为理想实验搭桥
刘建新
摘要：牛顿第一定律描述的是物体不受外力怎样运动，是基于理想实验的一个重要结论，为初中物理教学难点之一.本文就如何对伽利略理想斜面实验逐步搭建思维台阶，推导出力不是维持物体运动的原因，并运用理想实验方法将结论进一步外推，得出物体不受外力将如何运动，阐述了个人观点及教学处理技巧.
关键词：理想实验；转化；推理
牛顿第一定律与学生经验并不相符，其思想及内涵学生很难理解，教学中可以探究什么？能探究到什么程度？笔者认为合理渗透理想实验方法并恰当引导学生运用此方法推理出力与运动关系是达成教学目标关键所在.笔者从引出问题、对问题转化处理、递进式分析数据、结论描述、结论外推等方面给出了相应的片断设计及思考.
1观点碰撞 引出探究课题
学生已有认知体验是物体的运动需要力的维持，教学中可先从学生活经验出发引出亚里士多德的观点——力是维持物体运动的原因；继而搬出伽利略的理想斜面实验并提出完全相反的观点：物体运动并不需要力去维持.教学中要注意引导学生领略伽俐略的理想实验思想，并努力促成学生思维的激烈碰撞.此片断设计如下：
师讲述，引导学生思考：生活中运动的物体的事例很多（用大屏幕展示如马拉车、手推重物、起重机起吊重物等），设想撤去马的拉力，车还能继续运动吗？手不再推重物，重物还能持续移运吗？据此你认要维持物体的运动，必须……
总结：在学生回答的基础上出示亚里士多德的观点——物体的运动需要力的维持.
过渡：这位大哲学家的观点是否正确呢？意大利物理学家伽利略却提出了不同看法.
演示： 如图1所示
將小球从斜面某一位置由静止释放，观察小球能到达另一斜面的最高点，比较与释放点高度关系.
讲述：伽利略断定小球到达另一斜面的高度略低于出发时的高度是因为斜面有摩擦，如果没有摩擦，小球一定会到达相同的高度，也即是说小球似乎是记住了自己出发时的高度，它总要去追寻这一高度.
思考：设不受摩擦力，逐渐减小另一斜面的倾角，小球为到达同样的高度，就必须要通过更长的路程，若将斜面放至水平，小球为了追寻原先的高度，那么它要怎样？而在小球运动方向上有力的维持吗？
学生讨论回答后师讲述：小球在水平面上会一直运动下去，而小球在运动方向上并没有力的维持.据此伽利略认为：物体的运动不需要力的维持
2转化问题降低探究难度
“探究物体不受力如何运动”是一个大课题，如何选定研究对象、控制实验条件、分析结论？教材提供的方法是：让水平面上运动小车所受摩擦力逐渐减小，最后推理得到小车不受摩擦力时如何运动.而教材是怎样将“探究物体不受力如何运动”这一问题迁移到“水平面上运动物体在水平方向上不受力如何运动”问题上的，两个问题之间存在怎样的逻辑关联？探究“水平面上运动物体在水平方向上不受力如何运动”目的是要说明什么观点？笔者的想法是先不提出物体不受力如何运动，将本节课的探究重点放在“力是否是维持运动的原因”这一问题上，在“维持”二字上下功夫.接上一片断设计如下：
引导学生思考：根据你的理解简要说明一下“运动需要力的维持”与“运动不需要力的维持”两个观点.
交流总结：在学生回答基础上作出小结——如果说运动需要力维持，则表现为运动的物体在运动方向上必须有力的作用；如果说运动不需要力的维持，则表现为物体运动方向没有力的作用运动仍会一直持续.
过渡：如果能用实验去验证出伽利略的推论，至少可以说明沿水平方向运动的物体其运动不需要力的维持.
出示问题：水平面上运动物体在运动方向上不受外力将如何运动？
3充分酝酿细化探究方案
实验设计可围绕如下几个方面展开讨论：（1）选定一个物体，使之获得水平方向的初速度（2）设法控制物体运动方向上不受力（3）观察物体运动情况.物体如何获得一定的初速度？学生易想到让物体沿斜面下滑；如何控制物体在运动方向上不受力？教师可类比“探究声音不能在真空传播”是如何做到无法在实验中获得真空却得出声音不能在真空中传播这一结论的.学生会想到可逐渐减小物体运动方向上的作用力并最后推理得出在运动方向上不受力物体的运动情况.此片断教学设计如下：
过渡：实验室条件很好，能否用实验直接去显示水平面上运动物体在运动方向上不受外力将如何运动
提出问题，学生讨论：（1）如何让小车沿水平面运动？（2）如何控制小车在水平面上不受运动方向的力（既没有相同方向的力，也没有摩擦力）
交流、总结：（1）让小车从斜面某个位置由静止释放，到达水平面即会获得一定的初速度（2）可以做到让小车不受与运动方向相同方向上的力，但无法满足不受摩擦力.
过渡：实验想要控制运动小车在运动方向上不受任何力的作用，但又不能满足这一理想条件，怎么办呢？
老师点拨、学生思考：引导学生回忆如何探究声音不能在真空中传播（逐渐减小玻璃内的空气，听声音大小的变化最后推出真空不能传播声音），那我们可否逐渐减小运动小车在水平面上所受的摩擦力，观察分析小车运动情况的变化趋势，进而得出不受摩擦力其运动情况.
交流、总结：设法让小车到达水平面时获得相同的速度，逐渐减小小车在水平面上所受的摩擦力，对比观察小车的运动情况的不同.
阅读思考：（1）实验需要准备的器材？（2）实验操作具体步骤？（3）实验记录表格.
学生叙述：（1）器材的作用；（2）具体操作步骤；（3）表格中记录的数据内容.
教师总结：展示器材，并用大屏幕出示实验探究步骤、实验操作应注意的细节（要保证小车能顺利从斜面进入水平面、防止小车从长木板上掉下等）及记录数据的表格.
4指导实验获取探究数据
对于本节内容而言，学生实验操作过程没有太大难度.
5合理外推转化结论描述
教材提供的实验表格如下表1所示：
表格所能记录的数据较少，让学生在此基础上结合推理得出结论似乎跨度较大.但实验也没有必要搜集更多组数据，教师在设计表格时多预留几行如表2所示，让学生根据前面几次数据去推测后面可能出现的数据及现象，再去类推物体不受力时的运動情况，对于学生而言思维坡度就较小，这样去归纳、推理更为符合学生的认知水平.
对于推理所得到的结论——水平面上运动的物体在运动方向上不受力，将一直运动下去.老师应通过恰当的引导将这一结论进行描述方式上的转化，让学生明白这一结论至少表明水平面上物体沿水平方向的运动不需要力维持，初步说明力不是维持物体运动的原因.对结论的转化描述并不是一味将结论扩大，转化描述方式目的是要引导学生转变思想，领会结论的内涵.此片断设计如下：
展示实验数据：选取一组学生数据投影
提问：对比各组数据，可以看到摩擦力越小，小车滑行的距离怎样？小车速度减小的快慢怎样？
讲述：我们发现运动的小车在水平面所受摩擦力越小，小车滑行的距离越大.据此，请用合适的词语完成下表第4、5行的填空.
更光滑些的玻璃11161……111总结并启发学生外推：在学生回答的基础上，教师作小结：运动方向上所受的摩擦力越小，小车滑行距离越大，小车减速越慢，那么当摩擦力为零，小车滑行的距离有多远？小车的速度还会减小吗？（让学生讨论）
展示推论：水平面运动的小车，在不受摩擦力时将一直运动下去.
启发思考：推论说明运动的小车是否需要一个力去维持它在这个方向上的运动？
总结：物体的运动不需要力的维持
6拓展延伸引出牛顿第一定律
物体的运动不需要力的维持，秉承这一思想，运动的物体不受任何力的作用，它的运动仍会保持下去.那么由一般到特殊，也可将静止看成速度为零的运动，教师顺势提出“静止的物体，它要保持静止，需要力的维持吗？”，将力不是维持运动原因这一思想逐步渗透，学生或许就能给出正确的答案出现这种情况教师在肯定学生答案的同时更要肯定学生思维的飞跃，让学生享受被认同、及成功的快乐.教师可通过一些适当问题的引导，不断拓展结论.此片断设计如下：
讲述：看来亚里士多德的观点是错的，既然说运动不需要力的维持，那么一个运动的物体，拆除它所受的所有外力，它能一直运动下去吗？
学生回答后教师评议：对学生的积极思考作出客观评价.
板书：运动的物体不受任何外力将一直运动下去
引导：如果把静止也看成是物体速度大小为零的一种运动，这种“运动”的保持需要力的维持吗？或者说静止的物体不受力的作用它能一直将静止这种“运动”进行下去吗？
学生讨论后教师小结：既然物体的运动不需要力的维持，物体速度为零的“运动”也不需要力的维持.
板书：静止的物体不受任何外力将一直静止下去
过渡：在一些实验事实的基础上推理出运动的物体不受力会一直运动下去，静止的物体不受力也会保持静止，这只是理想实验的一种思维过程，得出的推论还必须要接受检验.此外物体在不受力时它保持的运动是一种什么形式的运动？伽利略没有给出明确的答案.三百多年前英国物理学家牛顿在总结前人成果的基础上，经过进一步的研究与推理给出了牛顿第一定律.
阅读：学生看书，了解牛顿第一定律.教师用大屏幕出示牛顿第一定律内容.
提出问题，解读牛顿第一定律：（1）牛顿第一定律描述的对象；（2）牛顿第一定律的条件及结论；（3）牛顿第一定律揭示了运动与力是怎样的关系
总结：略
理解运用：为加深学生对第一定律的内化可适当例举一些习题作针对性的练习.
理想实验是思想上的实验，是一种逻辑推理和理论研究的重要方法，学生若能在探究力与运运关系过程真正体会到这种方法的“能量”之大，其价值不亚于认识牛顿第一定律.
参考文献：
[1]解世雄.物理文化与教育[ M] .北京：科学技术出版社，2009.
[2]张宪魁.物理科学方法教育[ M].青岛：中国海洋大学出版社，2000.
摘要：牛顿第一定律描述的是物体不受外力怎样运动，是基于理想实验的一个重要结论，为初中物理教学难点之一.本文就如何对伽利略理想斜面实验逐步搭建思维台阶，推导出力不是维持物体运动的原因，并运用理想实验方法将结论进一步外推，得出物体不受外力将如何运动，阐述了个人观点及教学处理技巧.
关键词：理想实验；转化；推理
牛顿第一定律与学生经验并不相符，其思想及内涵学生很难理解，教学中可以探究什么？能探究到什么程度？笔者认为合理渗透理想实验方法并恰当引导学生运用此方法推理出力与运动关系是达成教学目标关键所在.笔者从引出问题、对问题转化处理、递进式分析数据、结论描述、结论外推等方面给出了相应的片断设计及思考.
1观点碰撞 引出探究课题
学生已有认知体验是物体的运动需要力的维持，教学中可先从学生活经验出发引出亚里士多德的观点——力是维持物体运动的原因；继而搬出伽利略的理想斜面实验并提出完全相反的观点：物体运动并不需要力去维持.教学中要注意引导学生领略伽俐略的理想实验思想，并努力促成学生思维的激烈碰撞.此片断设计如下：
师讲述，引导学生思考：生活中运动的物体的事例很多（用大屏幕展示如马拉车、手推重物、起重机起吊重物等），设想撤去马的拉力，车还能继续运动吗？手不再推重物，重物还能持续移运吗？据此你认要维持物体的运动，必须……
总结：在学生回答的基础上出示亚里士多德的观点——物体的运动需要力的维持.
过渡：这位大哲学家的观点是否正确呢？意大利物理学家伽利略却提出了不同看法.
演示： 如图1所示
將小球从斜面某一位置由静止释放，观察小球能到达另一斜面的最高点，比较与释放点高度关系.
讲述：伽利略断定小球到达另一斜面的高度略低于出发时的高度是因为斜面有摩擦，如果没有摩擦，小球一定会到达相同的高度，也即是说小球似乎是记住了自己出发时的高度，它总要去追寻这一高度.
思考：设不受摩擦力，逐渐减小另一斜面的倾角，小球为到达同样的高度，就必须要通过更长的路程，若将斜面放至水平，小球为了追寻原先的高度，那么它要怎样？而在小球运动方向上有力的维持吗？
学生讨论回答后师讲述：小球在水平面上会一直运动下去，而小球在运动方向上并没有力的维持.据此伽利略认为：物体的运动不需要力的维持
2转化问题降低探究难度
“探究物体不受力如何运动”是一个大课题，如何选定研究对象、控制实验条件、分析结论？教材提供的方法是：让水平面上运动小车所受摩擦力逐渐减小，最后推理得到小车不受摩擦力时如何运动.而教材是怎样将“探究物体不受力如何运动”这一问题迁移到“水平面上运动物体在水平方向上不受力如何运动”问题上的，两个问题之间存在怎样的逻辑关联？探究“水平面上运动物体在水平方向上不受力如何运动”目的是要说明什么观点？笔者的想法是先不提出物体不受力如何运动，将本节课的探究重点放在“力是否是维持运动的原因”这一问题上，在“维持”二字上下功夫.接上一片断设计如下：
引导学生思考：根据你的理解简要说明一下“运动需要力的维持”与“运动不需要力的维持”两个观点.
交流总结：在学生回答基础上作出小结——如果说运动需要力维持，则表现为运动的物体在运动方向上必须有力的作用；如果说运动不需要力的维持，则表现为物体运动方向没有力的作用运动仍会一直持续.
过渡：如果能用实验去验证出伽利略的推论，至少可以说明沿水平方向运动的物体其运动不需要力的维持.
出示问题：水平面上运动物体在运动方向上不受外力将如何运动？
3充分酝酿细化探究方案
实验设计可围绕如下几个方面展开讨论：（1）选定一个物体，使之获得水平方向的初速度（2）设法控制物体运动方向上不受力（3）观察物体运动情况.物体如何获得一定的初速度？学生易想到让物体沿斜面下滑；如何控制物体在运动方向上不受力？教师可类比“探究声音不能在真空传播”是如何做到无法在实验中获得真空却得出声音不能在真空中传播这一结论的.学生会想到可逐渐减小物体运动方向上的作用力并最后推理得出在运动方向上不受力物体的运动情况.此片断教学设计如下：
过渡：实验室条件很好，能否用实验直接去显示水平面上运动物体在运动方向上不受外力将如何运动
提出问题，学生讨论：（1）如何让小车沿水平面运动？（2）如何控制小车在水平面上不受运动方向的力（既没有相同方向的力，也没有摩擦力）
交流、总结：（1）让小车从斜面某个位置由静止释放，到达水平面即会获得一定的初速度（2）可以做到让小车不受与运动方向相同方向上的力，但无法满足不受摩擦力.
过渡：实验想要控制运动小车在运动方向上不受任何力的作用，但又不能满足这一理想条件，怎么办呢？
老师点拨、学生思考：引导学生回忆如何探究声音不能在真空中传播（逐渐减小玻璃内的空气，听声音大小的变化最后推出真空不能传播声音），那我们可否逐渐减小运动小车在水平面上所受的摩擦力，观察分析小车运动情况的变化趋势，进而得出不受摩擦力其运动情况.
交流、总结：设法让小车到达水平面时获得相同的速度，逐渐减小小车在水平面上所受的摩擦力，对比观察小车的运动情况的不同.
阅读思考：（1）实验需要准备的器材？（2）实验操作具体步骤？（3）实验记录表格.
学生叙述：（1）器材的作用；（2）具体操作步骤；（3）表格中记录的数据内容.
教师总结：展示器材，并用大屏幕出示实验探究步骤、实验操作应注意的细节（要保证小车能顺利从斜面进入水平面、防止小车从长木板上掉下等）及记录数据的表格.
4指导实验获取探究数据
对于本节内容而言，学生实验操作过程没有太大难度.
5合理外推转化结论描述
教材提供的实验表格如下表1所示：
表格所能记录的数据较少，让学生在此基础上结合推理得出结论似乎跨度较大.但实验也没有必要搜集更多组数据，教师在设计表格时多预留几行如表2所示，让学生根据前面几次数据去推测后面可能出现的数据及现象，再去类推物体不受力时的运動情况，对于学生而言思维坡度就较小，这样去归纳、推理更为符合学生的认知水平.
对于推理所得到的结论——水平面上运动的物体在运动方向上不受力，将一直运动下去.老师应通过恰当的引导将这一结论进行描述方式上的转化，让学生明白这一结论至少表明水平面上物体沿水平方向的运动不需要力维持，初步说明力不是维持物体运动的原因.对结论的转化描述并不是一味将结论扩大，转化描述方式目的是要引导学生转变思想，领会结论的内涵.此片断设计如下：
展示实验数据：选取一组学生数据投影
提问：对比各组数据，可以看到摩擦力越小，小车滑行的距离怎样？小车速度减小的快慢怎样？
讲述：我们发现运动的小车在水平面所受摩擦力越小，小车滑行的距离越大.据此，请用合适的词语完成下表第4、5行的填空.
更光滑些的玻璃11161……111总结并启发学生外推：在学生回答的基础上，教师作小结：运动方向上所受的摩擦力越小，小车滑行距离越大，小车减速越慢，那么当摩擦力为零，小车滑行的距离有多远？小车的速度还会减小吗？（让学生讨论）
展示推论：水平面运动的小车，在不受摩擦力时将一直运动下去.
启发思考：推论说明运动的小车是否需要一个力去维持它在这个方向上的运动？
总结：物体的运动不需要力的维持
6拓展延伸引出牛顿第一定律
物体的运动不需要力的维持，秉承这一思想，运动的物体不受任何力的作用，它的运动仍会保持下去.那么由一般到特殊，也可将静止看成速度为零的运动，教师顺势提出“静止的物体，它要保持静止，需要力的维持吗？”，将力不是维持运动原因这一思想逐步渗透，学生或许就能给出正确的答案出现这种情况教师在肯定学生答案的同时更要肯定学生思维的飞跃，让学生享受被认同、及成功的快乐.教师可通过一些适当问题的引导，不断拓展结论.此片断设计如下：
讲述：看来亚里士多德的观点是错的，既然说运动不需要力的维持，那么一个运动的物体，拆除它所受的所有外力，它能一直运动下去吗？
学生回答后教师评议：对学生的积极思考作出客观评价.
板书：运动的物体不受任何外力将一直运动下去
引导：如果把静止也看成是物体速度大小为零的一种运动，这种“运动”的保持需要力的维持吗？或者说静止的物体不受力的作用它能一直将静止这种“运动”进行下去吗？
学生讨论后教师小结：既然物体的运动不需要力的维持，物体速度为零的“运动”也不需要力的维持.
板书：静止的物体不受任何外力将一直静止下去
过渡：在一些实验事实的基础上推理出运动的物体不受力会一直运动下去，静止的物体不受力也会保持静止，这只是理想实验的一种思维过程，得出的推论还必须要接受检验.此外物体在不受力时它保持的运动是一种什么形式的运动？伽利略没有给出明确的答案.三百多年前英国物理学家牛顿在总结前人成果的基础上，经过进一步的研究与推理给出了牛顿第一定律.
阅读：学生看书，了解牛顿第一定律.教师用大屏幕出示牛顿第一定律内容.
提出问题，解读牛顿第一定律：（1）牛顿第一定律描述的对象；（2）牛顿第一定律的条件及结论；（3）牛顿第一定律揭示了运动与力是怎样的关系
总结：略
理解运用：为加深学生对第一定律的内化可适当例举一些习题作针对性的练习.
理想实验是思想上的实验，是一种逻辑推理和理论研究的重要方法，学生若能在探究力与运运关系过程真正体会到这种方法的“能量”之大，其价值不亚于认识牛顿第一定律.
参考文献：
[1]解世雄.物理文化与教育[ M] .北京：科学技术出版社，2009.
[2]张宪魁.物理科学方法教育[ M].青岛：中国海洋大学出版社，2000.
