4.1 牛顿第一定律 教学设计 （表格式）

年级 高一 备课组 物理组 主备教师
课题 § 4.1 牛顿第一定律
教学目标与素养 物理概念 1．理解力和运动的关系，体会伽利略的理想实验思想。2．理解牛顿第一定律，知道它是逻辑推理的结果，不受力的物体是不存在的。3．理解惯性的概念，知道质量是惯性大小的量度。
科学思维 1．培养学生分析问题的能力，要能透过现象了解事物的本质，不能不加研究、分析而只凭经验，对物理问题决不能主观臆断．正确的认识力和运动的关系．2．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）。
科学探究 ① 通过实验，学生养成分析问题、解决问题的能力② 通过实验，学生养成善于观察、严谨分析，概括的思维习惯
科学态度与责任 1．通过科学史的渗透，体会科学发展的历程充满艰辛和挫折。2．通过伽利略理想实验，给学生以科学方法论教育。3．具有主动与他人合作的精神，敢于提出与别人不同见解。
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。
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。
教学重难点 1．对牛顿第一运动定律和惯性的正确理解．2．科学思想的建立过程．3．惯性和质量的关系．
教法与学法 教法: 分析归纳、实验探究、体会参与、练习巩固、讲授
学法: 自主学习法；观察法；讨论法。
教具手段 演示实验器材（打气筒，塑料板，气球，乒乓球，铁架台，细线，书，粉笔盒）、多媒体教学平台
●情景切入:
在正式开始本节课的学习之前，我们先来做一个有趣的小实验：会爬杆的苹果；
【思考】在刚才的实验中，我们看到苹果沿着筷子上升了一段距离。请同学们思考，这是什么原因呢？难道是有一种神奇的力作用在苹果上吗？
带着这个问题我们开始本节课的学习。
§ 4.1 牛顿第一定律
前面我们学习了如何描述物体的运动，但是物体为什么运动以及为什么做这样或那样的运动等问题，我们并没有深入的进行研究。
生活中很多经验告诉我们，运动与力之间似乎是存在着某种联系的。
一. 力和运动的关系：
例如：① 用力推或拉小车，小车会运动起来，停止推或拉动，小车就会停下来；
② 用力去踢足球，足球会运动起来，不踢的时候，足球就会停下来；
生活中类似的现象还有很多，古希腊学者亚里士多德通过观察生活中的这些现象总结出一个结论：
1. 亚里士多德的运动观：
必须有力作用在物体上，物体才能运动；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。
Q1：同学们，你们认为亚里士多德的观点是否正确呢？能否结合生活中例子说说你的理由。
A1：导致亚里士多德得出错误结论的主要原因(观察+思辨)
① 没有意识到摩擦的影响；
② 只是对观察到的现一些象做了主观猜想和思辨，没有经过客观的(实验)；
不得不说亚里士多德的观点与我们经常见到的现象的确是非常相符的，因此这个观点自诞生以来就在人们的头脑中占据统治地位将近两千年的时间。
直到近四百年来伽利略的出现。
伽利略在观察物体的运动时发现：当球沿斜面向下滚动时速度增大，当球沿斜面向上滚动时的速度减小。由此伽利略猜想，当小球沿水平面滚动时，它的速度应该不增不减。
然而我们在生活中经常见到的现象却是，原来运动的物体最终总是要归于静止。
伽利略对这一现象做出了解释，水平面上运动的物体，之所以会慢慢停下来，是摩擦作用的结果。
2. 伽利略的运动观：
猜想：在水平面上运动的物体，如果没有摩擦，将永远运动下去。
Q2：他的这一猜想是否正确呢？
为了验证猜想，伽利略设计了这样的实验。
在某个星期天，伽利略在比萨大教堂祷告时惊奇的发现，房顶上挂着的吊灯因为风吹而不停地有节奏的摆动.这一现象引起了伽利略的高度关注，回到家后他用一个小球来模拟油灯的摆动。
【演示实验1】这是一个单摆，这是一条水平线(等高线)。拉着小球从下面这条水平线位置静止释放。请同学们观察小球在右侧能够达到的最大高度；
现象：从静止释放小球，可以看到小球运动到右侧最高点时，也来到了等高线位置；接着我们将一枚钉子固定在悬挂点正下方，重复刚才的实验，注意现在释放小球，可以看到小球又来到了右侧等高线的位置；改变钉子的位置重复刚才的实验，现在释放小球可以看到小球仍然来到了相同的高度。
【实验结论】在刚才的实验中我们发现，由静止释放的小球总是能够到达与释放点相同的高度(等高的位置)，就好像具有某种记忆功能似的。
受到这一启发，伽利略设想如果将拉着小球的细绳改为支撑着小球的斜面，那么实验现象又会如何呢？
伽利略又设计了一个理想斜面实验。
【演示实验2】伽利略的理想斜面实验；
这是一个对接的斜面。将小球从上面这条等高线位置静止释放，请同学们仔细观察小球在轨道右侧能否到达等高线位置。
操作1：将小球由静止释放，可以看到小球并未到达轨道右侧等高线位置，相反还有一定的距离。其实在轨道下面我们铺有两条毛巾布，小球因受摩擦而未达到等高线。
操作2：下面，我将其中一条毛巾布拿掉，重复刚才的实验，同学们再观察。现在释放小球，看到小球上升的高度与刚才有所区别，比刚才高了。
操作3：紧接着再拿掉第二条毛巾布，让小球在装置自带(自身)的轨道上重复刚才的实验。我们看到，在释放小球后，小球在轨道右侧上所达到的高度非常接近释放时的高度。
Q3：对比刚才这三次实验现象我们能得到什么规律呢？
随着摩擦力影响的逐渐减小，小球最终到达的位置越来越接近等高线，那么如果没有摩擦，小球应该能够到达右侧等高线的位置。
【合理外推】接下来，我们忽略轨道的摩擦，多次改变右侧轨道的倾斜程度，并且从下面这条等高线位置处静止释放小球，请同学们对比每次小球能够到达的最大高度以及向右移动的最远距离。
操作：注意现在释放小球，我们将右侧的倾斜程度调小一些。重复刚才的实验，仍从同一位置释放小球，接着我们将右侧轨道的倾斜程度继续调小一些。再次释放小球，你发现了什么现象？
我们看到：随着右侧斜面越来越平缓，小球总是能够非常接近等高线，而运动的距离也越来越远；
Q4：随着斜面的倾角越来越小最终变为水平面时，小球将如何运动呢？
不难推断，当斜面变为水平面时，小球要想到达原来的高度，就会永远的运动下去。而这个时候，小球并没有受到推或者拉的作用，这也就说明力不是维持物体运动的原因。
伽利略就是通过这个实验证实了自己的猜想，进而反驳了亚里士多德的观点。
(2) 伽利略的观点:如果没有摩擦作用的影响，在水平面上运动的物体会一直运动下去。
即：物体的运动不需要力来维持。
我们知道，斜面的阻力不可能完全消除，第二个斜面也不可能做的无限长。因此这个实验是一个理想实验，但是由这个实验得到的结论却是非常令人信服的。
回顾刚才的实验过程，我们多次借助了实验事实+逻辑推理的科学研究方式来突破实验条件的限制。
例如，虽然我们很难找到一个完全光滑的斜面，但是结合阻力越小，小球就越接近释放点等高位置的实验现象完全可以推知，如果完全没有摩擦，小球就会到达释放点的等高位置。
再比如，虽然我们很难找到一个无限长的光滑水平面，但是结合右侧轨道越平缓，小球运动的就越远的实验现象可以推知，如果水平面光滑且足够长，小球就会永远运动下去，而不需要力来维持。
伽利略理想斜面的本质是在可靠的实验事实基础上，想象着把实际中存在影响物体运动的摩擦去掉，从而抓住了力与运动关系(事物)的本质。(由伽利略所开创的)这种依据逻辑推理把实际的实验理想化的思想，(也为此后物理学的发展指明了方向,成为人们研究) 也是研究物理问题时的重要方法之一。这正是伽利略的伟大之处。
观察一猜想一实验基础+逻辑推理→结论
在伽利略的同时期，还有一位法国科学家笛卡尔也对此进行了深入的研究，提出了这样的观点。
3. 笛卡儿的运动观：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。
Q5：请同学们对比同时期的笛卡尔与伽利略的观点有哪些不同？
不同点1：“一直运动”与“同一速度”这组关键词的不同。伽利略只是说一直运动下去，但并没有说明如何直线运动；笛卡儿则明确了物体的运动是匀速运动。
不同点2：伽利略的研究只关注到了水平面上的运动，而笛卡尔的表述中，只强调沿着一条直线运动，这也就意味着任意方向的直线运动都可以，将物体的运动方向进行了拓展。通过对比可以发现伽利略的结论也存在一定的局限性。
在伽利略和迪卡尔工作的基础上，又隔了一代人之后，英国科学家牛顿总结出了一条基本定律，即牛顿第一定律。
二. 牛顿第一定律：
1.内容：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。
这条定律看似简单但是内涵却非常丰富。
【思考与讨论】① 牛顿第一定律从几个方面阐述了力和运动的关系？
② 牛顿第一定律能否用实验来验证？
【总结归纳】① 力不是维持物体运动状态的原因，力是改变物体运动状态的原因。
不受力时：匀速直线运动状态或静止状态。
受外力时：运动状态改变。
② 牛顿第一定律虽然所描述的是一种理想化状态，但它却正确揭示了自然规律。
2. 对牛顿第一定律的认识:
(1) “一切”适用于所有宏观物体、任何情况，是一条普遍适用的定律。
(2) “总保持”表明物体具有惯性。
(3) “力迫使它改变这种状态”指力是改变物体运动状态的原因。
3.牛顿第一定律的意义:
(1) 揭示了一切物体在不受外力时的运动状态：静止或匀速直线运动状态；
说明：牛顿第一定律给出物体不受力时的状态，而不受力的物体是不存在的。当物体合力为0时，运动效果与不受力的运动效果相同。
(2) 牛顿第一定律并非实验定律，不能用实验来验证；
(3) 揭示了力和运动的关系：力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因；
说明：“迫使”指力是改变物体运动状态的原因。当有力作用时，运动状态不得不改变，带有强烈的不情愿的色彩，形象生动，牛顿确实是牛人。
(4) 明确提出了一切物体具有惯性.所以牛顿第一定律又叫做惯性定律。
【思考题】在一密封的车厢内，你有办法判定车厢是处于静止状态还是匀速直线运动状态吗？有办法判定车厢是否有加速度吗？能判断加速度的方向吗？
(2) 适用条件：惯性参考系。
(3) “总保持”表明物体具有惯性。
惯性是我们日常生活中常见的现象，初中时我们已经学习过惯性的概念,了解过一些惯性现象，下面再观看几个视频，并解释其中的原因.
通过惯性实验视频可以看到，惯性与质量大小有关，进一步的实验表明，质量是惯性大小的唯一量度。
三. 惯性：
1. 定义：物体具有的维持原有运动状态不变的性质叫惯性；惯性是物质的固有属性.（与生俱来的）
2. 惯性的量度：质量是惯性大小的唯一量度；惯性大小与物体的运动状态和受力情况无关；
3. 对惯性的理解：
(1) 惯性的表现形式：当物体不受外力时，惯性表现在维持原有运动状态不不变；当物体受到外力时，惯性表现为“抵抗”改变或运动状态改变的难易程度上；
(2) 惯性和惯性定律的区别
①惯性是物体固有的、基本的属性，而惯性定律则是涉及物体运动的一条动学规律
②物体不受外力时惯性表现为物体保持匀速直线运动状态或静止状态，受外力时惯性表现为物体运动状态改变的难易程度不同；而惯性定律则是有条件的，其成立的条件是物体不受外力的作用
③惯性的大小取决于物体的质量，与物体速度大小、是否受力及是否有外力迫使它改变这种状态无关；
(3) 惯性与力的区别：
板书设计 4.1 牛顿第一定律一、力和运动人类认知过程1．亚里士多德：力是维持物体运动的原因。2．伽利略：力不是维持物体运动的原因。、 伽利略理想双斜面实验：可靠的实验基础+科学推理3．笛卡儿：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。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。2．揭示力与运动的关系：力是改变物体运动状态的原因不受力时：匀速直线运动状态或静止状态。受外力时：运动状态改变。三、惯性与质量1．定义：物体保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质。2．特性：① 一切物体都具有惯性，惯性是物体的固有属性② 惯性反映了物体抵抗运动状态变化的本领3．惯性的大小只与质量有关。质量越大惯性越大，质量越小惯性越小。
课后作业 同步学考练第一课时
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办学思路：创建适切教育 让生命幸福成长 培养目标:国际视野 家国情怀 卓越素养 自信成功