吴文建+许新胜
摘 要：牛顿第一定律是初中和高中物理中都要学习的重要知识.现行的人教版初、高中物理教科书均有一节以“牛顿第一定律”为标题的教学内容.这两个阶段所进行的教学应既有共同点，又有区别.本文将通过对比研究，揭示初、高中阶段所分别要讲清的具体内容，以期对初、高中物理教师的教学提供一定的參考.
关键词：牛顿第一定律；运动和力的关系；惯性
“牛顿第一定律”这部分内容，在现行人教版初中物理教科书中被安排在第八章“运动和力”的第一节中.初中物理教科书对此的内容编排是：“阻力对运动的影响”、“牛顿第一定律”和“惯性”.“牛顿第一定律”这部分内容在人教版高中物理教科书中被安排在第四章“牛顿运动定律”第一节中，在内容编排上，这一节也被分成三部分来学习，分别是：“理想实验的魅力”、“牛顿第一定律”和“惯性与质量”.
1 运动和力的关系
初、高中教材中这一节第一部分的标题虽然不同，但讨论的都是运动和力的关系问题.内容上都提到两种不同的观点.其一是亚里士多德的观点：“如果要使一个物体持续运动，就必须对它施加力的作用；如果这个力被撤掉，物体就会停止运动”[1]（初中教科书没有明确说这是亚里士多德的观点，高中教科书上说明了）；其二是伽利略的观点：“物体的运动不需要力来维持，运动的物体之所以停下来，是因为受到了阻力”[1].接下来教科书详细分析了一个实验，以证明伽利略的观点是正确的.初中教科书中的实验设计是：如图1，将棉布铺在水平木板上，让小车从斜面顶端由静止滑下，观察小车在铺有棉布的木板上滑行的距离；去掉木板上的棉布，再次让小车从斜面顶端由静止滑下，观察小车在木板上滑行的距离.
高中物理教科书介绍的是伽利略的理想（斜面）实验.实验设计是：让小球沿一个斜面从静止状态开始向下运动，小球将“冲”上另一个斜面，如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度.减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上仍将达到同一高度，但这时它要运动得远些.继续减小第二个斜面的倾角，球达到同一高度时就会运动得更远.
这两个实验都能在可靠实验的事实基础上，经推理得出伽利略的观点.相对来说，初中课本中设计的实验理解起来要容易一些，所以几乎各版本初中物理教科书都采用前者的实验设计方案.“小车从高处滑下”这个实验的现象是：水平面越光滑，小车运动的距离就越远.这可以说明：在水平面上运动的小车所受的阻力越小，它的速度减小地就越慢.在此基础上进行推理：在水平面上运动的小车如果不受阻力，速度就不会减小，小车将以恒定不变的速度一直运动下去.[1]
2 牛顿第一定律
这一节的第二部分——牛顿第一定律.初中物理教科书对牛顿第一定律的陈述是：“一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态”[1].高中物理教科书对此的陈述是：“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.”[2]仔细阅读，发现这两种陈述能表达的含义不同.笔者认为初中课本中的陈述能揭示物体的静止状态或匀速直线运动状态不需要力来维持（或者说力不是维持物体运动状态不变的原因）.高中课本中的陈述除了能揭示这一点外，还能揭示出力是改变物体运动状态的原因.在牛顿的著作——《自然哲学的数学原理》一书中，其陈述是：A body at rest remains at rest， and a body in motion moves with uniform velocity in a straight line， unless a force acts on it.[3]（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[4].）可见高中课本中的陈述是保留原著中的完整意思.初中教科书为便于学生理解和记忆牛顿第一定律，采用条件关系的陈述句，但把“力是改变物体运动状态的原因”这层意思没有明显地表达出来，这应该是考虑到初中生的认知水平.
3 惯性
初中物理教科书先介绍惯性的概念，然后通过实验和相关事例认识物体的惯性，最后讲到惯性的利用与防止.高中物理教科书中这一部分的标题是“惯性与质量”，惯性的概念在上一小节已作了介绍，这部分着重介绍惯性与质量的关系.对于惯性与质量的关系，人教版初中物理教科书是没有的.查阅《义务教育物理课程标准》，对惯性知识点的要求仅仅是：“用物体的惯性解释自然界和生活中的有关现象”[5]，没有要求知道惯性与质量的关系.安徽省中考考纲对“惯性与质量的关系”有要求，要学生知道物体的惯性大小与物体质量间的关系.[6]初中物理教师一般可能会这样讲解：物体惯性的大小只与物体的质量有关.物体的质量越大，其惯性就越大，表现在该物体具有保持原来运动状态（包括静止状态）不变的能力就越强.然后初中教师可能会举一些事例，比如：相同输出功率的摩托车与大卡车，更容易由静止启动的是摩托车.它们都以相同的速度行驶后，更难停下来的是大卡车.
高中物理在这一部分重点分析惯性与质量的关系.课本在“思考与讨论”小栏目中说：“从牛顿第一定律我们得知，物体都有保持它们原来的匀速直线运动或静止的状态，或者说，它们都具有抵抗运动状态变化的‘本领，但是这种 ‘本领的大小是不一样的.”然后叫大家通过实例分析这种“本领”与什么因素有关.最后给出结论：观察和实验表明，对于任何物体，在受到相同的作用力时，决定它们运动状态变化难易程度的唯一因素就是它们的质量.[2]
牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》一书中开宗明义，以“定义和注释”的形式提出了八个定义和四个注释，其中定义3是：“惯性或物质固有的力，是一种起抵抗作用的力，它存在于每一物体当中，大小与该物体相当，并尽量使之保持其现有的状态，或是静止状态，或是匀速直线运动状态.”[4]这种陈述，再结合高中所学的加速度知识，我们可以说：“惯性是物体的一种固有属性，表现为物体对其运动状态变化的一种抵抗能力.质量是对物体惯性大小的量度.当作用在物体上的外力为零时，惯性表现为物体保持其运动状态不变，即保持静止或匀速直线运动状态；当作用在物体上的外力不为零时，惯性表现为外力改变物体运动状态的难易程度.在同样的外力作用下，获得加速度较小的物体惯性较大，获得加速度较大的物体惯性较小.物体的惯性，在任何时候（受外力作用或不受外力作用），任何状态下（静止或运动），都不会改变，更不会消失.”endprint
4 “牛顿第一定律”初中应教的知识
通过以上分析，我们可以认识到“牛顿第一定律”这一节初中要讲解的知识点应包括：第一部分，讨论运动和力的关系，陈述两种不同的觀点，介绍能说明伽利略观点正确的实验（只介绍图1所示的实验，不介绍伽利略原版的理想斜面实验），观察现象、得出结论、做出推理；第二部分，介绍牛顿第一定律，为了便于初中生理解和记忆，同时又不改变原意，其内容可写成：“一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态.当物体受到力（非平衡力）时，它的运动状态定会发生改变”；第三部分，介绍惯性的概念、生产生活中的惯性现象、惯性的利用和防止.笔者认为最后应补充介绍惯性是物体的固有属性.物体的惯性有大小，其大小只与物体的质量有关.物体的质量越大，在相同的情况下，改变该物体的运动状态就越困难，即该物体具有保持原来运动状态不变的能力就越强，惯性就越大；反之，物体的质量越小，在相同的情况下，改变该物体的运动状态就越容易，即该物体具有保持原来运动状态不变的能力就越弱，惯性就越小.然后可举一些事例说明这一点.
5 “牛顿第一定律”高中应教知识
“牛顿第一定律”这一节，高中要讲的知识点应主要包括：第一部分，同样讨论运动和力的关系，陈述两种不同的观点，介绍伽利略的理想斜面实验（最好安排实验演示），然后观察现象、得出结论、做出推理；第二部分，同样介绍牛顿第一定律，按牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》中的原文介绍，然后说明从这个定律可以揭示：物体的运动不需要力来维持，力是改变物体运动状态的原因；第三部分，可以从牛顿第一定律得出，一切物体都具有保持其原来运动状态（注：静止也是一种运动状态）不变的性质，我们把这种性质称为惯性.接下来可以讲物体的惯性有大小.其大小的不同就是物体保持原来运动状态不变能力的不同，或者说物体具有抵抗运动状态变化“本领”的不同，或者说改变物体运动状态难易程度的不同.然后可以联系前面学过的加速度概念具体分析.如：当作用在物体上的外力为零时，惯性表现为物体保持其运动状态不变，即保持静止或匀速直线运动；当作用在物体上的外力不为零时，惯性表现为外力改变物体运动状态的难易程度.在同样的外力作用下，获得加速度较小（即运动状态难以改变）的物体惯性较大；获得加速度较大（即运动状态容易改变）的物体惯性较小.然后举一些能说明这个问题的事例.最后，笔者认为可以把牛顿关于惯性的定义说一下，不过为避免学生误解，可以稍作修改，把“起抵抗作用的力”改成“起抵抗作用的能力”，改过后如下：“惯性是一种起抵抗作用的能力，它存在于每一物体当中，大小与该物体相当，并尽量使其保持现有的状态，不论是静止状态，或是匀速直线运动状态.” 并说明物体惯性的大小只与物体的质量有关.一切物体不管是否受力，也不管它是否运动和怎样运动，惯性的大小不变，惯性是物体的固有属性.
6 总结
“牛顿第一定律”这一节是初、高中物理教学的重点，更是难点.我们需要对这个内容的教学进行深入研究，理清初、高中教学中的侧重点，以使学生学得轻松，教师教得科学合理.希望本文能对老师们的备课和教学起到一定的参考作用.
参考文献：
[1]人民教育出版社课程教材研究所.义务教育教科书物理八年级下册[M]. 北京：人民教育出版社，2012，10.
[2]人民教育出版社课程教材研究所. 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， 3.
[3]黄时中，倪致祥 主编. 大学物理[M]. 北京：高等教育出版社，2014： 27.
[4]伊萨克·牛顿著，王克迪译. 自然哲学的数学原理[M]. 武汉：武汉出版社，1992：13-14.
[5]中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2011年版）[S]. 北京：北京师范大学出版社，2012， 1.
[6]安徽省教育科学研究院. 2017年安徽省初中毕业学业考试纲要[S]. 合肥：安徽科学技术出版社，2017， 3.endprint
