4.1 牛顿第一定律 教案

4.1 牛顿第一定律
【教材分析】
这一章的知识属于动力学的知识，是研究力与运动之间的关系，只有懂得了动力学的知识才能据物体所受的力确定物体的位置，速度变化的规律，才能够创造条件来控制物体的运动。牛顿三大运动定律作为动力学的核心内容，本节课的教学内容牛顿第一运动定律作为牛顿物理学的基石，首先对人类认识运动和力的关系作了历史的回顾，着重介绍了伽利略研究运动和力的关系的思想方法及卓越贡献，而后讲述了牛顿第一定律的内容和物体惯性的概念。为后续的牛顿运动定律的学习打下好的基础。
【教学目标与核心素养】
[物理观念]能对牛顿力学的发展历史有一个系统的认识，掌握牛顿第一定律的内容，并知道惯性的决定因素。
[科学思维]深入体会伽利略等科学家在研究力和物体运动关系时候运用的科学思维方法。
[科学探究]知道理想斜面实验的原理和理论思维推导过程。
[科学态度与责任]从通过牛顿第一定律的历史史实回顾，增进对科学的兴趣，培养学生的创造性思维能力和勇于质疑的优秀品质。
【教学重难点】
教学重点：理解力与运动的关系；理解牛顿第一定律，认识惯性与质量的关系。
教学难点：力和运动的关系；惯性和质量的关系。
【课前准备】
多媒体课件、伽利略理想斜面实验装置等。
【课时安排】
1课时
【教学过程】
[新课导入]
在日常生活中，我们经常看到这样的现象：
用力推课桌，课桌能够在推力的作用下运动，撤去外力后，课桌不再运动；足球踢出去之后，滚动段距离，最后停下来；秋千在推力作用下，荡开之后，不再推秋千，最终也会停下来。通过对这些现象的分析，学生分组进行讨论，是否只有在力的作用下物体才能够运动或者保持运动状态。
教师：长期以来，我们的生活经验告诉我们物体的运动总与推、拉等行为联系，如果不再推、拉，原来的运动便会停止。那么事实是不是这样呢？通过这节课的学习相信同学们会有新的认识。
[新课讲授]
这种说法早在2000多年前，古希腊学者亚里士多德就有提出。他通过这些日常生活中所见的现象得到这样的结论：必须有力作用在物体上，才能使物体保持运动状态，没有力的作用物体就要静止在某个地方，即力是维持物体运动的原因。
大家觉得亚里士多德的说法正确吗？
学生：不正确，（部分学生提出）力撤去之后，物体还是会运动一段距离。这段距离物体没有立即停止运动。物体之所以会停下来是因为物体受到摩擦力（阻力）的作用。
按照亚里士多德的说法，如果没有力的作用，一切运动的物体最终将会静止。在当时科学不发达的年代，人们经常是通过经验出发，经过简单的思考探究出自然规律，亚里士多德的说法是总结经验得出来的，可是，通过经验得出的结论，是否科学，是否是真理，还是有待实践的检验的。因为，有时事物所呈现的表象可能会掩盖他们本质。就比如说在日常生活中，我们如果从生活经验来总结看到的可能多数是重的物体下落得快，然而，当我们物体自由下落时，不管轻重，物体从同一高度下落其快慢是一样的，影响物体运动快慢的原因，其实是空气阻力。
伽利略认为运动的物体，在摩擦力的阻碍下，会逐渐停下来。物体会停下来的根源是摩擦力。为此他设计了一个实验，伽利略的理想斜面实验。
一、伽利略理想斜面实验
伽利略注意到，当一个球沿斜面向下滚动时，它的速度增大；向上滚动时，速度减小。
猜想：当球沿水平面滚动时，它的速度应该不增不减。然而，实际情况却是，即使沿水平面滚动，球也会越滚越慢，最后停了下来。伽利略认为这是摩擦作用的结果。若没有摩擦，球将永远运动下去。
通过多媒体课件动图展示：理想斜面实验来验证猜想。分别把斜面的角度逐渐减少，最后和水平面持平。在不断的减少斜面角度的过程中，在没有摩擦力的作用下，小球将会到达同一高度，只是走过的路程越来越长。由此可以推断，当斜面最终变为水平面时，小球要到达原有高度将永远运动下去。
为此伽利略得出结论：力不是维持物体运动的原因。推翻了亚里士多德的结论。
我们知道，阻力不可能完全消除。第二个斜面也不可能做得无限长，所以，伽利略的实验是一个“理想实验”。虽然这个实验无法实现，但是，伽利略在实验基础上进一步推理的方法，帮助我们找到了解决运动和力的关系问题的方法。
教师：那么什么是理想实验呢？
理想实验：想象着把实际中存在、影响物体运动的摩擦力去掉，抓住事物的本质。伽利略的理想实验就是把摩擦了阻力全部忽略，这是和质点一样的理想化状态。
伽利略同时代的法国科学家笛卡儿也研究了这个问题。他认为，如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。他还认为，这应该成为一个原理，是人类整个自然观的基石。
经过几代人的努力，最后牛顿在前人的基础上，归纳总结出了伟大的牛顿第一定律。
二、牛顿第一定律
1．定义：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。这就是牛顿第一定律。
2．物理意义：
(1)揭示了力与运动的关系：
①力是改变物体运动状态的原因：物体受力的作用，它的运动状态就一定发生改变，并且产生加速度。
②力不是维持物体运动的原因：物体若不受力，它将做匀速直线运动或者保持静止状态。
(2)揭示了一切物体都具有的一种属性——惯性，所以牛顿第一定律也叫惯性定律。
3．物体运动状态改变的三种情况：
(1)速度的方向不变，只有大小改变。(物体做直线运动)
(2)速度的大小不变，只有方向改变。(物体做匀速曲线运动)
(3)速度的大小和方向同时发生改变。(物体做变速曲线运动)
特别提醒：
(1)牛顿第一定律所描述的是物体不受外力作用时的状态，与物体所受合外力为零是等效的。
(2)牛顿第一定律不是实验定律，它是在理想实验的基础上总结得出的。
(3)牛顿第一定律只适用于惯性参考系中的运动，在非惯性参考系中不适用。
思考讨论：牛顿第一定律可不可以用实验来验证？
学生回答：不受力的物体不存在或者光滑的物体也不存在。牛顿第一定律所描述的物体的状态是一种理想化状态。所以不能用实验来验证。
教师提问：什么时候可以看作不受力并举例说明？
学生回答：当物体受力但所受外力的合力为零时可以看作物体不受力。
三、惯性与质量
1．定义：一切物体都有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质，这种性质叫做惯性。
惯性不是外界强加给它的，是物体固有的，一切物体都具有惯性。
思考讨论：从牛顿第一定律得知，物体都要保持它们原有的匀速直线运动状态或静止状态。可以说，它们都具有抵抗运动状态变化的“能力”，即都具有惯性。那么，怎样描述惯性的大小呢？
教师引导：我们在改变物体运动状态时，会体验到物体惯性大小的不同。例如，搬质量不同的两个石块，质量大的石块需要的力大。
再比如，让摆动的大沙袋停下来就比让摆动的小球停下来费力得多。
结论：惯性只与质量有关，质量越大惯性越大，质量越小惯性越小。
教师补充：
2．惯性与质量的关系
(1)惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性。
(2)惯性与物体受力情况、运动情况及地理位置均无关。
(3)质量是物体惯性大小的唯一量度，质量越大，惯性越大。
3．惯性与力的关系
(1)惯性不是力，而是物体本身固有的一种性质，因此说“物体受到了惯性作用”“产生了惯性”，“受到惯性力”等都是错误的。
(2)力是改变物体运动状态的原因，惯性是维持物体运动状态的原因。力越大，运动状态越易改变；惯性越大，运动状态越难改变。
(3)惯性与物体的受力情况无关。
4．惯性与速度的关系
(1)速度是表示物体运动快慢的物理量，是矢量，惯性是物体本身固有的性质，其大小仅由物体质量决定。
(2)一切物体都有惯性，和物体是否有速度及速度的大小均无关。
5．惯性与惯性定律的关系
(1)惯性不是惯性定律，惯性没有条件限制，是物体的一种固有属性。
(2)惯性定律是物体不受外力作用时物体运动所遵守的一条规律。
板书设计
4.1牛顿第一定律
一、理想实验
二、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。
三、惯性与质量
惯性：物体总有保持原来匀速直线运动或静止状态的性质。
①惯性是物体的固有属性，不是力的作用；
②一切物体都具有惯性。