“牛顿第一定律”教学设计

“牛顿第一定律”教学设计

【教材分析】

牛顿第一定律是牛顿物理学的基石，它定性地揭示了力和运动的关系，提出惯性的概念，为定量研究力和运动的关系拉开了序幕。

高中教材与初中相比，主要有四方面的不同。

一是定律内容深浅不同：初中教材叙述为“一切物体在没有受到外力作用的时候，总是保持静止状态或匀速直线运动状态”；高中教材叙述为“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面力迫使它改变这种状态”。高中教材中的表述具有更为丰富的内涵，它强调了力是改变物体运动状态的原因，突出了第一定律的独立性和重要意义，也为学习牛顿第二定律做了一定的铺垫。

二是惯性的认识层次不同：初中强调一切物体都有惯性，高中侧重惯性与质量的关系。

三是实验的设计、探究及思维深度不同：初中为斜面小车实验；高中为伽利略理想实验，突出了理想实验这种科学方法的价值所在。

四是情感、态度、价值观的体现不同：初中对牛顿第一定律建立的历史一语带过，高中教材回顾了历史，让学生体会一个规律的获得是一代又一代人努力的结果，能够激发学生追求科学，勇于创新的情感。

【学情分析】

经过初中的学习，学生初步知道了牛顿第一定律的内容和惯性的概念，但是缺乏对牛顿第一定律建立历史的了解，对内容也是一知半解。

学生对于“质量是惯性唯一的量度”更是缺乏认识，凭借自己的生活经验，认为速度也是惯性的量度。教师要在课堂上充分引导，结合生活事例来澄清概念。

教学实践表明，学生在头脑中建立正确的力和运动关系的过程，并非一帆风顺，常常形成与亚里士多德相似的观点，且根深蒂固。处理具体的实际问题时，一些直觉的错误观点不时冒出来，存在着严重的“口是心非”问题。

【教学目标】

知识与技能：

⑴体会伽利略的理想实验思想。

⑵理解牛顿第一定律的内容及意义；理解力和运动的关系。

⑶理解惯性的概念，知道质量是惯性大小的量度。

过程与方法：

⑴通过回顾历史探究过程理解牛顿第一定律的形成过程。

⑵学习在实验基础上概括推理得到科学结论的研究方法（理想实验）。

情感、态度与价值观：

⑴通过科学史的渗透，体会科学发展的历程充满艰辛和挫折。

⑵通过伽利略理想实验，给学生以科学方法论教育。

⑶具有主动与他人合作的精神，敢于提出与别人不同见解。

【重点难点】

重点：通过回顾历史探究过程理解牛顿第一定律；惯性的理解。

难点：力和运动的关系。

【教学用具】

多媒体、单摆、伽利略理想斜面实验演示仪、气垫导轨、滑块1个、小车。

【教学过程】

一、创设情境，引入课题

视频：嫦娥卫星发射示意图。

师：多复杂啊，嫦娥卫星老老实实能够丝毫不差进入预定轨道，然后精确运行，这肯定首先要知道运动和力的关系。

二、回顾历史，探究定律

1.提出问题

a:没有力,会有运动吗？b: 没有力，会是什么运动？c:没有力，运动会改变吗?

2. 亚里士多德的观点：力是维持物体运动的原因（生活经验）

3. 伽利略的观点：物体的运动不需要力来维持

师：对于这个问题啊，早在公元前4世纪，亚里士多德就有研究，他提出了力是维持物体运动的原因。而2000多年后，意大利物理学家伽利略却提出了另一种相反的观点：物体的运动不需要力来支持。大家说说看，谁的观点正确啊？

生：伽利略。

师：亚里士多德的观点也没错啊。手拉小车，不拉就停，一拉就动，所以小车的运动需要力来维持啊！是吗？

师：是不是这样啊？我们再来观察（手停了，小车是不是立即就停？）

生：不是，还能运动一小段。

师：那后面小车的运动为什么会停下呢？

生：有摩擦力

师：那减少f，小车会怎么运动？；

生：运动距离变大。

师：如果没有f，小车怎么运动下去？

师：中学实验里有没有类似没有f的环境呢？

演示1：（气垫导轨演示）

师：滑块在做匀速直线运动，在这个过程需不需要力来维持呢？

生：不需要

师：那么在伽利略那个年代，有没有怎么先进的设备仪器啊？

生：没有

师：那他凭什么提出，物体的运动不需要力来维持呢？我们一起进入伽利略的探究过程。。。

演示2：针和单摆实验（伽利略是研究单摆专家）显示单摆（图1）

师：（延迟放），放了以后这个球做什么运动？

生：小球加速下去，然后减速上升。

师：球能摆多高呢？（等高）

师：如果放上钉子，改变小球不同的路径，小球也能摆到相同的高度吗？改变钉子的位置

师：小球好像有记忆功能

演示3：伽利略从摆的实验到得启发，如果不是绳子拉着，而是在斜面顶着，小球是不是还能记住原来的高度？

a：粗糙报纸：（还差一截）

b：拿去报纸：（只差一点吧？）（如果轨道光滑，是不是应该等高？）

c：改变斜面路径，应该等高吧？（师：小球在斜面上也具有记忆功能）

师：如果放在水平面上，小球是不是也要找等

高点啊？能找到吗？

生：找不到（演示）

师：如果轨道光滑，而且无限长，小球就一直

这样运动下去。。。

而事实上：①这个轨道会不会无限长啊？②能不能消除一切摩擦啊？

师：所以这个实验就叫做理想实验。

交流体会1：伽利略设计的这个实验，让你们最佩服的地方在哪里？（请思考）师：他是不是找到了没有阻力的环境啊？

生：没有

师：伽利略设计的这个实验，却又能够说明在没有阻力的环境下，小球一直运动下去，它靠的是什么啊？

生：推理

师：既然是推理，那么推理是有前提，他的前提就我们之前做的一系列实验。

总结：理想实验方法就是可靠实验+合理推理（经过理想化的处理，充分发挥理性思维的力量），这正是理想实验的魅力所在，他可以大大超越我们实际水平的限制（就算我们现在，气垫导轨也绝不是没有一切阻力，至少还有空气阻力啊，所以不可能

无止境的匀速啊。。。）

因此，爱因斯坦对他的评价是：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，它标志着物理学的真正开端。”

师：到现在为止，实验+推理，任然是我们崇尚的科学研究方法。

三、力与运动的后期观点

1.伽利略的结论：

如果不受阻力，物体将一直运动下去。

然而，伽利略同时又认为这种运动只能发生在水平面上，地球是圆的，这样物体的轨迹最终是曲线（圆周运动），而不是直线，不够彻底！

2. 笛卡尔的补充和完善

过渡：与伽利略同时代的法国科学家笛卡尔对他的观点进行了补充和完善。

在不受外界任何影响下,物体将永远保持其静止或运动状态,永远不会使自己沿曲线运动,而只保持在直线上运动。

与学生交流：补充了什么？完善了什么？

过渡：两位都已经明确指出在没有力的条件物体的运动情况，那么物体在受力的情况下，物体的运动会怎样？很遗憾，两位科学家并没有给出回答。

3. 牛顿的总结

牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中提出了三条运动定律。牛顿把伽利略、笛卡尔的正确结论总结成为牛顿第一定律（又叫做惯性定律），它是牛顿物理学的基石。

四、理解定律，了解惯性

牛顿第一定律：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。

过渡：现在我们来理解定律。

思考：牛顿第一定律中论述的运动和力的关系是怎样的？

1.运动和力的关系

运动状态指什么？运动状态不变指什么？运动状态改变指什么？

“运动状态不变”可以说“速度的大小和方向都不变”。只要速度的方向和大小其中有一个发生变化，我们就说“运动状态改变”。

过渡：牛顿第一定律除了部分地表述了力与运动的规律以外，还隐含了什么？2．物体具有惯性。

演示4：气垫导轨上的滑块运动（理解牛顿第一定律）

（气垫导轨的介绍）气垫导轨是中空的，表面很多气孔，

往导轨里压气时，在导轨和滑块间有一层空气使滑块浮在上

面，摩擦力很小，可忽略不计，把气垫导轨调水平。

⑴在哪里物体的运动状态发生了改变？两端相撞时。还有刚开始，让滑块从静止运动起来，要用手推一下。

这说明：“力是改变物体运动状态的原因”。

⑵推动一下，滑块很长时间才停下来，这实际上是物体惯性的体现。

3．什么是物体的惯性表现？

物体受力做变速运动时有无惯性？如果有，这时的惯性表现又是如何？

⑴以自由落体运动为例。释放瞬间，物体的速度为零，这时物体想保持v=0不变。可以这么理解：

①假想没有重力作用，物体就能保持v=0不变。

②事实上，重力不等于零，物体做加速运动。在这里，物体自身是想保持静止的，是重力迫使它运动起来。

在外力和物体惯性的共同作用下，物体的速度不可能瞬间变化。

⑵以一定的水平速度v把物体抛出，轨迹设为1。设想重力变小，物体的轨迹从1变为2，从2变为3…，当重力为零时，就能保持v不变，做匀速直线运动。

4．什么是物体的惯性量度？

物体的惯性大小反映了物体运动状态改变的难易程度。

质量小，惯性小，物体的运动状态容易改变；质量大，惯性大，物体的运动状态难改变。（结合生活情境两张图片进行解释）

5．结合实际谈谈惯性的利弊？

交流体会2：你能把惯性应用到某一实际问题中去吗?请举出几个利用惯性和防止惯性不利影响的实例。（小组讨论，交流评估）

⑴惯性的利：跳远运动员的助跑等。。。

⑵惯性的弊：汽车碰撞时的情境等。。。

五、体验探索艰辛，客观评价伟人

1．请同学们从历史长河的足迹和牛一规律得出,谈谈你对几位伟人的评价。