教科版高一物理必修一教案：3.1牛顿第一定律(1)

“牛顿第一定律”教学设计 【学情及教材分析】 关于本节内容，学生们不是空着脑袋进入课堂的，相反，在初中阶段他们已经学习过牛顿第一定 律，学生知道牛顿第一定律的内容——尽管表述侧重有所不同；学生知道证明这个定律的实验——尽 管是伽利略的“理想实验”的“另一个版本”：小球从斜面同一位置滚下，平面上分别为毛巾和木板、 摩擦力依次减小、停止位置越来越远；学生也知道惯性，尽管并没有完全理解……那么高中的本节内容 到底和初中的有什么不同呢？ 第一，相对于初中对这一概念发展史的一带而过，高中教材所花的近一半篇幅重在传递一个信息： 抽象思维在科学发展中有着重要的地位和意义，因此这其中的发展史是值得好好品味的，特别是伽利 略的思维中的逻辑关系。第二，牛顿第一定律是要解决实际问题的，学生接触的运动状态不再仅限于 初中了解的静止和匀速直线运动，还有了变速运动的概念，那么牛顿第一定律体现在静止的物体、匀 速运动的物体，以及变速运动中具体又是如何的，这就是一个教学的重点和难点了。第三，对惯性的 普遍性和惯性的量度两点的理解也是本节课值得突破的一个重点。 【知识与技能】 1. 能清楚的描述伽利略关于力和运动的思想观念，以及对应设计出的理想实验和相应的推理结论； 2. 能准确表述牛顿第一定律（惯性定律），并能对定律有较为深入的理解 3. 能举例说明物体的质量是其惯性大小的量度 【过程与方法】 1. 了解发现牛顿第一定律的历史过程，并能做出初步评述 2. 通过实验体会牛顿第一定律深刻的思想性和认识问题的本质性 【情感态度价值观】 感受人类认识规律的曲折历程，体会科学方法的重要性 【教学重点】 1. 理解伽利略的理想实验的思想 2. 理解牛顿第一定律的惯性内涵 3. 知道惯性是物体固有的属性，质量是惯性的唯一量度 【教学难点】 1. 理解牛顿第一定律的惯性内涵 2. 知道质量是惯性的唯一量度 【教具准备】 单摆、理想实验装置、平板推车、小车、悬浮泡沫球的小桶、分组观察用的水瓶、ppt 【教学流程】 引子：神州 11 号发射视频引入动力学 人类对“力和运动”关系认识的发展史 牛顿第一定律 亚里士多德基于生活现象的归纳：力是维持物体运动的原因 反对的声音：德谟克利特和伊壁鸠鲁的观点 伽利略用“理想实验”证明他的观点：力是改变物体运动原因 理想实验的“理想”之处：没有摩擦 笛卡尔的用“上帝”解释了他的直线运动观点 牛顿的概况和升华：牛顿过第一定律 牛顿第一定律表述和惯性概念 惯性定律内涵的理解：在不同运动状态下物体如何体现惯性 “惯性”表现为对“原有运动状态的保持”，以 【教学过程】 1. 引入：神州 11 号发射视频 2016 是我国是中国航天发射非常密集的一年，截止今日已成功发射 14 次，9 月 15 日发射的天宫二号是 我国第一个真正意义上的空间实验室，刚才我们看到的是 10 月 17 号神舟 11 号载人飞船的发射，目前已经 与天宫二号实现对接，两名宇航员也进入空间实验室开展一系列的研究活动。 提问：如果要发射卫星、飞船、空间站，只有我们学过的速度、加速度的知识足够吗？回答：不能。 定义：运动学：只研究物体怎样运动而不涉及运动和力的关系的理论；动力学：研究运动与力的关系的 理论。 在力的学习中，我们知道了力能改变物体的运动状态。那么力和运动到底有什么样具体的关系呢？今天 我们就开始学习动力学的相关理论——牛顿运动定律。我们先从牛顿第一定律开始。 2. 人类对“力和运动”关系认识的发展史——“牛顿第一定律”的发现史 2.1 亚里士多德从生活现象归纳他的观点：力是维持物体运动的原因 视频 1：学生推泡沫箱（图 1）。 视频 2：学生甲和学生乙在桌面上传递魔方（图 2）。 图 1 图 2 提问：这是生活中常见的现象，从刚才你看到的视频中，你看到了物体在什么样的情况下才会运动？ 回答：当有外力施加在物体上，物体就会运动，外力撤去运动就会立即或者过一会儿停下来 正是基于这样的生活经验，两千多年前亚里士多德（Aristotle 公元前 384-公元前 322）“归纳”得 出了这样的观点：物体的运动，需要力来维持。在他《物理学》一书中他是这样描述的：“让我们假定 一切或一些自然物是在被运动着，通过归纳这很是明显。” “...被他物所运动的移动有四种——拉、推、 带、转。一切地点方面的运动都被归为这四种。”“带和转又能归为拉和推。” 在吴朕恺推魔方时，刚松手魔方并没有马上停留下来。亚里士多德又是怎么解释这类现象的呢？ 其实亚里士多德的观察也是很细致的，他也注意到了这类现象，他认为“是最初运动者使…气、水或者 其他某种类似的东西成为运动者，…这类东西…在最初运动者停止运动它的同时停止了被运动，但却仍 然在运动；所以它是在运动着某个接续着它的东西。”在他看来，气、水这类物体和一般物体时不同的， 这样的解释恐怕就把对物体的认识复杂化了。 当然，并不是所有的人都和他的观点是一样的。德谟克利特（Democritus 公元前 460-公元前 370）， 在他的原子论中有这样的观点：原子在虚空中只要通过直接接触——压迫、撞击等，它们才能相互作 用，超距作用是不可能的。伊壁鸠鲁（Epicurus 约公元前 342-约公元前 270）他发展了德谟克利特的原 子论，并认为“当原子在虚空里被带向前进而没有东西与他们碰撞时，它们一定以相等的速度运动。” 尽管争议不断，由于大量的生活经验的“支持”，在接下来的近两千多年里，亚里士多德的观点“力 是维持物体运动的原因”仍然成为了主流的观点。 2.2 伽利略用“理想实验”证明他的观点：力是改变物体运动的原因 进入 17 世纪，伽利略有了不同的观点。他注意到了物体在斜面上滚动的运动特点。 实验：小球从斜面滑下，又滚上另一个斜面。（图 3） 提问：你看的速度如何变化？回答：滚下来加速，滚上去减速。 伽利略也有相同的发现，小球从斜面上滚下来时是加速，滚上斜面是减速。同时他又开始大胆猜 测：如果是在平面上滚动呢？是不是应该既不加速也不减速？在证明他的猜想过程中，他还提出了一 个大胆的推断。 图 3 图 4 实验：观察单摆的摆动。（图 4） 提问：摆球从一定高度释放，它在另一侧摆起的高度有什么特点？回答：一样高。 伽利略在年轻时曾仔细研究过研究过教堂中晃动的灯，他发现这种摆动有一个特点：总能摆到几 乎相同的高度。而斜面上滚动的小球则达不到相同的高度。伽利略由此判断，这是小球在斜面上滚动 时受到摩擦力作用的结果。于是他大胆假设：如果没有摩擦力，斜面上滚动的小球就能达到同样的高 度。 实验：斜面实验模拟，不断改变第二个斜面倾角。（图 5） 图 5 在这样的设想下，伽利略开始考虑改变第二个斜面的倾角，倾角不断减小，但是小球始终要达到 同样的高度，当第二个斜面变水平时，小球由于永远无法达到同样的高度，只能一直运动下去。 刚才的实验就算是在今天也是不可能实现的，因为我们无法做到完全没有摩擦，在伽利略的时代 就更是不可能。因此这个实验并不是真正做的，而是伽利略在思想中做的，因此我们把这个实验称为 “理想实验”。 伽利略有一本对话体的著作《关于两门新科学的对谈》（1638 年），在第三天的对话中，他是这样 写的，“我们可以指出，任何一个速度，一旦赋予了一个运动物体，就会牢固地得到保持，只要加速或 者减速的外在原因是不存在的。这种条件只有在水平面上才能见到，…因此可见，沿平面的运动是永无 休止的。如果速度是均匀的，它就不会减小或放松，更不会被消灭。” 总的来说，在伽利略的观点中，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。值 得一提的是，受到亚里士多德的影响，伽利略保留了圆周运动的观点。 2.3 笛卡尔用“上帝”解释了直线运动 1644 年，哲学家笛卡尔在他《哲学原理》一书中这样写 ：“上帝在创造物质的时候，就赋予物质 各部分以不同的运动，而且使所有物质保持创造出来的那个时候所处的方式和状态。所以，上帝也就 是这些物质保持着原来的运动的量。”“自然的每个部分不是沿曲线运动，而是沿直线运动。这个规则… 来自上帝是不朽的，他以最简单的方式保持自然中的运动。”可以说，他的观点已经非常接近今天的牛 顿第一定律，可惜他把这一切归功于了上帝。 2.4 牛顿在前人的基础上提出著名的“牛顿第一定律” 1687 年牛顿总结了前人研究的成果，并第一次明确了力的概念，并赋予了物体惯性的内涵。也正是从 他开始，我们才有了“力”这个名称。 在他《自然哲学的数学原理》一书中，直接归纳用定律的方式提出了他的观点：“定律一：一切物体总 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。”同时还有以下说明，“抛 射体如果没有空气阻力或重力向下牵引，将维持射出时的运动。陀螺各部分的凝聚力不断使之偏离直线运 动，如果没有空气的阻碍，就不会停止旋转。行星和彗星一类较大物体，在自由空间中没有什么阻力，可 以在很长时间里保持向前的和圆周的运动。” 3. 牛顿物理学的基石：牛顿第一定律 3.1 牛顿第一定律和惯性 牛顿第一定律表述：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。 在这个表述中，“一切”和“总”这个两个词语说明任何物体在任何情况下都具有“保持匀速直线运动 状态或静止状态”的特性，这就是惯性——物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质。惯性 是物体的固有属性。牛顿第一定律也称惯性定律。 3.2 如何理解惯性，用惯性定律解释现象 实验讨论：将一辆阻尼较小的实验小车放在可以移动的平板上，，分别就以下几种情况就实验观察讨论： （图 6） 1 让小车静止时，讨论小车是否有惯性？如何体现惯性？ 2 推动平板让小车一起匀速运动，讨论小车是否有惯性？如何体现惯性？ 3 突然推动平板，让小车由静止启动，讨论小车是否有惯性？如何体现惯性？ 4 匀速推动平板时突然加速，让小车做加速运动，讨论小车是否有惯性？如何体现惯性？ 5 匀速推动平板时突然停住，让小车做减速运动，讨论小车是否有惯性？如何体现惯性？ （图 6） 小车静止 没有外 力 原来静止 保持静止 小车匀速运动 原来做匀速直线运动 保持原有速率做匀速直线运动 小车启动 有外力 作用 原来静止 要保持静止 小车加速 原来做匀速直线运动 要保持原有低速做匀速直线运动 小车减速 原来做匀速直线运动 要保持原有高速做匀速直线运动 总结：惯性让物体表现为对“原有运动状态的保持”，以及“对运动状态变化的抵抗”。 3.3 惯性的大小和质量 3.3.1 惯性大小的量度 不同的物体对运动状态变化的抵抗本领是不同的，那么和什么因素有关呢？ 学生演示实验：分别吹一吹桌面上的三个差不多大的球，分别是泡沫球、实心塑料球、实心钢球，比一 比哪个运动状态容易变化？是什么因素的差异造成的？（图 7） （图 7） 实验结果：泡沫球最容易吹动，塑料球其次，钢球基本吹不动。 实验结论：质量大的物体惯性大，质量小的物体惯性小。 质量是惯性的唯一量度——质量新的定义。质量是标量，只有大小没有方向。单位：国际单位制中为千 克 3.3.2 惯性的实例分析 预测：运用惯性知识，预测将一个装满水的大桶向左加速，利用悬线浮在中部的泡沫球将向哪里运动？ （图 8） （图 8） 演示并学生分组实验：将装满水的瓶子水平放置，将瓶子水平加速，观察水底的玻璃珠、浮在上面的泡 沫球、以及气泡的运动情况，比较加速空瓶中泡沫球的运动，并尝试用惯性解释。（图 9） （图 9） 学生讨论并解释：加速时，泡沫球与同体积的水相比，质量小惯性小，所以表现出来的是水保持了原 来的静止状态；而玻璃球与同体积的水相比，质量大惯性大，所以表现出来的是玻璃球保持了原来的静止 状态。气泡的原理则和泡沫球的原理相同。 4. 小结： 4.1 牛顿第一定律的发展史 伽利略的理想实验 4.2 牛顿第一定律和惯性 4.3 质量是惯性的唯一量度 课后思考题：火箭在发射时通常都是倾斜的，是向西斜好呢，还是向东斜好，与地球自转有没有关系？ 【教学反思】 课程前半部分关于物理学史的介绍让学生更多的了解了牛顿第一定律的艰难诞生，更凸显了伽利略的 逻辑分析过程、理想实验的重要地位，以及牛顿的重要工作。 平板上小车的实验观察和归纳，加深了学生对牛顿第一定律内涵的理解：物体到底是怎么“保持原来 匀速直线运动状态或静止状态”的。也为后面牛顿第二定律的研究打下了伏笔。 最后水中小球运动的情况的实验研究过程一方面是检验了学生对惯性定律的理解，另一方面也在不经 意中让学生知道了无论液体、气体还是固体都具有惯性，惯性是物体普遍具有的属性。