4.1 牛顿第一定律 教案

牛顿第一定律
北京四中 汤玉林
一、概念及层级
L1：力不是维持物体运动的原因
L2：物体不受力时总保持静止或匀速直线运动
L3： 力是改变物体运动状态的原因
L4：物体运动状态改变的难易程度跟质量和受力有关

二、教学内容分析
牛顿第一定律是牛顿物理学的基石，是力学的第一原理。牛顿第一定律揭示了运动和力的关系：力不是维持物体速度的原因，而是改变物体速度（运动状态）的原因。在初中阶段的学习中，学生虽然除了“惯性与质量”这一问题没有专门学习外，关于本节其他的知识都有了大致的了解。他们知道亚里士多德的观点总是错的，知道伽利略做了理想实验就得出了牛顿第一定律，练得最多的是通过惯性程式化的解答相关的实际问题。
高中阶段的学习，首先应该在已有认识的基础上，纠正一些片面、不恰当的认识，进一步深化和提高对相关问题的认识，领悟理想实验在物理学发展中的重要地位和作用。
三、教学目标
1、教学目标
（1）知识与技能
了解伽利略和亚里士多德对运动和力的关系的不同观点和依据．
认识伽利略理想实验的方法是科学研究的重要方法，它对物理学发展的重要意义．
理解牛顿第一定律的内容和意义．
知道惯性，知道质量是惯性大小的量度，并会正确解释有关现象．
了解惯性参照系．
（2）过程与方法
体会理想实验在物理学发展中的重要地位和作用．
收集实例分析，体会力不是维持物体速度的原因，而是改变物体速度的原因．
尝试分析物体具有保持原来状态的“本领”，初步体会质量这一科学概念．
（3）情感、态度和价值观
通过了解伽利略破除了长达近两千年的亚里士多德的错误观点的史实，培养尊重事实的科学精神
激发学生积极的学习兴趣、喜欢思考的热情和勇于探索的精神。

四、基于进阶的教学过程设计
引入
通过游戏与演示实验，引入力与运动关系的讨论：
投网球游戏：让学生站在教室的一端往另一端的框中投网球；
教师演示实验：实验装置如右，如何让处于斜面顶端立柱上的球落入同在斜面上杯子中？
提出要控制物体的运动，需要精确的控制对物体的作用（力），引入力与运动关系的讨论。

L1：力不是维持物体运动的原因
教师活动：演示：推小车（滑动）
演示：推小车（滚动）
与第一次相比，为什么物体在撤去外力后能够继续运动呢？
学生活动：可以分析出第二次用滚动摩擦代替了滑动摩擦，摩擦阻力减小了，所以物体能够运动的更远了。可见，力不是维持物体运动的原因，
教师活动：在历史上第一个将无形的摩擦力挖掘出来的科学家是伽利略。伽利略通过深入思考得出运动的物体之所以停下来，是因为有摩擦力或空气、水等流体的阻力作用的结果。他意识到如果没有摩擦力，水平面运动的物体会一直运动下去。
同学们想想能否创设一个没有摩擦的情景，从而来验证伽利略的观点？（学生给出了否定的答案）
咱们现在都不能创设没有摩擦的情景，那伽利略当时是如何论证自己的观点呢？

L2：物体不受力时总保持静止或匀速直线运动
教师活动：伽利略的斜面理想实验
介绍伽利略的理想实验
演示：小球从一个铺有黑色电胶布的斜面滚下，滚向另一个对接的斜面
可以看到小球先做加速运动，然后做减速运动，直到速度为零
演示：撤去胶布，重做实验
可以看到小球可以达到更高更远的位置
提问：摩擦减小之后，小球可以达到更高更远的位置，如没有摩擦力，小球可以到达什么位置呢？
学生活动：通过推理，小球可以到达和滚下前同样高度的位置。
教师活动：小球从斜面往下运动时，有加速的原因，速度越来越大，当小球冲上斜面时，有减速的原因，速度越来越小，那么小球既不往上也不往下时，小球将会怎样？
学生活动：猜想
教师活动：演示：如果不计摩擦，将对接斜面的倾角减小，重做上面的实验
可以看到小球能够滚得更远
提问：为什么能够滚得更远呢？
学生活动：减小倾角后，小球还“想”运动到原来的高度，所以运动的更远了。
教师活动：演示：进一步减小倾角，重做实验
进一步减小对接斜面的倾角，小球运动的距离就会进一步变大。
演示：当对接斜面倾角为零时，小球一直运动下去。
如果没有摩擦，当对接斜面的倾角为零，且无限长时，小球将一直运动下去。
结论：——若无摩擦，水平面上的物体会一直运动下去！
到这里，伽利略的观点才被别人“不得不”接受了。
这就是伽利略著名的斜面实验，但伽利略没有找到没有摩擦的斜面，也没有无限长的斜面。所以我们把伽利略的斜面实验称之为理想实验。即可靠的事实+推理。
教师活动：亚里士多德通过观察得出了力是需要力来维持的，而伽利略通过理想实验得出了力不是物体运动的原因，同学们对比一下两位科学家在研究方法的不同。
学生活动：讨论
教师活动：
对比亚里士多德的研究与伽利略的研究
亚里士多德：观察---结论。
伽利略：观察---推理---实验---结论
这是伽利略开创的科学研究方法。该研究方法使得科学在短短几百年的时间了得到了迅速的发展，对后来的科学发展中起到了卓著的作用，使得物理这所大厦在短短几百年间就基本建立起来了。
亚里士多德和伽利略：研究方法不同，认识层次不同，获得结果不同
正如爱因斯坦对伽利略的高度评价：“伽利略的发现以及它所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”

教师活动：介绍伽利略之后其他科学家对力与运动关系的贡献
笛卡尔的观点
与伽利略同时代的科学家，采用了科学的研究方法，进一步补充完善了伽利略的观点。如笛卡尔认为：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，既不停下来也不偏离原来的方向。当然物体开始就静止，物体将在不受力时将始终保持静止状态。

L3： 力是改变物体运动状态的原因
教师活动：伽利略和笛卡尔的研究表明，物体不受力的作用，物体静止或做匀速直线运动，那么，物体受力作用后，物体的运动会有什么变化呢？
视频：小铁球在磁铁的作用下的运动
学生活动：可以看到小铁球在磁铁的吸引力作用下，有时速度增大，有时速度减小，有时速度方向还发生了变化。可见，物体受力时，物体的运动状态会发生变化。即力是物体产生加速度的原因。
教师活动：在历史上，对力与运动状态改变的关系进行了深入研究并取得丰硕成果的科学家是牛顿。牛顿在前人的基础上，对力与运动的关系进行了深入的研究，提出了现在我们称之为牛顿运动定律的著名论断。
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。
牛顿第一定律进一步揭示了物体不受力作用，将保持静止或匀速直线运动，如果受力作用，则会产生加速度。
L4：物体运动状态改变的难易程度跟质量和受力有关
教师活动：通过牛顿第一定律我们知道力是物体产生加速度的原因，我们也可以得出同样的物体在不同的外力作用下，其运动状态改变的剧烈程度是不相同的。
那不同的物体在同样的外力作用下，其运动状态的改变是否相同呢？
教师活动：牛顿第一定律指出了一切物体都有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质，将物体保持匀速直线运动状态和静止状态认为是物体的固有属性，称之为惯性。惯性就是物体具有抵抗运动状态变化的本领，但不同物体抵抗运动状态改变的本领并不相同。运动状态改变难即本领大，反之则这种本领小。
提问：物体抵抗运动状态改变的本领大小与什么有关？
学生活动：同样的力作用于不同的物体，运动状态改变难即本领大，反之则这种本领小。
教师活动：同学们是否可以设计一个简单的实验来验证你的结论？
学生活动：学生讨论后教师点评
教师学生一起参与活动：演示实验（让一个学生全力吹被绳子悬挂的两个外表都包上锡纸的球，一个塑料一个金属）。
观察到在相同的外力的作用下，塑料球很容易改变静止的状态，而金属球较难改变其静止的状态。可以得出金属球比塑料球惯性大。
质量是物体惯性大小的唯一量度。
可见物体运动状态的改变跟物体的质量和受力有关。
教师活动：惯性在生活中有哪些应用
学生活动：学生举例
教师活动：介绍惯性参考系
创设情境：一人坐在加速运动的车里，一人在地面静止。讨论惯性参考系。
例如，在一辆以加速度a匀加速行驶的汽车内，悬挂一个小球，如图所示。
在地面上的观察者看见悬线与竖直方向成夹角θ，是天真地义的，因为只有悬线与重力不在同一直线上，才能使小球产生加速度，且 。
但在车厢内的观察者就感到诧异了，小球明明受到两个不在同一直线上的两个力作用，却处于静止状态！
应用牛顿定律时，选用的参照系应该是惯性参照系。
五、设计的思考与启发
1、通过学生参与投网球游戏及教师演示小球入杯体会要想控制物体的运动，我们需要通过某种控制（施加力）使物体按我们的要求做各种运动。引入运动与力的关系问题。
2、理想实验作为一种科学的思维方法。通过展示伽利略斜面理想实验的猜想依据、设计思路、推断结果这一思维过程，使学生领悟理想实验在物理学发展中的重要地位和作用。
3、通过惯性定律的教学，强调它在科学中的地位与作用，引导学生了解科学的发现和发展。科学的发现都有其深刻的社会背景和科学背景，同时，科学家自身的创造性思维品质和敢于质疑、坚持真理的献身精神也是本节课情感态度价值观教育的良好契机。
本节课的核心探究是通过伽利略斜面实验，层层设问，逐步深入，领悟理想实验的重要地位和作用。在此基础上，帮助学生进一步理解和建构惯性的概念。


悬线倾斜才能使小球加速嘛！

小球静止，而受到两个不在同一直线上的力？！