【摘要】:
牛頓運動定理是中學化學動力學的核心知識，是精典熱學的基礎，是天文學的研究基礎，是動能定律和動量定律的推論支柱和研究能量問題的重要手段，是電磁學的研究方式的基石，是電學研究的基礎，可以說只要是研究宏觀低速，在慣性參考系中運動的一切物體，牛頓運動定理都有著不可撼動的重要地位。對牛頓運動定理的學習是培養中學生構建數學觀念的重要的途徑，同時引導中學生構建科學思維，產生科學探究的方式，培養中學生的科學心態與責任。中學化學動力學是理論熱學的一個分支學科，它主要研究作用于物體的力與物體運動的關系。動力學研究的對象的運動速率遠大于光速的宏觀物體，初中數學學的動力學分支是學院化學學和天文學的研究基礎，也是許多工程學科的研究基礎。作為選拔人才功能的中考，在數學學科的考查中更是對牛頓運動定理加強考查力度，是每一年中考數學的必考的重點知識，指導中學生學好牛頓運動定理除了可以為中學生中考服務，更是對中學生將來的終身發展奠定堅實的知識基礎。
【關鍵詞】
動力學支柱，精典熱學基礎，學院數學基礎，工程學科基礎，中考重要考點
【正文】
在運動學中我們學習了如何描述物體的運動，而且沒有討論物體為何會做這些或那個運動，要闡明物體運動緣由，就要研究運動和力的關系。在數學學中，只研究物體如何運動而不涉及運動與力的關系的理論，稱為運動學；研究運動與力的理論，稱做動力學。運動學是研究動力學的基礎，但只有懂得了動力學的知識，能夠依據物體所受的力確定物體的位置、速度變化是規律，才才能創造條件來控制物體的運動。諸如運動學只是使我們才能描述天體是如何運動的，動力學則使我們才能把人造衛星和宇宙飛船送上太空，使人類登上地球，甚至飛向火星。動力學的奠基者是英國科學家牛頓，他在1687年出版的《自然哲學的物理原理》中提出了三條運動定理，后人把它們統稱為牛頓運動定理。牛頓運動定理確定了力與運動是關系，它們是整個動力學的核心。
關于力與運動的關系，是一個綿延了兩千年的問題。公元前三世紀古埃及知名的哲學家、科學家、教育家亞里士多德覺得“物體的運動須要力來維持”，諸如馬拉車，車就會持續地運動，馬停止拉車，車就停止運動，他的觀點與人們的生活經驗相符合，以至于在隨后兩千多年的時間里，人們把他的觀點奉為精典，沒有人懷疑。直至公元17世紀，歐洲偉大的化學學家伽利略覺得將人們引入歪路的是磨擦力，而在日常物體的運動中磨擦力又是無法避開的。伽利略注意到，當一個小球順著斜面向上運動時牛頓定律的表述及其物理意義，它的速率減小，而向下運動時，速率增大，他推測：當球順著水平面運動時，它的速率應當不增不減。并且實際情況卻是，雖然沿水平面運動，球也越來越慢，最后停出來。伽利略覺得，這是磨擦阻力作用的結果，由于他同樣還觀察到，表面越光滑，球便會運動得越遠。于是，他判定：若沒有磨擦阻力，球將永遠運動下去。他設計了一個斜面實驗：讓小球沿一個斜面從靜止狀態開始向上運動，小球將“沖”上另一個斜面，這是一個事實，假如沒有磨擦（注意，這兒伽利略引入了理想化的模型，光滑的斜面），小球將上升到原先的高度。降低第二個斜面的夾角，小球在這個斜面上仍將達到相同的高度，但這時它要運動得遠些。繼續降低第二個斜面的夾角，小球達到同一高度時，都會離得更遠。于是他問道：若將第二個斜面放平，球會抵達多遠的位置？推論其實是：球將永遠運動下去，卻不再須要哪些力去引領。這就是說，力不是維持物體運動的誘因。其實，我們不能清除一切阻力，也不能把第二個斜面做得無限長，所以伽利略的實驗是個“理想實驗”。伽利略捉住了事物的主要矛盾力與運動的關系，忽視了次要的誘因磨擦力的影響，進而深刻地闡明了力與運動的關系：物體的運動不須要力來維持。同時，我們應當感遭到伽利略的最偉大的歷史貢獻是，將實驗引入了數學學，為數學學的研究開創了一套科學的研究方式：觀察現象，發覺問題，提出假定，運用邏輯和物理估算，通過實驗對結論進行驗證，對推論進行修正和推廣。這一套科學研究的方式成為后世三百多年數學學的研究根據，一舉將數學學的研究引上了科學的公路。
與伽利略同時代的意大利科學家笛卡兒也研究了這個問題，他強調：假如運動中的物體沒有遭到力的作用，它將繼續以同一速率沿同仍然線運動，既不停出來也不偏離原先的方向。他覺得，這應當成為一個原理，它是人類整個自然觀的基石。這兒應當注意到笛卡兒早已認識到，物體不受力的作用時將做勻速直線運動。
在伽利略和笛卡兒工作的基礎上，美國偉大的化學學家牛頓提出了動力學的一條基本定理：一切物體在不受外力作用時，總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，除非作用在它前面的力促使它改變這些狀態。這就是牛頓第一定理。牛頓第一定理的研究對象是自然界中的一切物體，這兒的“不受力的作用”是指物體不受任何力的作用，由于不可能把自然界的任何物體完全孤立上去，也就是說，不受力的作用的物體是不存在的，所以，牛頓第一定理是借助邏輯思維對事實進行剖析的產物，不可能用實驗直接驗證。并且，許許多多現象可以幫助我們理解牛頓第一定理。諸如，足球場上，足球離開球桿后牛頓定律的表述及其物理意義，能以幾乎不變的速率繼續前進，直至它再一次遭到球桿的嚴打或遇到障礙物，才改變這些狀態。牛頓強調，一切物體在不受力的作用時，總保持勻速直線運動狀態或則靜止狀態，說明物體是運動不須要力來維持；直至有外力促使它改變原先的運動狀態，說明力是改變物體運動狀態的誘因。
在對牛頓第一定理的理解考查方面，歷屆中考多從慣性的角度來考查，這么哪些是慣性呢？我們把物體保持原先勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質稱作慣性。牛頓第一定理也叫慣性定理。這個定理給出了慣性的概念，所以人們說它是牛頓數學學的基礎。對任何物體，在遭到相同的斥力時，決定它們運動狀態變化難易程度的唯一誘因就是它們的質量。
除此之外，中考對牛頓第一定理的考查著重于物體的運動和受力的關系，著重于伽利略對力和運動的研究的方式，理想的斜面實驗，對磨擦力這個誘因對物體速率的改變，在逐漸清除磨擦力的影響時，可以看出物體的運動不須要力來維持，為牛頓第一定理的構建奠定了基礎，然而，同時又考查了牛頓第一定理是一個理想化的邏輯思維對事實進行剖析的產物，其實不能直接用實驗來驗證，并且卻可以用日常的現象來印證它的正確性。
牛頓第二定理的研究目的是物體的加速度與它所遭到的合力和質量之間是關系，我們曉得，大賽用的小車輛的質量和普通家用小車輛的質量相近，而且它安裝了強悍的底盤，可以在四五秒的時間內從靜止加速到100Km/h,而家用小車輛卻須要十幾秒的時間才會達到相同的速率，賽事用的小車輛的加速度要比家用小車輛的加速度大，可以看出在質量相同的情況下，受力越大，它獲得的加速度就越大；在牽引力相同的情況下，通常的小車輛從靜止加速到100Km/h,至須要十幾秒的時間，而滿載的車輛加速就慢得多，可見物體受力一定時，它的質量越小，加速度就越大。但是，數學學不滿足于這樣的定性剖析。在中學化學動力學中，是應用實驗的方式來定量研究a和合力F與質量m之間的關系。
實驗研究的方式是控制變量法，實驗的步驟主要分兩大步，第一步，保持物體的質量不變，檢測物體在不同力的作用下的加速度，剖析加速度與力的關系；第二步，保持物體的受力相同，檢測不同質量的物體在這個力的作用下的加速度，剖析加速度與質量的關系。實驗中應用了圖象的方式，得到了這樣的推論，物體的加速度可能與它所受合力成反比，與它的質量成正比。大量實驗和觀察到的事實都可以得到同樣的推論，由此可以總結出通常性的規律：物體的加速度的大小跟它遭到的斥力成反比，跟它的質量成正比，加速度的方向跟斥力的方向相同。這就是牛頓第二定律，牛頓第二定理的目的在于研究物體受力之后如何運動的問題。
力是物體對物體的作用。只要研究力，就一定存在著受力物體和施力物體。觀察和實驗表明，兩個物體之間的作用是互相的。一個物體對另一個物體施加了力，后一個物體一定同時對前一個物體也施加了力。物體間的互相作用的這一對力，一般稱作斥力和反斥力。斥力和反斥力總是互相依存、同時存在的。通過實驗探究，我們發覺斥力和反斥力，總是作用在兩個不同的互相作用的物體上，它們的力的性質總是相同的，力的大小總是同時減小同時減少，同時形成同時消失，總是作用在一條直線上，它們的力的療效不可抵消。牛頓通過大量的實驗和觀察，總結了一條重要的規律：兩個物體之間的斥力和反斥力總是大小相等，方向相反，作用在一條直線上。這就是牛頓第三定理。
牛頓第三定理是牛頓在研究物體的運動和受力的關系時，將視野投向了愈加寬廣的領域，物體遭到外界對它的斥力，它也一定對外界施加了力的作用，因而將動力學的研究對象擴充到了愈加廣泛的領域。我們可以用牛頓第三定理，將研究的對象推廣到自然界的萬事萬物，為我們研究自然提供了有力的防具。
依據小學數學學科的教學經驗和對歷屆中考試卷的研究，我們對牛頓運動定理總結了以下的專題研究：共計25個專題，具體如下：
專題1物體受力與運動的關系：伽利略的實驗探究的科學方式
專題2牛頓第一定理（慣性定理）探究
專題3牛頓第二定理（加速度定理）實驗探究
專題4牛頓第三定理（斥力和反斥力定理）探究
專題5力與運動的互求題型探究
專題6瞬時突變問題探究
專題7聯接體問題探究
專題8藍籌股模型問題探究
專題9傳送帶模型問題探究
專題10小球落彈簧模型蹦極與蹦床問題探究
專題11超重和失重問題探究
專題12等時圓問題探究
專題13等底的光滑斜面上的物體由靜止下降時間的問題探究
專題14動力學臨界問題探究
專題15動力學極值問題探究
專題16動力學拉椅套問題探究
專題17動力學與速率圖象的結合問題探究
專題18動力學知識解決曲線運動問題探究
專題19動力學知識在電場中的運用探究
專題20動力學知識在通濁度體在磁場中遭到安培力的運用探究
專題21動力學知識在帶電粒子在磁場中遭到洛倫茲力的運用探究
專題22動力學知識在電磁感應問題中的運用探究
專題23動力學知識在熱力學問題中的運用探究
專題24動力學知識在機械震動和機械波問題中的運用探究
專題25牛頓熱學的局限性
這種專題，是依據教學研究總結下來的，也結合了對歷屆中考原題的研究歸納下來的，在教學實踐手指導中學生強化對這種問題的思索，可以有效地提升中學生對動力學問題的理解和把握，更重要的是，對中學生學習電磁學奠定了堅實的基礎，由于小學數學力是一條暗線，加速度是一條明線，這兩條線貫串化學學的始末，充分彰顯了以牛頓運動定理為核心的精典化學學的重要性和廣泛性。
作為小學數學班主任，鉆研中考試卷，總結規律變得尤為重要。鎖定動力學的核心“牛頓運動定理”的專題研究，借以深入探討牛頓運動定理在小學數學學中的重要地位，在教材體系中的重要地位，在中考考查中的重要的地位。牛頓運動定理除了在熱學中有重要的應用，并且是天文學、電磁學、熱學、動量和能量等問題的知識基礎和探究方式，捉住了牛頓運動定理就捉住了整個小學知識的命脈，可以幫助中學生獲得研究問題的思路和技巧。總結牛頓運動定理的專題，形成全面的知識體系和框架，配置基礎性、綜合性、應用型、創新性的習題，抓住中考出題心跳，讓初三中學生在緊張的中考總備考中，快速理解化學概念和規律，把握解題的方法和技巧，提升中學生應用知識解決問題的能力，培養中學生的剖析問題的能力，構建數學模型的能力，應用物理知識解決數學問題的能力，在訓練中得到潛移默化的增強。結合中學生的學習基礎和學習能力，分層教學，因材施教，在習題的設置上可以滿足不同事生的須要，采取有效的課堂組織方式，以讓中學生參與課堂教學學習，成為學習的主體，讓每一個中學生都能動口動腦動手，老師要及時給予積極的評價，讓中學生有收獲感，有成就感，有進步的體驗。
通過對牛頓運動定理的研究，從伽利略的科學研究方式入手，用實驗探究化學推論，再用數學推論檢驗實驗的確切性，感受伽利略對物體的受力與物體的運動的關系的研究，闡明力是改變物體運動狀態的誘因，而不是維持物體運動狀態的緣由，為牛頓構建慣性定理奠定基礎；牛頓第二定理是由實驗推證下來的，闡明了加速度與合力，質量之間的關系，對實驗的考查是中考的熱點問題，在小學教學中要足夠地注重；牛頓第三定理研究斥力與反斥力之間的關系，它使牛頓運動定理邁向更寬廣的研究領域。通過對牛頓運動定理的題型研究，我們總結了十幾個專題，在歷年的中考中，突出受力剖析和物體運動的關系，突出了加速度是運動學和動力學的橋梁和紐帶的作用。
動力學作為精典熱學的核心知識，仍然是歷年中考考查的必考知識點，是中考的熱點，難點，重點考點，常常會出中考壓軸大題，足以見得牛頓運動定理的重要性。
牛頓三大定理，之所以還能成為動力學的核心知識，成為精典數學學的主干知識，是由于它在宏觀物體的低速運動的領域，發揮了重要的作用，為我們提供了研究物體運動規律的方式和思路。中學化學動力學是理論熱學的一個分支學科，它主要研究作用于物體的力與物體運動的關系。動力學研究的對象的運動速率遠大于光速的宏觀物體。動力學是數學學和天文學的研究基礎，也是許多工程學科的研究基礎。
4.參考文獻：
（1）【文獻類型】：刊物，【文獻出處】：《文理導航（月底）2017年02期》
（2）【文獻類型】教材，【文獻出處】：《普通中學課程標準試驗教科書2011年》
（3）【文獻類型】：刊物，【文獻出處】：《中學化學教學參考2009年05期》
（4）【文獻類型】碩士論文，【文獻出處】：《四川師范學院刊物2010年》
