动力也允许更大，那么作者认为还是可以在一定的时间内制动车辆的。
并且，这个例子中的“高速行驶的车辆”及“对机动车的车速都有一定的限制”的字句很容易使学生认为惯性和物体的运动速度有关。这对于初学者来说是一个很大的误导。
例2．把斧柄的一端在水泥地面上撞击几下，斧头就牢牢地套在斧柄上了，这是什么缘故呢？（10）
通常标准答案是这样的：开始斧头和斧柄同时向下运动，当斧柄遇到障碍物时突然停止，而斧头由于惯性保持原来的运动状态，这样斧头就牢牢地套在斧柄上了。
事实上，斧头在斧柄上套牢是由于斧头克服了阻力相对于斧柄运动了一段位移，而惯性不是克服某种阻力使斧头运动的原因。在此问题中的一个效果是斧头相对于斧柄产生了某种（克服一定力的）运动，因而我们必须以斧柄为参照系来考察此种运动的实质。当以斧柄为参照时，实际上斧柄在撞击的过程中是一个非惯性系，它相对于惯性系有一个向上的加速度。因而斧头在此参照系中必受到一个向下的“惯性力”，正是此力与斧头的重力克服了斧头与斧柄之间的弹力与摩擦阻力使斧头相对于斧柄前进了一段位移，从而使斧头在斧柄上套牢。如果一定要以地面为参照系来看斧头在斧柄上套牢的问题，那么可以这样认为：虽然斧头在斧柄上向下套牢的过程中没有受到除重力以外的向下的另外力，但相对于地面而言斧头具有一定的动能和重力势能，正是这个能量克服了阻力作功从而转化为内能。所以从效果上看，一是斧头相对于斧柄向下移动了一段位移，二是斧头与斧柄的接触面上在发热。
如果仅从动力学的角度来看，斧头在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小与作用时间（或所通过的位移）所共同决定的，也就是说它和斧头相对于斧柄的动能或动量变化有关。斧柄在“水泥地面”上“撞击”这两个条件只是使斧柄产生了相对于水泥地面的较大的动量变化率，从而也使斧头具有了相对于斧柄的惯性力。但是，虽然这个惯性力构成了斧头套牢在斧柄上的直接原因，可严格地说，斧头在斧柄上套得牢不牢的原因还和斧头的重力及斧柄的弹性和斧头与斧柄的摩擦力大小均有关系。并且斧头在斧柄上套得牢不牢和作用时间也大有关系，因而，撞击“几下”也是一个非常重要的条件。
例3．小车上竖直放置一个木块，让木块随小车沿着桌面向右运动，当小车被档板制动时，车上的木块向右倾倒。这是怎么回事呢？（11）
教科书上的答案是这样的：小车突然停止的时候，由于木块和小车之间的摩擦，木块的底部也随着停止，可是木块的上部由于惯性要保持原来的运动状态，所以木块向右倾倒。
事实上，本例中小车上木块的倾倒是由于力矩作用的缘故。若以地面为参照物，小车对木块的摩擦力对木块的重心而言有一个顺时针旋转的力矩，从而木块向右倾倒。若以小车为参照物，小车被档板制动时已是一个非惯性系，作用在木块（重心）上的“惯性力”对木块的底端也产生一个使木块作顺时针旋转的力矩。
需要指出的是，在上述例2和例3中，斧头在斧柄上套牢和木块在小车上倾倒已是一个涉及物体在非惯性系中的动力学的问题。其中例2是非惯性系中的质点动力学问题，而例3则是非惯性系中的刚体动力学问题。可是，在非惯性系中，我们通常意义上所论述的牛顿第一定律已不成立，从而也失去了此两例的代表意义。也就是说，这两个例子不仅是不准确的解释而且是不适当的例子。在涉及惯性的问题上我们必须分别那些是属于惯性现象，而那些则不属于惯性现象——即为动力学现象。牛顿的例子，毫无疑问是正确的（12），但我们许多的物理学工作者却将惯性对事物的解释范围作了相当随意而并不恰当的扩展或扭曲。其实在讲述惯性时，用不着举更新鲜的特别例子，倒是需指出惯性使我们对事物常态的存在方式太熟视无睹了。这里问题的关键在于，惯性不是使物体改变运动状态（使火车制动、使斧头套牢在斧柄上、使小木块倾倒）的原因。严格地说，这些原因和物体的惯性无关，只和力有关，而至于火车制动得及时不及时，斧头套在斧柄上牢不牢，小木块倾倒得快不快，则不仅与力有关，还和物体的质量、形体、初速度有关。但即使如此地与质量和初速有关却也与惯性无关。
惯性，这个我们通常认为是由物体内在因素决定的性质，其实是物体存在方式的一种条件性：“试取汽车为参考系统来研究‘当汽车急剧刹车的时候，车中乘客有向前倾倒的倾向’这个问题，在汽车急剧刹车前，相对于汽车而言，乘客是静止的，在汽车急剧刹车时，乘客突然向前倾，这就是说，以汽车为参考系统，乘客由静止而突然向前倾，并不保持其静止状态，并不表现出惯性”（13）。这个条件就是：物体要表现出惯性，它必须处于惯性参考系中。而“事物的存在顽强地延续维持不变，无论运动是快是慢抑或停止。”（14）也只在惯性系中才成立。在研究物体的运动学与动力学问题时，惯性系总有着特殊的地位。可是，这个特殊地位的存在并不单单是人类抽象理性的功劳，并不是人类贪懒和间集化的一个报应，惯性系的存在有其形而上的基础：自然之美的呈现及人对自然之美呈现体认的同一性。如果没有了存在的时间均匀性与空间对称性，我们选取的相对于地面作匀速直线运动的参考系对研究动力学问题而言也就将成为一个畸形的怪胎。惯性系不仅在计算上向人类提供了联系物体的相互作用与相对运动的便利方式，其更根本的是它使人与存在的关系成为审美性的。惯性定律给我们的启示是：存在是美的。而惯性系则是自然对人的一个馈赠。也因而，我们应当从审美的视角来看待惯性，而不应当将它看成一个恶魔或一件便宜货。
所有的老师都要求学生不要把惯性与惯性定律混为一谈，可是当我们的老师用动力学的观点来看待惯性——也就是说，把惯性与牛顿第二定律混为一谈的时候，对学生的这一期望是合适的吗？其实这是一个误区：当教完一些物理学的基本概念与规律以后，就要求学生用它们解释自然现象。事实上，物理学中有些基本概念与规律不是要求我们去解释自然现象，它没有这个功能，它只是告诉我们要去感受些什么，它提供给我们的不是一种推理的方式，而是一个判断的原则 ：它促成我们的判断更接近于自然之美的呈现。
三、惯性定律与牛顿第二定律的关系
当物体所受的合外力为零时，从牛顿第二定律可知物体处于静止状态或作匀速直线运动。可是，仅依据这一点却不能认为牛顿第一定律是牛顿第二定律的一个特例。因为这两个定律的论述对象其实是不一样的。牛顿第二定律的研究对象是一个物体，而牛顿第一定律论述的是整个存在的性质。惯性——这个任何物体均具有的性质其实不是我们的个别研究对象所具有的性质，因为这个“任何物体”，包括了天地间的万物，而万物的总称（15）即是宇宙：“四方上下曰宇，古往今来曰宙”。也即任何个别的物体都不可能无条件地具有惯性：惯性是存在的特性，是存在着的时空的特性，是宇宙的特性。
其次，牛顿第二定律是关于个别物体因果性的规律，而牛顿第一定律却与个别物体的因果性无关，它是存在之状态的表述，它的表述是与具体的特定的时间无关的、瞬时性的。正是这种非时间性（16）构成了牛顿力学的本质特征。也正是牛顿第一定律所成立的时间均匀性与空间对称性构成了惯性系的特殊地位，从而使我们可以在牛顿第二定律的意义上来研究物体的动力学关系。因为毫无疑问，物体的运动性质和规律与采用怎样的空间和时间来度量有着密切的关系（17）。由此可见，不仅牛顿第一定律不是牛顿第二定律和特例，恰恰相反，现行的动力学规律正是牛顿第一定律所揭示的存在之性在具体的个体事物上的展现。惯性定律比牛顿第二定律具有更强的基础性。也就是说，正是惯性现象，构成了牛顿动力学所以成立的操作平台。由于物体在不受外力作用下保持其速度不变，因而物体运动速度的变化才跟物体的受力相关。
最后，牛顿把惯性定律放在三个运动定律的首位也是与其对自然的信仰因素有关的。因为在文艺复兴之前的绝大部分思想家继承了亚里士多德关于物体运动内在决定论的观点。但在牛顿看来，基本的物质粒子完全是惰性的，没有任何自发的运动，而电、磁、光这些‘非物质’的力量则成为神在自然中的行动的载体（18）。也就是说，惯性定律内隐含着牛顿否定亚里士多德运动观的内在目的论从而建立新力学的形而上基础。
四、惯性与具体物体的质量无关
从上面的讨论可以看出：“质量是物体惯性大小的量度”这个论题，在几个角度去看都是错误的。第一，质量不是物体惯性大小的量度。个别研究对象的质量与其所揭示的惯性毫无关联。因为这两者从数量上来看是一对无穷大的关系，从内容上来看是个体与存在的关系，在它们之间，人类的理性不可能找到逻辑上的因果链。第二，“物体（的）惯性”这样的说法缺乏依据，因为惯性不是物体的性质。物体只是作为惯性的表现者而存在的。第三，“惯性（的）大小”这样的说法也缺乏依据，因为惯性没有大小，惯性只是存在的一种表达方式，一种特定状态的显现。第四，既然惯性并无大小，我们也不可去进行量度，事实上，任何一本教科书上也没有指出惯性与质量的函数关系，因为这一函数关系并不存在，它只是人们的一个虚假的逻辑推测，谁也不能证明质量与惯性成正比或不成正比 ，更不能得出它们之间的比例系数，因为这些关系均是虚假的。因而，物理学界流传的物体的惯性等于它的质量（19）只是人们一个随心所欲的错误言说。
由于物体质量与惯性无关，所以，将牛顿第二定律中的质量称为惯性质量就是不当的，质量的确对物体运动状态的改变有一种象力一样的阻抗作用，质量在改变物体运动的状态上而言似乎有一种“消解”、“抗拒”力的性质。因而作者认为可将现行的“惯性质量”改称为物体的“抗性质量”。正如牛顿所说：“物体只有当有其他力作用于它，或者要改变它的状态时，才会产生这种力。这种力的作用既可以看做是抵抗力，也可以看做是推斥力。（20）”因为质量与物体运动状态的变化快慢有关，它事实上具有动力学特征，当一个物体的质量大时，它对运动状态改变的阻抗能力就越大。
从逻辑上而言，我们只有将惯性从物质的内在因素中解除出来，才能完全地克服牛顿时代的机械论自然观与牛顿第一运动定律之间存在着的深刻矛盾。也就是说，这样才能使牛顿第一定律恰如其分地建立在由文艺复兴所形成的机械论而不是亚里士多德的目的论的形而上学基础之上。
五、惯性定律的表述方式
牛顿第一定律是动力学定律的基础，但它本身并不表征物体的某种动力学性质，它是关于人类体认自然之美、自然之和谐的陈述。据于上面的论述，对牛顿第一定律的陈述方式作以下的要求是并不过分的：反映时间的均匀性，空间的对称性，及自然之美对人的呈现。可是，现行的许多教科书中对牛顿第一定律的陈述是很不一致的。当然，这种不一致性用老眼光来看是无伤大雅的，但以今天的眼光来看，这种差异性就成为值得商讨的了。
例如：一个物体，如果没有受到其他物体的作用，它就保持自己的静止状态或匀速直线运动状态（21）。这样的陈述可能离惯性定律的本义较远，因为这一陈述的方式是在动力学的维度上来进行的，陈述的对象是“一个物体”。这和牛顿第二定律的研究对象是一致的，这样方式的陈述毫无疑问地可以把惯性定律认为是牛顿第二定律的一个特例，因为“如果没有”这几个字就表达了陈述事件的某种特殊性。
另外一种常见的陈述方式是：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。（22）这样一种表述比前一种完整多了，它几乎就是牛顿的原义，但这里的“一切物体”应当换成“任何物体”（23）。因为在此论述中的“任何物体”实际上是对一切物体的否定，而“有外力”应当换成“其它物体的作用”，因为惯性定律是不涉及力的，操作意义上的力这个动力学的基本概念与惯性无关。
作者试着这样来陈述惯性定律：存在着的宇宙有这样一种性质，它使任何物体在没有受到其它物体作用的时候总保持静止状态或匀速直线运动状态。或许，这样的一种陈述方式是较明晰的陈述方式，它强调了惯性与惯性的表现者（个别研究对象）的严格区分，这个陈述的主语是性质，这样的陈述才可称为关于“惯性”的定律。而我们也应当将惯性定义为：使物体保持静止或匀速直线运动状态的性质。
六、人们误解惯性的来源
人们在惯性问题上所犯的错误认识，既来源于历史上人们对于和惯性概念相联结的力与物体运动关系的一贯表达方式，又来源于牛顿的表述与对于牛顿力学理解上的偏差。“事实上，牛顿似乎注定要被人误解”。（24）
在牛顿所陈述的第一定律中：（25）“每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它改变那个状态（Every body persists it's state of rest or of uniform motion in a straight line until it is
compelled by some force to change that state.）”。牛顿对“除非有外力作用于它迫使它”作出了对应的理解，即认为保持其静止或匀速直线运动状态的物体是由内部原因的，这个内部原因即称为惯性：“vis insita，或物质固有的力，是一种起抵抗作用的力，它存在于每一个物体当中，大小与该物体相当，并使之保持其现有的状态，或是静止，或是匀速直线运动”。（26）在牛顿时代，作出这样的判断是无可厚非的：“一个物体，由于其物质的惰性（现称惯性——译者注），要改变它的静止或运动状态就极其不易。因此这种固有的力可以用一个最确切的名称‘惯性’或‘惰性力’来称它。”（27）因为在牛顿时代是无法判定惯性的本质的。从牛顿的这一段话我们大致可以判断出，他几乎是在第二定律的意义上来领会惯性的，因而他才认为（惯性）大小与该？ 锾逑嗟薄U饣蛐砭褪橇鞔两竦墓咝缘拇笮〉扔谖锾逯柿康脑濉？墒牵6俚恼庖欢卧桃夥岣坏乃枷肴词抢丛从谖鞣焦糯苎餍械墓赜谑挛锉旧淼膬仍诰龆ㄐ缘墓鄣悖骸罢鑫锾宓墓阊有浴⒓嵊残浴⒉豢扇胄浴⒛芏院凸咝裕丛从谄涓鞲霾糠值墓阊有浴⒓嵊残浴⒉豢扇胄浴⒛芏院凸咝裕灰虼耍颐强梢韵陆崧鬯担磺形锾宓淖钚∥⒘R簿哂泄阊有浴⒓嵊残浴⒉豢扇胄浴⒛芏裕⑶腋秤衅涔逃械墓咝裕馐钦稣苎У幕。?8）”。
这一观点可以追踪到亚里士多德，它影响了包括牛顿在内的一大批科学家的思维方式。在牛顿之前的开普勒也就惯性说过（29）：“如果天体不赋有类似于重量的惯性，要使它运动就不需要力，最小的动力就足以使它有无限的速度，但由于天体公转需要用一定的时间，有的长些，有的短些，因此非常明显，物质必须具有能说明这些差别的惯性”；“惯性，或对运动的阻力是物质的一种特性，在给定的体积中，物质的量愈多，惯性愈强。”由此我们也可见，在开普勒那里已经有惯性等同于力与质量的观点了。
从上面的论述可以看出，人们对于惯性的错误理解主要是由历史原因所造成的，这个原因主要在于：人们普遍地认为事物外在的状态是有其内在原因的。当人们在物体之外找不到令人信服的可感觉的原因的时候，就只能把它归因于物体的内部。牛顿将惯性归因于物体的内部，把惯性看成阻碍物体改变其静止或匀速直线运动状况的内力，他假设的惯性非常接近布里丹的冲力——即：惯性作为一个内力，在缺乏外部动力或阻力时，会引起无定限的直线运动（30），另一方面，牛顿的惯性观又来自于他对古希腊关于自然具有灵魂观念的继承，我们可以从他的著作中强烈地感到，他具有自然界的物体与人一样会在受到作用时产生反作用这样一种强烈的思想意向。显然，在现代人看来，自然界的物体是与人具有本质区别的。
在牛顿以后，欧拉则将牛顿关于vis insita 的比较隐晦的注释作了同牛顿之前的有些科学家的直感一样的有一定危险性的表白：“惯性是物体保持静止或保持匀速直线运动的能力．．．．．惯性的大小与质量成正比例。”（31） 可是现在看来，这种危险性中是带有错误的。从那以后到现在，人们对于惯性的理解基本上是庸俗性质的。随着现代物理学的发展，特别是诺特尔之后，我们可以认识到使物体保持静止状态或匀速直线运动状态的原因并不在物体的内部、也跟力无关，而是由于物体所处的时间均匀性与空间对称性。也就是说，我们必须对牛顿意义上的惯性作出更开放性与发展性的理解，牛顿的vis insita（惯性是一个消极的本原，靠此本原物体维持它们的运动或静止，按照作用力的大小接受运动，按照受到阻力的大小抵制运动。（32））可以深入为两个层面的结论：在没有外力的作用下，一个物体，它能保持静止状态或匀速直线运动是由于惯性，即时间均匀性与空间对称性；在同样大小的力的作用下，一个物体它的运动状态较难改变是由于它的动力学特性——抗性，即它的质量较大。
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ON Inertia
ZOU Rong
(No.6 Middle School ， Changshu， Jiangsu ， China， 215500)
Abstract: This paper puts forward a different viewpoint to current inertial view inside
classical mechanics scope and claims that we should distinguish the property of an
object of study from the property of existence，the property of keeping the kind of state
from the property of changing the kinds of states，and that we should also focus our
牛顿第一定律教案 篇6
新课标要求教师打破传统的教学方式，注重培养学生的创新能力和运用知识的能力，从而以促进学生学习的积极性，主动获取知识。那么，应当如何在新课标的要求下，创新高中物理教育模式，提升物理教学有效性。笔者认为，这必须要求教师正确的解读新课标的要求，从创新物理教育的理念出发，不断创新物理教学手段，激发学生的学习兴趣，帮助学生树立创新意识，同时转变传统的教育观念，以学生为主体，协调师生关系，才能真正的提升教学的有效性。
二、新课标背景提升高中物理教学有效性的策略
新课标强调的课堂教学的有效性取决于学生参与教学的积极性和主动性，因此，提升课堂教学有效性的关键是“以学生为本”。
1、实验驱动，激发学生学习兴趣
因为受到传统教学观念的影响，中学物理的实验教学往往被看作是对物理现象的呈现和教授知识的手段，而就忽略了实验对学生所起到的启发、验证以及激发兴趣的功效。因此，教师应当利用好实验，激发学生的兴趣，让学生更多的参与到实验当中，主动的去探索和研究。如在教学“圆周运动”中的“离心力”时，学生们对离心力的概念和形态都比较抽象，因此，通过自制实验来帮助学生进行了解，既能激发学生的兴趣，又能对离心力有个形象的了解。实验需要学生准备一个塑料瓶、纱布条、一把锥子、铁丝、一个玩具电机、若干导线以及两节电池和开关。然后用锥子在瓶盖中心转一个孔，在瓶身周围转许多小洞（图1）。在瓶盖的孔上插上电机轴（图2），然后用导线将电机与电池、开关相连接（图3）。最后让学生将纱布条沾上水后放进瓶内，盖上瓶盖，打开开关，学生们就会看见有许多的水珠从孔里飞出。通过这个实验，学生既有兴趣去完成实验，又能在实验的过程中掌握知识。
2、情景驱动，培养学生理解能力
高中物理教师要善于利用多媒体课件来创设形象化教学情景来辅助教学。如在学习比较抽象的物理概念时，学生很难通过想象来理解这些抽象知识，如果利用多媒体课件使这些抽象的概念变得具体一点，能够使学生感到形象、生动而变得容易理解。如在讲牛顿第一定律时，虽然做了小车在不同材质上的运动试验，推出小车在光滑无摩擦的地面上永远不停的理论时，但是由于现实中不存在无摩擦的现象，学生很难理解透彻，这时如果能够利用多媒体来演示一段小车在无摩擦地面的运动（图4），可以使学生映像更深刻，也更容易理解，这远比简单的用语言来来说明更具说服力。
3、任务驱动，改变学生的学习方法
任务驱动就是在物理教学的过程中，学生在教师的帮助下，能够紧紧围绕一个共同的任务活动，在强烈的问题动机驱动下，学生通过对学习资源的主动应用，进行对物理课程的主动探索和互助学习，并在学生完成任务时引导学生进行学习活动实践。如在“感应电流方向”的教学中，教师可以通过对旧知识的复习为方式来完成任务驱动教学，提出以下几个为题：
1.感应电流在闭合电流中如何产生？
2.怎样判断感应电流的方向？
3.使用左手定律的情况是什么？
4.已知导体中电流和磁场的方向，那么能否判断出导体的运动方向？
对于前面三道题学生可以通过以学过的知识而得到答案，而第四个问题学生就很难从以往的知识中得出答案。这时交给学生一个任务，就是带着观察试验中感应电流的方向这个问题，去做“用磁体去插、拔来改变线圈中磁通量”的实验，并让学生研究感应电流的方向是由什么决定的。这样学生带着任务对实验进行探索研究，产生出各种疑问，如在实验中电流的方向与线圈的绕法有什么关联？线圈中的感应电流是从那里来的？等等问题，这样学生带着任务去主动探索、合作讨论，从而得出结论。
4、目标驱动，促进学生的学习动力
目标驱动教学就是将物理教学目标作为核心，以教师为主导，学生为主体，以教学目标为主线进行教学，目的是通过将教学目标围绕在教学过程中，以此来激发学生的学习兴趣，激烈学生为实现教学目标而努力。如在教学“牛顿第三定律”时，其目标可以细分为知识和技能的掌握、教师的教学方式以及学生情感价值观的培养。
1.知识和技能的掌握就是要通过“牛顿第三定律”的教学，让学生掌握牛顿第三定律的概念以及作用力与反作用力之间的关系；通过实验使学生掌握牛顿第三定律的试验方法与原理；通过对“牛顿第三定律”的学习，能够在不同的环境中区别作用力、反作用力、平衡力，并能利用牛顿第三定律解决实际生产问题。
牛顿第一定律教案 篇7
牛顿第二定律的内容是物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向与作用力方向相同，写成表达式为F=ma.通常情况下只针对一个物体或两个相对静止的物体整体应用牛顿第二定律，而在解决两个具有相对运动的物体系统受力问题时，由于缺乏一定的理论支撑，
常采用隔离法分别应用牛顿第二定律，在具体解题过程中显得比较麻烦，而且容易出错。
二、牛顿第二定律内容的拓展
通过教学过程中不断摸索、分析，总结。结合牛顿第二定律和整体法，我对牛顿第二定律有了新的认识：在解决具有相对运动的物体系统时，也可以整体用牛顿第二定律，并且应用起来比用隔离法更简单实用，不容易出错，也好理解。我将牛顿第二定律内容拓展：
对一个系统来说，系统所受的合外力等于系统内各物体的质量与其加速度的乘积之和。
表达式为F合=m1a1+m2a2+m3a3+……
（或者为：F合x=m1a1x+m2a2x+m3a3x+…
F合y=m1a1y+m2a2y+m3a3y+…)
三、实例验证
例1如图1所示，斜面体B放在粗糙水平地面上，倾角为θ，小物块A放在斜面体B上，已知A、B的质量分别为m和M.当A以加速度a加速下滑时，B始终静止不动，求此过程中地面对斜面体的支持力N和摩擦力Ff.
法一用隔离法分别对A和B受力分析，再用牛顿第二定律列式求解，解析过程如下。
A受重力GA，B对A的支持力NA，B对A的摩擦力fA ，受力图如图2所示。将重力分解为沿斜面向下的下滑力G1=mg sinθ和使物块压紧斜面的力G2=mgcosθ,则有
mgsinθ－fA=ma①；
NA=mgcosθ②；再对B受力分析如图3所示，B受重力GB，地面对B的支持力N和静摩擦力Ff，还有A对B的压力FN和摩擦力fB .沿水平方向和竖直方向分别建立X、Y坐标轴，将FN和fB均分解到两个坐标轴上，得到
FNX=FNsinθ ③，FNY=FNcosθ④；
fBX=fBcosθ⑤，
fBY=fBsinθ⑥；由牛顿第三定律知FN=NA⑦；fB=fA ⑧；
在X轴上有Ff+fBX=FNX ⑨;
在Y轴上有N=GB+FNY+fBY ⑩由上述10个等式联立化简求解得Ff=macosθ； N=Mg+mg－masinθ，所以最后答案为地面对B的静摩擦力Ff=macosθ；地面对B的支持力N=Mg+mg－masinθ.
由上可见，用隔离法分别对A和B受力分析求解过程相当复杂，将花不少时间和精力，也容易出现受力分析失误或计算错误，得不偿失。
下面对系统应用牛顿第二定律，求解过程如下。
法二将A、B看成一个系统，对这个系统进行受力分析如图4所示，系统受重力G=Mg+mg，地面对系统的支持力N和摩擦力Ff，再将小物块的加速度分解如图5，则ax=acosθ，ay=asinθ；斜面体B静止，加速度为0，则由F合x=m1a1x+m2a2x+m3a3x+……得到Ff=max=macosθ，
由F合y=m1a1y+m2a2y+m3a3y+……得到Mg+mg－N=may即N= Mg+mg－masinθ.
通过两种方法的对比，明显地看出对系统应用牛顿第二定律比用隔离法分别分析简单快捷得多。
上例中是两个物体组成的系统，且斜面体B始终静止，即加速度为零，系统所受到的合外力相当于只用来使A产生加速度；下面看一个由三个物体构成的系统。
例2图6为马戏团里猴子爬杆的装置，现有质量分别为m1和m2的甲、乙两只猴子在沿杆匀变速向上爬，底座始终不动。已知底座连同直杆总质量为M，甲以加速度a1向上加速，乙以a2向上减速。设猴子与杆之间的作用力均为恒力，则底座对水平面的压力为多大？
法一隔离法。先分别对甲、乙两只猴子受力分析，受力图如图7中甲、乙所示，两只猴子均受竖直向下的重力和竖直向上的摩擦力，甲的加速度向上，乙的加速度向下，由牛顿第二定律得：
f1－m1g=m1a1①m2g－f2=m2a2②
对底座连同直杆受力分析如图8所示， 底座连同直杆受重力Mg,地面对它的支持力N,两只猴子对它的摩擦力f1＇和f2＇,由牛顿第三定律知： f1＇=f1③ f2＇=f2 ④.
底座连同直杆处于静止状态，所以受力平衡，得N=Mg+f1＇+f2＇ ⑤.
由①②③④⑤解得N=(M+m1+m2)g+m1a1－m2a2
法二系统法：将底座连同直杆和两只猴子作为一个系统，这个系统受重力G=(M+m1+m2)g，地面对系统的支持力N，受力图如图9所示，
将牛顿第二定律应用于这个系统中则为F合=m1a1+m2a2+m3a3，由于底座连同直杆处于静止状态，加速度为0；a1向上，a2向下，以向上为正方向，上式变为：
N－(M+m1+m2)g=m1a1+（－m2a2）
牛顿第一定律教案 篇8
关键词：思维导图；物理教学；牛顿第二定律
思维导图，即思维疏导、梳理图，也称为心智导图、脑图、脑力激荡图、灵感触发图、树状图或思维地图等[1]。思维导图的源头是笔记法，经过不断的发展，运用图文并茂的方法技巧和隶属层次框图的构建，将所创建的关键词、关键点整合，使之罗列成层次清晰的结构，并以添加色彩和图像的形式使思维可视化。在教育教学领域，思维导图作为表达图像式思维的辅助工具，在课堂教学和自学过程中能使课程主题以及关键点更为鲜明突出，可操作性极强。将思维导图融入物理教学中意义重大：首先，教学过程中增强了学生的主体性，不是把学生当成完成学习任务的工具，而是关注学生对所学物理知识的接受程度。其次，相对于传统的“满堂灌”教学方式，以思维导图的形式呈现物理知识或者物理现象能够使同学们更易于接受，提高同学们学习物理知识的积极性。最后，教师利用思维导图进行物理知识讲解，能够使学生物理思维变得更加清晰，让学生更容易理解物理知识。由此可见，基于思维导图的高中物理教学模式具有极高的研究价值[2]。
一、思维导图理念下的高中物理教学基本流程
思维导图设计教学体现了学习物理的思维过程，有利于提升学生的综合能力和物理教学质量[3]。在高中物理教学中，主要分为以下几个阶段，分别为课前预习阶段、课堂教学阶段、课后巩固阶段，基本流程见图1。图1思维导图理念下的高中物理教学模式流程图1.课前预习：学生初建个人思维导图学生可以利用思维导图进行课前预习，搜集与本节主题相关的知识，或者探寻解决本课重难点的方法步骤。每位同学查找这些资源后，对本课主题都有自己独到的见解，对其所涉及到的知识也都有自认为的重点难点，并根据自身理解发挥独特的创新思维。牢牢把握本课主题所要讲解内容的重难点，以及各个知识点的顺序，这样在课堂听讲时就能紧跟教师步伐，才可以改变传统课堂中边听讲边记录的模式，让学生将所有注意力集中在课堂的教学过程上，教师也可以利用思维导图进行讲解，和学生进行很好地互动，使师生关系更加和谐。
2.课堂教学：学生掌握思维导图的构建（1）教师用思维导图创设物理情境物理学要求我们从生活走向物理，从物理走向社会，物理来源于生活的探索实践，并能促进社会的发展进程。因此，学会从生活经验中提取物理问题、总结物理规律就显得尤为重要，需要教师和学生细心观察生活，多思考哪些生活实例和物理知识相关，勤思考为什么。教师在引入新课的过程中，将与本节课主题相关的生活经验或者常见的生活现象一一列举出来，就可以避免直接切入主题的唐突与陌生感。如果只是将这些生活现象以文字形式罗列，学生会失去对于本节课的兴趣和主动求知的好奇心。运用思维导图添加图片或关键字词以框架形式展示出来，在学生对于本节课有浓厚兴趣的基础上，教师继续用思维导图的形式提出本节课需要师生共同探索解决的问题，这样能够让同学们更加清晰地把握本节课需要掌握的重难点。借助思维导图，让学生在兴趣的驱动下主动参与概念教学，把握住学好物理的关键[4]。因此，用思维导图创设物理情景更能激发学生的学习兴趣。（2）学生合作共建小组思维导图在现代化教育的今天，校内外图书馆日益普遍，信息技术越来越发达。现在有很多学校建有“未来教室”，使学生在自主学习方面更加的方便、快捷、高效。在课前，教师应要求学生预习下节课所讲知识点，此时，学生不仅要提前梳理知识脉络，还应该做到将下节课所涉及到的知识的内涵与外延，利用身边的图书、互联网查阅并下载成资料带到课堂方便同学们共同学习讨论。课上，教师在课堂引入和基础概念讲解过后，将学生分成几个小组。每小组同学利用课前搜集的材料进行交流探究，由于每一位同学都有自己独到的见解，课上交流能够让同学们的思想灵魂得到碰撞，而后小组成员共同构建思维导图。将每个知识点、性质以及扩充的内容按照清晰合理的思路填入思维导图的框架中，在课前学生独立构图的基础上，小组合作学习探究能够产生“1＋1＞2”的效果，取长补短、协同创作，制作成小组成员公认为最完美的思维导图。（3）师生合作完善小组思维导图讨论结束过后，教师收集各小组思维导图，并利用多媒体设备将各个小组的思维导图投放给大家观看。每投放一组的导图，就请其他小组同学参与点评，采用生生互评，发挥同学们的主观能动性，指明其优点与缺点。教师进行总结性评价，明确每一组思维导图的闪光点，提供给其他组成员借鉴采纳。最后，教师总结升华，给出由多个教师共同制作的较为完善的思维导图，让同学们对比本小组所做思维导图找出不足，之后同学们对小组思维导图进行进一步的完善。在此过程中，能充分发挥学生的自主学习能力，将学习成果深刻的移植到记忆库中，达到深层记忆的目的。
3.课后巩固：学生完善个人思维导图课堂上，学生掌握了如何绘制更全面的思维导图，在课后整理、回顾时就可以将课前预习时独立绘制的初步思维导图进行补充与修正，从而完善个人的思维导图。在此过程中，不仅可以复习知识点，还可以在梳理结构的过程中将本节课自己不容易掌握、理解的知识进一步定位，重点标记，以便今后复习。课后再次依据思维导图巩固总结，实则是对课堂学习思维过程的再现和探究过程的回顾，是对本节课系统全面的梳理。在物理学习中，要做到举一反三，在学生学过每个章节后，都可以鼓励其将本章节中每节课所涉及到内容间的内在联系和区别梳理清晰后构建章节思维导图。如果能将每一章节的知识串联在一起呈现，学生对于知识查漏补缺、梳理框架的能力会得到质的飞跃。
二、思维导图理念下的高中物理教学案例分析———以“牛顿第二定律”为例
1.学生初建个人思维导图在学习牛顿第二定律前，同学们可搜寻与牛顿第二定律相关的课外参考书或参考资料，将本节课所涉及到的牛顿第二定律内容以及对其的理解进行细节梳理，就可以了解本节课的重点为牛顿第二定律的内容，难点为力与质量、加速度的相互关系，每位同学对牛顿第二定律都有自己独到的见解，因此在知识点梳理过后能够自主勾勒出属于自己的思维导图（见图2）。
2.教师利用思维导图创设物理情境教师在引入牛顿第二定律的过程中，可以将与牛顿第二定律相关的生活现象以思维导图的形式一一列举出来。例如运动中的汽车在其他条件相同的情况下，只改变汽车的牵引力，能够发现汽车加速度不同；用力推拉玩具，玩具将会立刻获得加速度。引用一些生活中常见的物理现象，并配以生动的图片或动画，既能让学生有贴近生活的亲切感，又因为思维导图引入后梳理出的清晰思路而激发学生学习的积极性。接着教师引导学生总结所列举的生活实例中蕴含的规律，这样就可以切入今天学习的主题———牛顿第二定律。利用思维导图创设物理情境对于本课主题的引出十分连贯顺畅，所以要学好物理，思维方式十分重要。教师要在教学中注重培养学生利用思维导图发展自己多样化的能力。
3.学生合作共建小组思维导图教师在课堂上将牛顿第二定律的内容以思维导图的形式引导出来，并根据内容让学生推导出F=ma这一表达式。当探究到牛顿第二定律的性质时，教师将学生进行分组，每组学生将课前各自搜集到的资料展示给本小组的每位同学，让学生发挥自己的思维优势，相互交流各自的看法，最后总结出牛顿第二定律的六大特性-同体性、因果性、矢量性、瞬时性、相对性、独立性，并将每一种性质根据所查阅的资料进行扩充总结。在此过程中，小组成员全员参与、激烈讨论，这样可以激发学生探究物理的兴趣，在思维导图建造的过程中，将原本沉闷的课堂变得轻松愉快。