第四章《運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系》學(xué)習(xí)情況分析

一、認(rèn)知基礎(chǔ)

物理觀念層面：初中階段，學(xué)生學(xué)習(xí)了重力、彈力、摩擦力等有關(guān)力的概念，并通過實(shí)驗(yàn)初步認(rèn)識(shí)了“力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”。同時(shí)學(xué)生還學(xué)習(xí)了二力平衡的知識(shí)，知道處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體，其所受兩個(gè)力之間的等量關(guān)系。可以說學(xué)生已經(jīng)初步了解了牛頓第二定律的一種特例情況。

高中階段，前面已經(jīng)較為深入地學(xué)習(xí)了有關(guān)力的概念，了解力的基本性質(zhì)。知道矢量運(yùn)算的處理方法，能夠進(jìn)行力的合成與分解。有關(guān)運(yùn)動(dòng)的描述，學(xué)生還學(xué)習(xí)除勻速直線運(yùn)動(dòng)外的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。上述這些都為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，認(rèn)識(shí)力與運(yùn)動(dòng)之間的定性與定量關(guān)系提供了知識(shí)上的準(zhǔn)備。

科學(xué)思維層面：初中階段，學(xué)生已具備一定的形象思維能力。高中起始，學(xué)生在學(xué)習(xí)質(zhì)點(diǎn)模型的過程中，認(rèn)識(shí)了理想對象模型的建立對物理學(xué)研究的重要性；在研究自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，體驗(yàn)了構(gòu)建理想過程模型；在探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律過程中，涉及到極限思想方法的應(yīng)用；并通過力的合成與分解的學(xué)習(xí)，基本掌握了矢量運(yùn)算法則。因此學(xué)生具備一定的選用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒鉀Q問題的經(jīng)驗(yàn)，且能從簡單的實(shí)際問題中抽象出物理模型，并應(yīng)用推理論證、結(jié)合數(shù)學(xué)方法，分析解決物理問題，并最終獲得解釋和結(jié)論。

科學(xué)探究層面：能夠通過“阻力對物體運(yùn)動(dòng)的影響”的探究實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到力對物體運(yùn)動(dòng)的影響?；谡鎸?shí)實(shí)驗(yàn)合理外推的實(shí)踐探究過程，使學(xué)生初步了解理想實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用。并且學(xué)生能夠在教師引導(dǎo)下，開展小組合作與實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。提出問題，猜想并實(shí)施。對簡單的現(xiàn)象，能夠進(jìn)行歸納、總結(jié)，并相互討論、交流，發(fā)表觀點(diǎn)。

二、學(xué)科前概念

對于力和運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，學(xué)生有比較豐富的生活經(jīng)驗(yàn)，但對于力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，以及運(yùn)動(dòng)與相互作用間具體的定量關(guān)系的認(rèn)識(shí)并不清楚。對生活中很多具體、實(shí)際的情境，學(xué)生往往憑借經(jīng)驗(yàn)就做出判斷、給出解釋，而忽略了運(yùn)用概念、規(guī)律，進(jìn)行邏輯推理的過程。

在實(shí)驗(yàn)探究過程中，學(xué)生經(jīng)歷過探究的過程，但從提出問題與猜想，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、通過實(shí)驗(yàn)獲取證據(jù)、運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，經(jīng)過推理論證，并得出結(jié)論的過程，學(xué)生頭腦中并沒有較強(qiáng)的科學(xué)實(shí)踐探究的意識(shí)，由于缺少實(shí)驗(yàn)探究的過程，因此學(xué)生獨(dú)立完成探究過程的難度較大。

三、認(rèn)知關(guān)鍵點(diǎn)

1.對伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建的思想，理解不夠深入。由于學(xué)生沒有經(jīng)歷過由理想實(shí)驗(yàn)結(jié)合真實(shí)實(shí)驗(yàn)或是生活經(jīng)驗(yàn)展開的邏輯推理過程，因而對伽利略理想實(shí)驗(yàn)的思維、研究方法等的認(rèn)識(shí)存在一定的困難。

2.

在探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠運(yùn)用控制變量法研究多個(gè)物理量間關(guān)系，同時(shí)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過程中，如何控制實(shí)驗(yàn)條件簡化實(shí)驗(yàn)，如何運(yùn)用圖像、數(shù)學(xué)方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等的推理論證，學(xué)生經(jīng)歷較少，還需在具體實(shí)踐探究過程中循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生。

3.對通過牛頓第二定律，建立了加速度、力和質(zhì)量間的聯(lián)系，從而在此基礎(chǔ)上也就建立了物理量單位間的關(guān)系的認(rèn)識(shí)，學(xué)生是初次學(xué)習(xí)，因此對于單位制的理解仍是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。

4.由于學(xué)生缺乏邏輯推理能力，因此在對具體、實(shí)際問題進(jìn)行抽象、概況后，具體運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析解決實(shí)際問題的過程，要不斷引導(dǎo)學(xué)生，加深理解、加強(qiáng)練習(xí)。第四章《運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系》內(nèi)容與價(jià)值分析（一）課標(biāo)要求與分析

1.課標(biāo)要求：

1.2.3

通過實(shí)驗(yàn)，探究物體運(yùn)動(dòng)的加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系。理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律，能用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決有關(guān)問題。通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象。

1.2.4

知道國際單位制中的力學(xué)單位。了解單位制在物理學(xué)中的重要意義。

活動(dòng)建議

（2）通過各種活動(dòng)，例如乘坐電梯、到游樂場參與有關(guān)游樂活動(dòng)等，體驗(yàn)失重與超重。

（3）根據(jù)牛頓第二定律，設(shè)計(jì)一種能顯示加速度大小的裝置。

2.對課標(biāo)要求的理解分析：

從課標(biāo)要求可以看出，這一章的重點(diǎn)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律。牛頓運(yùn)動(dòng)定律將必修第一冊前面各章所學(xué)的運(yùn)動(dòng)和相互作用的知識(shí)建立起定量的因果聯(lián)系，在發(fā)展加速度、力、慣性、質(zhì)量等概念的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)運(yùn)動(dòng)和相互作用觀念。

從課標(biāo)要求中還可以看出，本章學(xué)習(xí)中特別強(qiáng)調(diào)聯(lián)系實(shí)際，要應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決有關(guān)問題。加強(qiáng)實(shí)際生活中超、失重的體驗(yàn)，應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律設(shè)計(jì)顯示加速度的裝置等。從物理學(xué)的視角認(rèn)識(shí)自然界中運(yùn)動(dòng)和力的現(xiàn)象，解決相關(guān)的問題，促進(jìn)學(xué)生對于運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念的進(jìn)一步發(fā)展。

課標(biāo)特別強(qiáng)調(diào)了通過實(shí)驗(yàn)，探究運(yùn)動(dòng)和力的現(xiàn)象和規(guī)律。例如探究加速度、力、質(zhì)量的關(guān)系，研究超重和失重現(xiàn)象等。通過實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用控制變量等研究方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，用圖像、計(jì)算等方法分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，體會(huì)探究過程中所用的學(xué)科方法，提高科學(xué)探究能力。突出了物理學(xué)科將實(shí)驗(yàn)探究、數(shù)學(xué)工具和科學(xué)推理論證有機(jī)結(jié)合的特有研究方法。

單位制的學(xué)習(xí)應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理規(guī)律也給出了物理量和單位之間的關(guān)系。在明確力學(xué)單位制的基本單位以后，要學(xué)會(huì)應(yīng)用物理量之間的關(guān)系得出導(dǎo)出單位，同時(shí)還應(yīng)學(xué)會(huì)解決問題時(shí)如何合理地應(yīng)用和簡化單位的書寫。

通過本章的研究和學(xué)習(xí)，了解其大致的研究方法和發(fā)展過程，以及偉大意義，學(xué)習(xí)牛頓、伽利略等科學(xué)家的創(chuàng)造性思維品質(zhì)和敢于質(zhì)疑的精神。

（二）教材內(nèi)容與價(jià)值分析

1.單元知識(shí)結(jié)構(gòu)

2.核心概念學(xué)習(xí)線索

本章的主要內(nèi)容是探究力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。研究這一規(guī)律，是先按照直覺觀察、生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行概括，做出判斷，再根據(jù)科學(xué)思維和科學(xué)探究相結(jié)合的方法進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)、定量的研究，得到結(jié)論后，再到生產(chǎn)生活的實(shí)際中加以應(yīng)用，驗(yàn)證和完善結(jié)論的正確性。本章就是按照這樣的線索展開學(xué)習(xí)的，教師教學(xué)時(shí)也要注意呈現(xiàn)出這樣的學(xué)習(xí)脈絡(luò)。

以牛頓第二定律的學(xué)習(xí)為例：

本章的新知識(shí)、概念、規(guī)律較多，也都很重要，只有把握住學(xué)習(xí)的線索，才能圍繞核心概念構(gòu)建知識(shí)，做到條理分明、多而不亂。

3.科學(xué)方法培養(yǎng)發(fā)展

在這一章的學(xué)習(xí)中，滲透了很多科學(xué)研究方法。

例如牛頓第一定律研究過程中伽利略的理想實(shí)驗(yàn)方法，把實(shí)際存在的、影響物體運(yùn)動(dòng)的摩擦力去掉，抓住事物的本質(zhì)和主要矛盾，基于邏輯推理得出結(jié)論。這種理想化實(shí)驗(yàn)的方法在物理學(xué)中是非常重要的研究方法。

在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，應(yīng)用控制變量的方法探究多個(gè)物理量之間的關(guān)系。為使外力的測量簡便，采用平衡摩擦力時(shí)的補(bǔ)償方法，以及讓鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，控制加速度大小，使得鉤碼重力與物體所受外力近似相等的控制實(shí)驗(yàn)條件的方法。這些將邏輯思維和探究過程結(jié)合的方法都是物理學(xué)中經(jīng)常用到的，教師在教學(xué)中特別要重視和落實(shí)學(xué)生對這些方法的理解和應(yīng)用。

再例如物理關(guān)系式和單位間的關(guān)系，不僅可以簡化和統(tǒng)一定量計(jì)算，還可以通過單位之間的關(guān)系推斷或猜測某種物理規(guī)律是否合理或存在，這種推理論證的思維方法在后繼學(xué)習(xí)中也是很重要的。

4.物理觀念建構(gòu)發(fā)展

本章在物理觀念的發(fā)展上意義重大。從本冊教材而言，必修第一冊的重點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)和相互作用，在前面三章分別學(xué)習(xí)了運(yùn)動(dòng)的描述、勻變速直線運(yùn)動(dòng)和相互作用的初步知識(shí)，而第四章將這些概念、規(guī)律聯(lián)系起來，建立和運(yùn)動(dòng)、相互作用間的定量關(guān)系。

從與初中觀念的承接發(fā)展來看，初中學(xué)習(xí)的重點(diǎn)是勻速直線運(yùn)動(dòng)和一條線上的平衡問題，現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)的觀念發(fā)展到變速直線運(yùn)動(dòng)，相互作用發(fā)展到會(huì)解決不同方向上的力的合成分解，特別是力的作用效果與加速度間的定量關(guān)系，使得學(xué)生對運(yùn)動(dòng)和相互作用的認(rèn)識(shí)上了一個(gè)大臺(tái)階。

運(yùn)動(dòng)和相互作用觀念的建構(gòu)，還對今后拋體運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波及萬有引力、向心力、回復(fù)力等運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的學(xué)習(xí)，以及動(dòng)能定理、動(dòng)量定理等力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的發(fā)展的探究，乃至對電磁學(xué)、熱學(xué)和近現(xiàn)代物理的力和運(yùn)動(dòng)問題也奠定了知識(shí)和研究方法的基礎(chǔ)。

所以教學(xué)中要注意概念、規(guī)律的承上啟下，逐步建構(gòu)和發(fā)展更加科學(xué)、深入的運(yùn)動(dòng)和相互作用觀念。

5.跨學(xué)科概念方法及教育價(jià)值：

（1）跨學(xué)科概念和方法：

運(yùn)動(dòng)和力之間的因果關(guān)系的研究，有助于學(xué)生對“原因和結(jié)果”這一跨學(xué)科概念的深入理解。運(yùn)動(dòng)和力之間的關(guān)系有表層的，就像很多人一開始認(rèn)為力是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原因。要經(jīng)過科學(xué)嚴(yán)密地實(shí)驗(yàn)探究和邏輯推理，才能找到它們之間真正的因果關(guān)系：力是使物體產(chǎn)生加速度的原因，并且進(jìn)一步研究得出定量的關(guān)系F=ma。

本章研究中采用的理想實(shí)驗(yàn)法、控制變量法、控制實(shí)驗(yàn)條件簡化實(shí)驗(yàn)等方法，處理數(shù)據(jù)時(shí)所用的作圖像和公式描述的數(shù)學(xué)方法，也是自然科學(xué)研究乃至社會(huì)學(xué)研究中常用的方法。

在得出牛頓第一定律和第二定律的過程中，研究超重和失重條件的過程中，都應(yīng)用了歸納概括和演繹推理結(jié)合的方法?？茖W(xué)規(guī)律的得出，很少能用全部驗(yàn)證的枚舉法，很多時(shí)候帶有猜想和推斷的成分，根據(jù)有限的實(shí)驗(yàn)實(shí)事得出某個(gè)定律?；谑聦?shí)的邏輯推理也是學(xué)生不可或缺的科學(xué)素養(yǎng)。

（2）本章教育價(jià)值

歷史上科學(xué)家們對運(yùn)動(dòng)和相互作用認(rèn)識(shí)的探究過程，特別伽利略、牛頓嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评砗痛竽懙膭?chuàng)新思維，會(huì)使學(xué)生體會(huì)人類認(rèn)識(shí)自然過程中的艱辛與曲折，崇敬科學(xué)家的鉆研精神和創(chuàng)新能力，有助于培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度并激發(fā)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的探尋欲望。

學(xué)生親自經(jīng)歷探索運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系中的思考、討論、合作學(xué)習(xí)、動(dòng)手實(shí)踐和交流分析等學(xué)習(xí)過程，這也是培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致的觀察能力，實(shí)事求是、認(rèn)真負(fù)責(zé)的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的過程。而研究牛頓定律在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用，對理解物理學(xué)知識(shí)在人類發(fā)展史上的重要地位和作用、激勵(lì)學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)增強(qiáng)實(shí)踐能力和社會(huì)責(zé)任也有著重要意義。

第四章《運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系》章末小結(jié)1.牛頓運(yùn)動(dòng)定律的內(nèi)容及邏輯關(guān)系（運(yùn)動(dòng)與相互作用的關(guān)系）

【知識(shí)內(nèi)容邏輯關(guān)系】

牛頓站在前人的肩膀上，繼承并超越了伽利略等前人提出的理論，以絕對時(shí)空觀為核心，提出了牛頓三大定律。牛頓三大定律是動(dòng)力學(xué)的主題，它們描述的是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的因果關(guān)系。這里的“因”是外力，“果”是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，即動(dòng)量的變化。

第一定律描述的是物體具有維持原來靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的屬性──慣性，這是物體保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的內(nèi)因。要使物體改變這樣的狀態(tài)，就需要外力，但牛頓定律并沒有給出“力”的大小和來源，也沒有指出“力”如何定量改變“運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”，因此這是定性的因果關(guān)系。

第二定律指出了物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變與外力的定量因果關(guān)系。這里要指出的是，牛頓最初所定義的“運(yùn)動(dòng)的量”其實(shí)不是速度，因此“狀態(tài)的改變”也不是加速度，牛頓第二定律描述的是“動(dòng)量的變化率與外力的關(guān)系”，牛頓第二定律涉及的主要物理量是動(dòng)量和力，并沒有加速度。動(dòng)量中有質(zhì)量，質(zhì)量是物體慣性大小的量度，因此，牛頓第二定律中出現(xiàn)的質(zhì)量稱為慣性質(zhì)量。這里需要指出的是，必須先有牛頓第一定律定義的慣性參考系，牛頓第二定律才能成立。在因果關(guān)系上，第一定律僅指出了“因”和“果”的定性關(guān)系，第二定律進(jìn)一步明確了“因”和“果”的定量關(guān)系。因此，第一定律為第二定律的成立提供了條件；第一定律不是從第二定律中導(dǎo)出的所謂特例。

第三定律指出了物體之間作用力相互作用的對稱性。這里指的相互作用只發(fā)生在兩個(gè)物體之間，是一個(gè)物體與另一個(gè)物體直接接觸的相互作用。雖然牛頓后來也發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)物體之間雖然沒有直接接觸但仍然存在引力相互作用，但是他認(rèn)為這樣的作用是無需媒介傳播的、瞬時(shí)的，是一種超距作用。第三定律與第一定律和第二定律一樣，都是牛頓在前人已經(jīng)取得的成果的基礎(chǔ)上加以總結(jié)，發(fā)展起來的。如同第一定律和第二定律一樣，第三定律對任何力都沒有提供特殊的說明。如果沒有提供附加的信息，從第三定律中無法計(jì)算人合力的具體數(shù)值。對于第三定律的重要性，德國物理學(xué)家索末菲指出，只有第三定律才使我們從研究單個(gè)質(zhì)點(diǎn)作為受力對象走向了研究相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)。

牛頓運(yùn)動(dòng)定律的成立依賴于慣性參考系，而慣性參考系的存在是以牛頓提出的“絕對空間”和“絕對時(shí)間”的“經(jīng)典時(shí)空觀”為核心的，牛頓三大定律有各自的地位和作用。從確立物體的慣性到慣性參考系來描述運(yùn)動(dòng)變化、從描述力與運(yùn)動(dòng)變化的定性和定量關(guān)系到確立經(jīng)典因果觀、從單一物體受力引起運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化到建立物體之間的相互作用，都表明了牛頓三大定律在認(rèn)識(shí)和邏輯上是一個(gè)整體，其中每一個(gè)定律各自具有獨(dú)立的地位又相互聯(lián)系，它們構(gòu)成牛頓云定律不可或缺的組成部分。牛頓三大定律是一個(gè)完整的公理化的邏輯體系，它們不是直接來自實(shí)驗(yàn)的歸納，也無法用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行直接驗(yàn)證。但是，從這個(gè)公理體系出發(fā)，可以得到很多結(jié)論，這些結(jié)論是可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的。

【教學(xué)內(nèi)容邏輯關(guān)系】

牛頓運(yùn)動(dòng)定律將必修第一冊前面各章所學(xué)的運(yùn)動(dòng)和相互作用的知識(shí)建立起定量的因果聯(lián)系，在發(fā)展加速度、力、慣性、質(zhì)量等概念的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)運(yùn)動(dòng)和相互作用觀念。

本章學(xué)習(xí)中應(yīng)特別注重聯(lián)系實(shí)際，要應(yīng)用牛頓定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決有關(guān)問題。加強(qiáng)實(shí)際生活中超、失重的體驗(yàn)，應(yīng)用牛頓定律設(shè)計(jì)顯示加速度的裝置等。從物理學(xué)的視角認(rèn)識(shí)自然中運(yùn)動(dòng)和力的現(xiàn)象，解決相關(guān)的問題，促進(jìn)學(xué)生的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念的進(jìn)一步發(fā)展。

課標(biāo)特別強(qiáng)調(diào)了通過實(shí)驗(yàn)，探究運(yùn)動(dòng)和力的現(xiàn)象和規(guī)律。例如探究加速度、力、質(zhì)量的關(guān)系，研究超重和失重現(xiàn)象等。通過實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用控制變量等研究方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，用圖像、計(jì)算等方法分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，體會(huì)探究過程中所用的學(xué)科方法，提高科學(xué)探究能力。突出了物理學(xué)科將實(shí)驗(yàn)探究、數(shù)學(xué)工具和科學(xué)推理論證有機(jī)結(jié)合的特有研究方法。在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，應(yīng)用控制變量的方法探究多個(gè)物理量之間的關(guān)系。為使外力的測量簡便，采用平衡摩擦力時(shí)的補(bǔ)償方法，以及讓鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，控制加速度大小，使得鉤碼重力與物體所受外力近似相等的控制實(shí)驗(yàn)條件的方法。這些將邏輯思維和探究過程結(jié)合的方法都是物理學(xué)中經(jīng)常用到的，教師在教學(xué)中特別要重視和落實(shí)學(xué)生對這些方法的理解和應(yīng)用。

單位制的學(xué)習(xí)應(yīng)使學(xué)生初步認(rèn)識(shí)到物理規(guī)律也給出了物理量和單位之間的關(guān)系。在明確力學(xué)單位制的基本單位以及后，要學(xué)會(huì)應(yīng)用物理量之間的關(guān)系得出導(dǎo)出單位，同時(shí)還應(yīng)學(xué)會(huì)解決問題時(shí)如何合理地應(yīng)用和簡化單位的書寫。物理關(guān)系式和單位間的關(guān)系，不僅可以簡化和統(tǒng)一定量計(jì)算，還可以通過單位之間的關(guān)系推斷或猜測某種物理規(guī)律是否合理或存在，這種推理論證的思維方法也是后繼學(xué)習(xí)中很重要的。

通過本章的研究和學(xué)習(xí)，了解其大致的研究方法和發(fā)展過程及偉大意義，學(xué)習(xí)牛頓、伽利略等科學(xué)家的創(chuàng)造性思維品質(zhì)和敢于質(zhì)疑的精神。

2.理想實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)思維（科學(xué)推理）及理想實(shí)驗(yàn)的意義

牛頓第一定律研究過程中伽利略的理想實(shí)驗(yàn)方法，把實(shí)際存在的、影響物體運(yùn)動(dòng)的摩擦力去掉，抓住事物的本質(zhì)和主要矛盾，基于邏輯推理得出結(jié)論。這種理想化實(shí)驗(yàn)的方法在物理學(xué)中是非常重要的研究方法。

“理想實(shí)驗(yàn)”，又稱為思想實(shí)驗(yàn)、思維實(shí)驗(yàn)、假想實(shí)驗(yàn)、抽象實(shí)驗(yàn)等。想實(shí)驗(yàn)是科學(xué)抽象的一種形式，是人們在思想中，運(yùn)用理想模型塑造理想模型在理想條件下的運(yùn)動(dòng)過程，進(jìn)行嚴(yán)密的邏輯推理的一種重要的理論研究方法。想實(shí)驗(yàn)建立在真實(shí)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，以真實(shí)實(shí)驗(yàn)的邏輯法則為依據(jù)而開展的一種復(fù)雜的思維推理活動(dòng)，是創(chuàng)造思維的重要表現(xiàn)形式，愛因斯坦和英費(fèi)爾德在論述物理學(xué)的進(jìn)化時(shí)就闡述了20多個(gè)與物理學(xué)發(fā)展密切相關(guān)的理想實(shí)驗(yàn)?？v觀物理學(xué)的歷史，物理學(xué)的形成和發(fā)展，物理理論的補(bǔ)充和完善，處處都顯示了理想實(shí)驗(yàn)方法的重要作用。理想實(shí)驗(yàn)作為一種重要的科學(xué)研究方法，其精髓在于它是物理思想、數(shù)學(xué)演繹與一般性實(shí)驗(yàn)的巧妙結(jié)合，是連接抽象的邏輯思維和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的樞紐。理想實(shí)驗(yàn)較之實(shí)物實(shí)驗(yàn)是有區(qū)別和明顯的不可替代性的。而在物理教育中運(yùn)用相關(guān)的理想實(shí)驗(yàn)，對啟迪學(xué)生的智慧，培養(yǎng)學(xué)生豐富的想象力、創(chuàng)新思維能力、科學(xué)抽象能力都具有重要的作用。

在物理學(xué)發(fā)展史上，作為經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)的慣性定律就是理想實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要結(jié)論；愛因斯坦建立狹義相對論，也曾做了關(guān)于同時(shí)性的相對性理想實(shí)驗(yàn)；量子論的建立也與理想實(shí)驗(yàn)密切相關(guān)，海森堡用來推導(dǎo)測不準(zhǔn)關(guān)系的所謂電子束的單縫衍射實(shí)驗(yàn)就是一種理想實(shí)驗(yàn)。

下面給出幾個(gè)力學(xué)中的理想實(shí)驗(yàn)的例子。

1.伽利略的“理想斜面”實(shí)驗(yàn)。力與物體的運(yùn)動(dòng)的關(guān)系是力學(xué)的一個(gè)最基本的問題。亞里士多德認(rèn)為：物體的運(yùn)動(dòng)是由于外力的作用，當(dāng)外力的作用停止時(shí)，運(yùn)動(dòng)的物體就會(huì)靜止，所以力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。亞里士多德這一觀點(diǎn)與人們的一些生活經(jīng)驗(yàn)相一致，正是由于這樣的原因，亞里士多德的觀點(diǎn)易于被人們接受，以至于長期以來被人們奉為真理。

徹底推翻亞里士多德錯(cuò)誤觀點(diǎn)的是伽利略。伽利略憑借的有力武器不是數(shù)學(xué)推導(dǎo)，不是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，而是理想實(shí)驗(yàn)。伽利略設(shè)想，如圖1在A點(diǎn)懸一單擺，拉至AB時(shí)放開，在忽略空氣阻力的情況下，擺球會(huì)沿著弧線升至對面的C處。如果在擺線經(jīng)過的E或F處釘上小釘子，可以使擺球沿不同的弧線上升至同一水平高度G和H，由此得到單擺的等高性結(jié)論。

以單擺的等高性為基礎(chǔ)，伽利略進(jìn)一步設(shè)想，如圖2中從A點(diǎn)釋放一個(gè)光滑堅(jiān)硬的小球，讓它沿堅(jiān)硬光滑的斜面AB下落。到達(dá)B點(diǎn)后，小球?qū)⒁垣@得的速度沿對面的BC、BD或BE中的某一斜面上升至通過A點(diǎn)的水平面，比較斜面BC、BD和BE,角越來越小，斜面越來越長，即小球在斜面上走過的距離越來越遠(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越來越長。當(dāng)斜面的傾角為零而成為水平面BF時(shí)，物體由于不可能達(dá)到A

點(diǎn)的高度而永遠(yuǎn)地運(yùn)動(dòng)下去。至此，伽利略得出結(jié)論：任何速度一旦施加給一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，只要除去加速或減速的外因，此速度就可以保持不變

……”伽利略的結(jié)論從根本上否定了亞里士多德的“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”的錯(cuò)誤論斷，指出力與運(yùn)動(dòng)的正確關(guān)系是：力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。

伽利略從單擺等高性的理想實(shí)驗(yàn)到理想斜面實(shí)驗(yàn)，忽略了空氣阻力和摩擦力，而這些忽略在現(xiàn)實(shí)中都是無法真正實(shí)現(xiàn)的。在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)中，人們可以用各種方法減小空氣阻力和摩擦力，但永遠(yuǎn)也無法徹底消除它們，因而人們無法用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證這些理想化的設(shè)想，但是，伽利略的理想實(shí)驗(yàn)，不僅讓人們覺得合情合理，而且使人們透過了事物的表面現(xiàn)象，看到了事物的本質(zhì)。

2.牛頓的“理想拋體”實(shí)驗(yàn)

1685年，牛頓寫成了“論物體的運(yùn)動(dòng)”的論文，論文中提出了著名的拋體運(yùn)動(dòng)的理想實(shí)驗(yàn)，說明了行星在向心力的作用下為什么會(huì)保持軌道運(yùn)行，進(jìn)而闡述萬有引力的思想。牛頓在論文中所描繪的說明如圖3,他寫道：“由于向心力行星會(huì)保持于某一軌道，如果我們考慮拋體運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)就很容易理解一塊石頭投出，由于自身的重量的壓力，被迫離開直線路徑，如果單有初始投擲，理應(yīng)按直線運(yùn)動(dòng)，

而這時(shí)卻在空中描出曲線，最終落在地面；投擲的速度越大，它在落地前走的越遠(yuǎn)。于是我們可以假設(shè)當(dāng)速度增大到如此之大，在落地前描出一條1，2,5,

10，100，1000英里長的弧線，直到最后超出了地球的限制，進(jìn)入宇宙空間永不觸及地球?！?/p>

牛頓的拋體理想實(shí)驗(yàn)，把地面上的力學(xué)和空間的力學(xué)統(tǒng)一了起來，是他發(fā)現(xiàn)萬有引力定律，最終形成以三大定律為基礎(chǔ)的力學(xué)體系的重要思維歷程。

3.馬赫的“理想水桶”實(shí)驗(yàn)

在牛頓的力學(xué)體系中，對于時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)這些必不可少的基本要素，牛頓都作了明確的敘述，從而構(gòu)成了他的絕對時(shí)空觀。

為了證明絕對空間和絕對運(yùn)動(dòng)的存在，牛頓提出了著名的水桶實(shí)驗(yàn)：如果用長繩吊一水桶，讓它旋轉(zhuǎn)至繩扭緊，然后將水注入，水與桶都暫時(shí)處于靜止之中。再以另一個(gè)力突然使桶沿反方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)繩子完全放松時(shí)，桶的運(yùn)動(dòng)還會(huì)維持一段時(shí)間；水的表面起初是平的，和桶開始旋轉(zhuǎn)時(shí)一樣。但是后來，當(dāng)桶逐漸把運(yùn)動(dòng)傳遞給水，使水也開始旋轉(zhuǎn)。于是，可以看到水漸漸地脫離其中心而沿桶壁上升形成凹狀。運(yùn)動(dòng)越快水升