導(dǎo)語：牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律學(xué)習(xí)論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：本文從幾個(gè)角度表明了現(xiàn)行高中物理教材中關(guān)于牛頓第一定律教學(xué)的一些問題，提出了一些新的觀點(diǎn)與方法

關(guān)鍵詞：自然觀、方法論、慣性

一、關(guān)于歷史與內(nèi)容

課本上將這一節(jié)（1）的內(nèi)容分成兩個(gè)部分，即將牛頓第一定律的內(nèi)容與建立牛頓第一定律的歷史區(qū)分開來。作者的這一增加學(xué)生的科學(xué)歷史觀的企圖無疑是正確的：“作為思想形式的自然科學(xué)，存在于且早已存在于一個(gè)歷史的連貫性中，并且為了自身的存在，它依賴于歷史思想……一個(gè)人除非理解歷史，否則他就不能理解自然科學(xué)（2）”?？墒?另一方面，在作者看來,這樣一種對(duì)課本內(nèi)容的劃分是有疑問的。最起碼的是，這種劃分把牛頓第一定律當(dāng)成一個(gè)不變的、終結(jié)性的東西。對(duì)牛頓之前，講了從亞里士多德以來的兩千年的歷史，而對(duì)牛頓之后卻什么也不講，這就使學(xué)生對(duì)牛頓第一定律的領(lǐng)悟有一種僵化的感覺。作者認(rèn)為，在牛頓第一定律的歷史與內(nèi)容的關(guān)系中至少要考慮到下面兩個(gè)問題。

第一，課本上引述了一段亞里士多德的話：“必須有力作用在物體上，物體才能運(yùn)動(dòng)，沒有力的作用，物體就要靜止下來?！睂?duì)于這樣的一種寫作方式與引述的這樣一段內(nèi)容，作者不敢茍同。從寫作方式上而言，作者認(rèn)為，我們應(yīng)當(dāng)對(duì)在人類歷史長河中有卓越貢獻(xiàn)的人物的論述是肯定性的。要是在教科書中純粹來論述否定性的人物或否定性的結(jié)論的話，那何必要用亞里士多德來開刀呢，人類歷史長河中這類人物簡直是多得不計(jì)其數(shù)?；蛟S，這種陳述方式是來自于思想界的習(xí)慣。真像黑格爾所說（3）：“亞里士多德乃是從來最多才最淵博（最深刻）的科學(xué)天才之一，——他是一個(gè)在歷史上無與論比的人……雖然他許多世紀(jì)以來乃是一切哲學(xué)的教師,但卻從沒有一個(gè)哲學(xué)家曾被完全沒有思想的傳統(tǒng)這樣多地歪曲過,這些關(guān)于他的哲學(xué)的傳統(tǒng)的說法,過去一直被保持著,到今天情形還是如此。人們把與他的哲學(xué)完全相反的觀點(diǎn)歸之于他。柏拉圖的著作被廣泛地閱讀，亞里士多德則直到最近幾乎還未被認(rèn)識(shí)，所流行的乃是關(guān)于他的一些最錯(cuò)誤的偏見?！?/p>

從內(nèi)容上而言，事實(shí)上，課本上引述的亞里士多德的話，同亞里士多德關(guān)于力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的論述是有出入的。關(guān)于這一個(gè)問題，由于太過于復(fù)雜，作者將另文論述，只是在這里需要指出：亞里士多德關(guān)于力與運(yùn)動(dòng)方面所論述的原義和這里大相徑庭；我們應(yīng)當(dāng)在古希臘哲學(xué)的背景中去領(lǐng)會(huì)亞里士多德關(guān)于力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的論述；或者可以更直截了當(dāng)?shù)卣f，亞里士多德根本沒有講過引文中的話?。?）

仍然，我們通常認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)起源于人們對(duì)于亞里士多德物理學(xué)的批判。但從歷史的觀點(diǎn)來看，經(jīng)典力學(xué)毫無疑問與亞里士多德物理學(xué)及中世紀(jì)物理學(xué)有著緊密的關(guān)系。因而，我們不能用非此即彼的態(tài)度來給真實(shí)而復(fù)雜的歷史下一個(gè)粗暴而簡單的結(jié)論。

另外一點(diǎn)需要特別指出的是，根據(jù)作者的研究，由于牛頓第一定律與牛頓第二定律有本質(zhì)的區(qū)別（5）。與牛頓第一定律的發(fā)展有歷史淵源的亞里士多德物理學(xué)中的內(nèi)容不是力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系（事實(shí)上這是與牛頓第二定律的發(fā)展有歷史淵源的），而是亞里士多德關(guān)于“天然運(yùn)動(dòng)”（6）與“天然處所”的觀點(diǎn)。當(dāng)然，這一點(diǎn)對(duì)一般的讀者來說可能太為難了，但作者有責(zé)任指出這一點(diǎn)。事實(shí)上，我們從牛頓所列舉（7）的關(guān)于牛頓第一定律的例子中就可看到這一蹤跡。

第二，慣性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，它不僅在牛頓之前經(jīng)歷了曲折的發(fā)展歷程，在牛頓之后也有了很大的發(fā)展。在這里特別一提的是愛因斯坦與諾特爾對(duì)慣性定律的發(fā)展所作出的創(chuàng)造性工作。特別是愛因斯坦在創(chuàng)建了廣義相對(duì)論以后，使得慣性定律變得更有包容性：“物理學(xué)定律比牛頓所想象的情況簡單得多。我們不需要對(duì)偏離慣性定律的情況作出解釋。因?yàn)楦静淮嬖谄x慣性定律的情況，所有運(yùn)動(dòng)都是慣性運(yùn)動(dòng)，所有物體完全沿著時(shí)空的自然等直線運(yùn)動(dòng)。這些等直線的形狀則取決于對(duì)這些等直線進(jìn)行觀測所處的參照系。在慣性參照系中，等直線碰巧是直線。在其他參照系中等值線為曲線。在慣性參照系與其他參照系之間不存在任何實(shí)質(zhì)的區(qū)別，也沒有物理學(xué)上的區(qū)別，而只有幾何學(xué)上的區(qū)別。在所有參照系中物理定律都有一樣，而且所有運(yùn)動(dòng)都是慣性運(yùn)動(dòng)?！保?）

愛因斯坦將慣性定律表達(dá)成：“一個(gè)質(zhì)點(diǎn)離開其他一切質(zhì)點(diǎn)都足夠遠(yuǎn)時(shí)，它的加速度的各個(gè)分量就消失了。”（9）顯然，這種我們看起來比較特殊的表達(dá)方式受到了卡爾·皮爾遜的極大影響：“第一定律被視為相當(dāng)于這樣的陳述：周圍環(huán)境決定加速度——沒有其他粒子存在就沒有加速度?！保?0）在這里，皮爾遜敏銳地捕捉到了慣性的由周圍環(huán)境的決定性，為二十世紀(jì)初諾特爾的證明作了思想上的準(zhǔn)備。

因而，我們?cè)谥v述慣性定律時(shí)，必須思考這樣一個(gè)問題：我們應(yīng)當(dāng)怎樣來把握慣性定律的度？作者認(rèn)為，愛因斯坦的相對(duì)論意義下的慣性觀，已遠(yuǎn)超出了中學(xué)物理學(xué)的范圍，但諾特爾關(guān)于時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性的觀點(diǎn)卻是必須向?qū)W生講授的。因?yàn)閺臅r(shí)空的性質(zhì)來論述、講解慣性，使學(xué)生接觸到了關(guān)于慣性的更本質(zhì)的東西。同時(shí)根據(jù)作者的實(shí)踐，學(xué)生也是可以接受的。

二、關(guān)于自然觀與方法論

課本上對(duì)牛頓第一定律及其它內(nèi)容的陳述主要是結(jié)論性的。其次，是對(duì)伽利略的方法論作了簡要介紹，而對(duì)于與方法論有重大關(guān)系的自然觀卻只字未提?？墒牵瑹o論是在歐洲的思想史上還是在歐洲的科學(xué)史上，自然的觀念始終是一個(gè)焦點(diǎn)，也始終是一個(gè)熱烈和持久的被反思的課題。而以自然的觀念為基礎(chǔ)的自然科學(xué)也隨之被賦予了新的面貌（11）：牛頓第一定律的歷史，正首先是一個(gè)對(duì)自然觀念變更與進(jìn)化的佐證。也正是人類首先在自然的觀念上起了變化，才導(dǎo)致了對(duì)自然研究方法的不同，從而也得到了不同形式的結(jié)論。愛因斯坦在談到廣義相對(duì)論的創(chuàng)立過程時(shí)就非常明白地表明了這一點(diǎn)。（12）從另外一層意義上來說，自然觀無論是對(duì)科學(xué)定律的建立還是對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高都起著十分重要的作用。因而，作者認(rèn)為很有必要在講述牛頓第一定律的歷史時(shí)加入非常具有代表性的三位思想者的自然觀，從而使學(xué)生的思維也越靠近歷史的真面目。

素質(zhì)教育的目標(biāo)是找尋人類智慧之根，是使人的認(rèn)識(shí)返樸歸真?？墒菍?duì)于牛頓以前的科學(xué)家卻由于我們知之堪少，只能記得他們的個(gè)別結(jié)論了，對(duì)于他們的方法論只是一知半解，而對(duì)于他們的自然觀則幾乎毫無感覺了。但是，在科學(xué)創(chuàng)造中，自然觀念總是起著先導(dǎo)的作用，他決定著科學(xué)創(chuàng)造的方向與內(nèi)容。

由上述所論述的觀點(diǎn)，作者對(duì)現(xiàn)行課本中牛頓第一定律的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。現(xiàn)將作者的具體講課提綱列于下面：

1、亞里士多德（Aristotle前384-322古希臘自然哲學(xué)家和思想家）

（1）自然觀：自然界是一個(gè)自我運(yùn)動(dòng)著的事物的世界，展現(xiàn)在自然界中的變化和結(jié)構(gòu)是按邏輯關(guān)系相互聯(lián)系的，變化的最后結(jié)局是循環(huán)。a、提出了關(guān)于自然變化原因的“四因說”：形式因、質(zhì)料因、動(dòng)力因、目的因b、在運(yùn)動(dòng)的形式方面將天和地區(qū)分開來

（2）方法論：觀察現(xiàn)象、歸納得出解釋性原理、演繹出關(guān)于現(xiàn)象的陳述

（3）結(jié)論：天體的運(yùn)動(dòng)是“天然運(yùn)動(dòng)”；地面上的物體有個(gè)“天然處所”

（4）貢獻(xiàn)：開辟了探索自然界奧秘的一條新路——觀察

2、伽利略（GalilaoGalilei1564-1642意大利物理學(xué)家）

(1)自然觀：大自然是和諧的，自然的真理存在于數(shù)學(xué)的事實(shí)中，自然中真實(shí)的和可理解的是那些可測量并且是定量的東西

(2)方法論：觀察提問、合理假設(shè)、數(shù)學(xué)變換、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(3)結(jié)論：當(dāng)一個(gè)物體在一個(gè)無限延伸的水平面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，假如它沒有遇到任何阻礙的話，……它的運(yùn)動(dòng)將永遠(yuǎn)以不變的速度繼續(xù)下去

(4)貢獻(xiàn)：提出了新的研究方法——數(shù)學(xué)變換和科學(xué)實(shí)驗(yàn)

3、牛頓（Newton1642-1727英國科學(xué)家）

(1)自然觀：自然界是真實(shí)的、客觀的、是由各種實(shí)在的粒子所組成；自然界的結(jié)構(gòu)是簡單的、和諧的、各種運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律的，并且這些規(guī)律應(yīng)該建立在觀察和實(shí)驗(yàn)之上；物理世界是一個(gè)因果性的完整體系

(2)方法論：分析與綜合，強(qiáng)調(diào)論證要用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(3)結(jié)論：一切物體總保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止

a、“一切物體”是指地下物體與天上物體

b、慣性：使物體保持原來的靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)

一切物體都有慣性

c、慣性是宇宙的時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性的結(jié)果

d、牛頓第一定律是關(guān)于自然之美的定律

（4）貢獻(xiàn)：我不知道別人是怎么看我的，我覺得自己就像是一個(gè)在海濱玩耍的孩子，不時(shí)地拾到了一些光滑而美麗的貝殼，而真理的大海離我還很遠(yuǎn)。如果我有什么貢獻(xiàn)的話，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏稀?/p>

4、牛頓之后

（1）愛因斯坦的“相對(duì)論”揭示了空間與時(shí)間是有聯(lián)系的1905

（2）“量子力學(xué)”的發(fā)展表明，基本粒子的性質(zhì)與對(duì)稱性有極大關(guān)系1927

（3）揚(yáng)振寧、李政道提出了“宇稱不守恒”，吳健雄用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一理論1956-1957

在此，作者對(duì)上述提綱作兩點(diǎn)簡要的說明。第一，在提綱中特別指出了，一切物體是指地下與天上物體。因?yàn)樽髡吒械竭@一點(diǎn)非常重要。牛頓第一定律中所包含的這幾個(gè)字的含義正是表明了由哥白尼所闡述的新天文學(xué)理論的絕對(duì)勝利，也表示了任何一種對(duì)地下與天上物體之間作任何質(zhì)的區(qū)別的否定。同時(shí)，我們也看到這一結(jié)果的得來花了多大的代價(jià)——布魯諾為此被燒死在火刑柱上。（13）而作者在長期的教學(xué)實(shí)踐中看到的情況是，有不少教師將“一切物體”解釋成是氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)等情形。第二，提綱中將慣性看成是時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性的結(jié)果。這似乎是遠(yuǎn)離了學(xué)生的想象力，不好講。對(duì)此，作者在實(shí)踐中用了這樣一個(gè)邏輯過程，供大家參考：既然一切物體均有慣性，那么，慣性就是一切物體的性質(zhì)，而一切物體是用什么觀念來表示的呢？當(dāng)然是宇宙，那么，宇宙又是什么呢？就是時(shí)間與空間。作者的體會(huì)是，學(xué)生根據(jù)高一地理課本上的知識(shí)是可以領(lǐng)會(huì)的。

三、關(guān)于閱讀材料

課本上有一個(gè)標(biāo)題為《愛因斯坦談伽利略的貢獻(xiàn)》的閱讀材料。作者的問題是：這篇材料放在這里是否恰當(dāng)？首先，這一章的內(nèi)容是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，牛頓的貢獻(xiàn)才是學(xué)生首要了解的內(nèi)容。并且，在前一章的閱讀材料《伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究》（14）中已經(jīng)對(duì)伽利略科學(xué)研究的方法作了比較完整的介紹，似乎沒有必要在這里再對(duì)伽利略的貢獻(xiàn)進(jìn)行籠統(tǒng)的說明。作者在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐中用了一段教師教學(xué)用書（15）上關(guān)于牛頓生平的資料作為學(xué)生的閱讀材料，這一段材料間要、明白、清楚，學(xué)生對(duì)它的反應(yīng)良好。而且，這樣的做法也同時(shí)彌補(bǔ)了在課堂教學(xué)中講述牛頓貢獻(xiàn)上的不足。公務(wù)員之家

另外，《物理學(xué)的進(jìn)化》這本書主要是出自英費(fèi)爾德的手筆，愛因斯坦只是列出了一個(gè)關(guān)于本書的寫作大綱。因而，這本書的文字并不嚴(yán)格地等于愛因斯坦的思想。愛因斯坦寫本書的目的主要是為了解決英費(fèi)爾德的生活問題。因而我們并不能把這一本書看作是一本嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)著作，它只是一本一般性的科普讀物。而在文章的最后，用“毀滅直覺的觀點(diǎn)而用新的觀點(diǎn)來代替它”作為對(duì)伽利略的發(fā)現(xiàn)的重大意義的評(píng)價(jià)是否妥當(dāng)？對(duì)于愛因斯坦來說，由于他是一個(gè)深信物理概念是人的思維自由創(chuàng)造（16）的理論物理學(xué)家，因而他論述伽利略貢獻(xiàn)的視角就會(huì)同歷史學(xué)家的視角不一樣。事實(shí)上，伽利略是如此豐富的一個(gè)天才。我們完全可能從他的詳細(xì)觀察力、深刻的直覺把握力、嫻熟的數(shù)學(xué)技巧、精湛的實(shí)驗(yàn)技能的任何一個(gè)方面來談?wù)撍麑?duì)科學(xué)的貢獻(xiàn)。況且，愛因斯坦在不同的階段、不同的場合對(duì)伽利略貢獻(xiàn)的論述也是有區(qū)別的：“純粹的邏輯思維不能給我們?nèi)魏侮P(guān)于經(jīng)驗(yàn)世界的知識(shí)；一切關(guān)于實(shí)在的知識(shí)，都是從經(jīng)驗(yàn)開始，又終結(jié)于經(jīng)驗(yàn)。用純粹邏輯方法所得到的命題，對(duì)于實(shí)在來說是完全空洞的。由于伽利略看到了這一點(diǎn)。尤其是由于他向科學(xué)界諄諄不倦地教導(dǎo)這一點(diǎn)。他才成為一代物理之父——事實(shí)上也成為整個(gè)近代科學(xué)之父”。（17）“常聽人說，伽利略之所以成為近代科學(xué)之父，是由于他以經(jīng)驗(yàn)的，實(shí)驗(yàn)的方法來代替思辨的、演繹的方法。但我認(rèn)為，這種理解是經(jīng)不起嚴(yán)格審查的。任何一種經(jīng)驗(yàn)方法都有其思辨概念和思辨體系；而且任何一種思辨思維，它的概念經(jīng)過比較仔細(xì)的考察之后，都會(huì)顯露出它們所由產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)材料。把經(jīng)驗(yàn)的態(tài)度同演繹的態(tài)度截然對(duì)立起來，那是錯(cuò)誤的，而且也不代表伽利略的思想?！保?8）當(dāng)然，作者在這一篇文章不是為了研究伽利略的貢獻(xiàn)問題，只是想表明，《物理學(xué)的進(jìn)化》中的這一片段放在這里當(dāng)作閱讀材料的不恰當(dāng)性。

再次，在這段引文中出現(xiàn)了“直覺”這個(gè)概念?？墒?，什么是“直覺”？也許這對(duì)于任何一個(gè)人來說都是一個(gè)很難回答的問題。并且，作為與直接觀察結(jié)果相對(duì)應(yīng)的直覺及直覺的觀點(diǎn)也是有重大區(qū)分的。對(duì)此，不要說對(duì)于高一的學(xué)生，就是許多教師可能也很難把握。因而，很難說這篇閱讀材料會(huì)給學(xué)生留下怎樣的印象。作者的多慮之處是：我們不能由于與愛因斯坦有關(guān)的這一段文字而把直覺打入死胡同。因?yàn)檎缋窭嗜账J(rèn)為的那樣（19）：伽利略在力學(xué)方面從經(jīng)?？吹降默F(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)規(guī)律是有超凡的天才的。伽利略的這種天才難道與他的直覺毫無關(guān)系嗎？事實(shí)上，“我們所認(rèn)識(shí)的，都是同時(shí)憑直覺和推論獲得的，即通過感覺和知性相結(jié)合的使用而獲得的?！保?0）“科學(xué)的發(fā)展有時(shí)不是靠邏輯的思維和推理，而是一種理性的直覺。邏輯是證明的工具，理性直覺是發(fā)現(xiàn)的工具。（21）”楊振寧也說過：“我曾對(duì)中國科技大學(xué)的同學(xué)們提出過‘三P’：Perception，Persistence，Power，意思是：直覺，堅(jiān)持，力量。要有科學(xué)的直覺意識(shí)去創(chuàng)造，用堅(jiān)持不懈的努力去奮斗，以扎實(shí)的知識(shí)力量去克服困難。（22）”直覺是人對(duì)存在的一種最基本的表象能力，它是人的意識(shí)基礎(chǔ)中一個(gè)不可分割的內(nèi)核，它也與人的判斷力有關(guān)：“直覺的最奇妙的?因而我們不能簡單地說直覺是對(duì)的還是錯(cuò)的。并且教育的目的何不是為了使學(xué)生最終獲得一種良好的與直覺有關(guān)的綜合判斷力呢？

四、關(guān)于習(xí)題

課本上對(duì)這一節(jié)的內(nèi)容安排了五個(gè)習(xí)題?？墒?，在作者看來（24），這五個(gè)題目中只有第一個(gè)是從不太嚴(yán)格的意義上來說是可做的，而其余四個(gè)均是不恰當(dāng)?shù)?。其中第二題、第三題中的c.小題及第四題是屬于非慣性系中的動(dòng)力學(xué)問題。其實(shí)，我們從課本上第三章第八節(jié)《慣性系和非慣性系》這一內(nèi)容后面習(xí)題的缺乏就可以看出作者在處理這一內(nèi)容上的貧乏與混亂性。而第三題中的a.和b.小題則是關(guān)于牛頓第二定律的應(yīng)用題，也就是說只能用牛頓第二定律而不能用牛頓第一定律來解釋。第三題中的d.小題則應(yīng)當(dāng)放在第五章第二節(jié)《運(yùn)動(dòng)的合成和分解》里面。至于第五題，則是一個(gè)文不對(duì)題的題目，作者已經(jīng)非常明確地指出了這一點(diǎn)。為此，作者在具體的課堂教學(xué)實(shí)踐中設(shè)計(jì)了下面幾個(gè)習(xí)題。結(jié)果表明，學(xué)生的接受性較好。

1．用亞里士多德的四因說解釋你認(rèn)為感興趣的一件事

2．關(guān)于伽利略的理想實(shí)驗(yàn)，下列說法中正確的是（）

A．只要接觸面相當(dāng)光滑，物體在水平面上就能勻速運(yùn)動(dòng)下去

B．這個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是永遠(yuǎn)無法做到的

C．利用氣墊導(dǎo)軌，就能使實(shí)驗(yàn)成功

D．是想象中的實(shí)驗(yàn)，建立在大自然是和諧的觀點(diǎn)之上

3．你認(rèn)為如果時(shí)間不均勻，空間不對(duì)稱，則這個(gè)世界將是一個(gè)怎樣的情形？

4．下列關(guān)于慣性的說法中，正確的是

A．不用力踏自行車，自行車會(huì)漸漸停下，所以慣性就逐漸消失

B．慣性與物體質(zhì)量的大小無關(guān)，與物體是否運(yùn)動(dòng)無關(guān)。與物體速度是否變化無關(guān)

C．當(dāng)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)或做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，表現(xiàn)出了慣性

D.當(dāng)物體做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，沒有表現(xiàn)出慣性，因而此時(shí)慣性不存在

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