牛頓運動第一定律教學設計與思考

1、牛頓運動第一定律教學設計與思考2007/11 劉敏教學目的：1知道亞里士多德、伽利略等對力和運動的關系的不同認識，了解伽利略的理想實驗及其推理和結(jié)論，認識理想實驗是科學研究的重要方法；2理解牛頓第一定律的內(nèi)容和意義；3掌握慣性的概念，會應用慣性解釋自然現(xiàn)象；4通過問題的分析和研究感悟科學研究的方法和規(guī)律。重點難點：牛頓第一定律的理解和應用教材處理：將教材第一節(jié)部分內(nèi)容滲透到牛頓運動第一定律的教學過程中，并且在本章的教學過程中不斷滲透其思想方法，通過不斷深入的理性思維引導，提升感悟認識。課型：規(guī)律建立課教學方法：以講授為主，調(diào)動學生觀察與思維體驗手段：利用手邊的鑰匙做演示實驗，多媒體輔助教學教學

2、過程 情景引入：提供虛設報道據(jù)悉：“2000年7月25日，協(xié)和號客機班機AF4590在跑到上起飛，速度達到328km/h時，機長得知飛機機翼起火，緊急制動,飛機立即停止運動.”（在運動規(guī)律的研究中已經(jīng)利用協(xié)和號客機有關信息，本課再次利用此材料，從另一個角度引起學生關注與思考）。學生表示強烈反對，并且紛紛提出慣性問題。師生回顧實際情景多媒體視頻：協(xié)和號客機班機AF4590在法國戴高樂機場進行起飛，奔馳了約2000米、速度達到328km/h時，輪子壓上美國大陸航空的DC-10脫落的小鐵條，飛機機翼起火，如果停止起飛過程需要沖出約3000米長的距離（此結(jié)論在第一章學習過程中由學生推論而得到過），機長

3、拉起飛機，兩分鐘后飛機墜毀。學生和老師一起再次經(jīng)歷心靈的震撼。教師肯定學生們有關慣性的說法慣性致使飛機不能立即停止運動？同時提出問題：假如有足夠長的跑道，在3000米長的距離上有沒有力強迫飛機向前奔馳？學生的結(jié)論出現(xiàn)分歧，有同學提出有沖力，教師不急于表態(tài)。在后面的問題研究過程中希望學生可以自我感悟認識問題。教師演示實驗，學生觀察實驗引導學生體會、思考力與運動的關系：使一串鑰匙：豎直上拋、使其擺動、使其圓周運動，提出思考問題：為什么小球的運動過程不一樣？學生觀察后絕大多數(shù)答案：小球受力情況不同。教師變換條件，演示實驗，學生觀察實驗引導學生思考，感悟力不是決定具體運動形式唯一因素。使同一串鑰匙落體

4、、上拋、平拋、斜拋問題：小球受力情況是否相同？答案：均只受重力問題：為什么小球的運動過程不一樣？學生對比兩次實驗，深刻思考反思，有學生說到有慣性！ 教師肯定，并且強調(diào)初始狀態(tài)不同。教師引出新課題：運動學（kinematics）只研究物體怎樣運用而不涉及運用與力的關系的理論；動力學(dynamics)研究運動和力的關系的理論。教師調(diào)動學生：讓我們走進牛頓的世界“大自然和他的規(guī)律深藏在黑夜里 上帝說讓牛頓出世吧 于是一切就都在光明之中” 牛頓的墓志銘第三章 牛頓運動定律之牛頓第一定律牛頓定律整個動力學的基礎教師講解：一個基本問題，幾千年來，因為它太復雜而含混不清，這就是運動問題。探究問題：物體運動

5、的原因究竟是什么？人們的直覺經(jīng)驗：力是維持運動的原因古希臘的哲學家亞里士多德（公元前384322年）：“一切運動的物體必定受某物的驅(qū)動”，外力是物體產(chǎn)生并維持運動的原因古希臘的哲學家亞里士多德所著物理學一書中認為：機械運動有自然運動和機械運動，如馬拉車行駛，奴隸曳船行駛，這些運動必須要勞動者，即運動必須有外力維持，否則就歸于靜止。他認為“一切運動的物體必定受某物的驅(qū)動”。千百年來人們都相信亞里士多德的說法：外力是物體產(chǎn)生并維持運動的原因。強調(diào)亞里士多德分析與認識問題的方法：根據(jù)對現(xiàn)象的觀察、直覺推理得到結(jié)論。提出思考問題：你是否同意亞里士多德的觀點：力是維持物體運動的原因，速度本身標志著是否有

6、力作用在物體上？同學已經(jīng)有足夠的經(jīng)驗、知識、說“不”！一、伽利略理想實驗的魅力回顧問題：關于力，伽利略斷言了什么？ 伽利略認為將人們引入歧途的是摩擦力的存在。提出假設請學生想象與思考，假如沒有了摩擦會怎么樣？教師隨手演示，仍然使一串鑰匙擺動，觀察其經(jīng)歷幾乎擺上初始高度?；蛟S就是這樣的觀察經(jīng)驗，使伽利略設想了理想實驗。斜面實驗課件模擬。引導觀察和思考，伽利略理想實驗經(jīng)驗與推論：理想條件下，小球可以達到原來等高位置；傾角越小，會運動得更遠； 假如水平，小球?qū)⒂肋h運動。設小球釋放的高度不同，在水平面上的速度不同，但是沒有使物體減速的原因，物體會保持達到最低點的狀態(tài)（速度）運動。推論：力不是維持運動的

7、原因（不是維持速度的原因），而是改變物體的運動狀態(tài)（改變速度）的原因。視頻：沙弧球在摩擦作用非常弱時，沙弧球運動距離被極大地放大了。為伽利略理想實驗推論提供體驗性支持。視頻：保齡球以強烈的勢頭沖向目標多次重復，請學生尋找沖力？同時對前面協(xié)和號問題得到統(tǒng)一認識運動不需要力維持引導總結(jié)“伽利略與亞里士多德觀點的分歧在什么地方”？笛卡兒：除非物體受到外力的作用，物體將永遠保持靜止或運動狀態(tài)，永遠不會使自己沿曲線運動，而只是保持在直線上運動。他認為這應該作為一個原理加以確立，并且使人類整個自然觀的基礎。二、牛頓第一定律（Newton first law of motion）一切物體總保持勻速直線運動狀

8、態(tài)或靜止狀態(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)引導對第一定律的深刻析、討論：如何理解“一切物體”？不論物態(tài)如何、不論狀態(tài)如何、不論什么位置一反幾千年束縛人們思想概念的教會觀點天上與地面的物體遵從不同的規(guī)律。 “除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)”肯定了力的真正作用改變物體的運動狀態(tài)，而不是維持物體的運動狀態(tài)。強調(diào)：物體運動狀態(tài)變化的特征表現(xiàn)是什么？“位置”和“速度”是描述物體運動狀態(tài)的物理量，物體運動狀態(tài)的變化主要表現(xiàn)為速度的變化“總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)”強調(diào)物體具有保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質(zhì)慣性慣性（inertia）：物體保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)性質(zhì)物體本

9、身的本能。自然界是非?！皯卸琛钡?，本性希望保持運動狀態(tài)不變，保持運動狀態(tài)不變是物體與生據(jù)來的一種本能。問題思考：企圖保持不變，是不是不能變化？否！ 物體具有保持原來運動狀態(tài)不變的本領慣性本能；歧途不變，能不能不變?nèi)Q于是否有力迫使其改變。問題深入：所有物體均具有慣性，是否所有物體保持原來狀態(tài)不變的本領相同？不同的物體保持原來運動狀態(tài)不變的本領不同，而迫使不同的物體改變狀態(tài)需要復出的努力是不同的慣性大小不同，是什么使得慣性大小不同？深入分析與思考：研究物體的慣性大小與什么有關？學生提出速度、重力、密度、光滑等因素。教師引導，理性思維研究分析：關于速度，引導逆向思辨可否認為我現(xiàn)在速度為零，慣性為零

10、？可否認為我乘坐動車組飛奔著慣性增加？可否認為我對面乘客慣性為零？學生深層次思考討論。統(tǒng)一認識：慣性既然是物體本身的屬性就應該與外界條件、外界作用是否有、大小、速度大小沒有關系。速度具有相對性，相對于不同參照系，速度不同，而物體本身的屬性應該與參照系的選擇無關。光滑光滑是否沒有慣性？強調(diào)摩擦的作用。重力是否在太空中、衛(wèi)星上沒有慣性，能否以意念改變物體狀態(tài)？視頻失重，強化理解。密度是物質(zhì)的特性之一，慣性是否與密度相關？比較冰和石頭？一冰山足可以撞壞太坦尼克號！質(zhì)量是物體慣性大小的量度可以抽殺乒乓球、羽毛球，不可以抽殺鉛球、保令球，撼樹容易，撼山難。這樣的事例，使學生心靈感悟得到強化。進一步：太坦

11、尼克號已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了冰山，為什么躲閃不開？協(xié)和號為什么難于改變運動狀態(tài)？質(zhì)量大，運動狀態(tài)難于改變。三、慣性與質(zhì)量質(zhì)量是物體慣性大小的量度質(zhì)量 (mass) m標量 單位：千克 符號 kg四、解釋生活現(xiàn)象，問題討論：1、 最便宜的旅行方式。有人設想，乘坐氣球飄在高空，由于地球自轉(zhuǎn)，一晝夜就能環(huán)游世界，這個設想可行嗎？答：因為地球上一切物體，（包括地球周圍的大氣）都隨著地球一起運動，氣球升空后，由于慣性，它仍保持原來隨地球自轉(zhuǎn)的速度，當忽略其他與地球有相對運動的作用而產(chǎn)生的影響時，升空的氣球與它下方的地面處于相對靜止狀態(tài)，不可能相對地球繞行一周。這就可以解釋為什么地球自西向東轉(zhuǎn)動，我們豎直上拋的物體還

12、會落到原來的地方？而不是落在原位置的西邊？現(xiàn)實類比：觀察視頻汽車上拋球：在快速行進的汽車上，豎直拋出的物體會落回手里。引申，思維體驗：如地球突然停止轉(zhuǎn)動，可能會發(fā)生什么問題？2、 既然任何物體都具有慣性，所以任何物體的運動狀態(tài)都不能變化？3、 物體運動狀態(tài)變化了，是不是就沒有慣性了？注意：力改變的是狀態(tài)而不是改變了慣性總結(jié)：牛頓第一定律慣性定律牛頓物理學的基石一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)。意義：正確揭示了力和運動的關系；定義了慣性概念：物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)性質(zhì)。關于“對力學所需的基本概念、基本假定、對物質(zhì)運動的基本觀點都作了界

13、定”的問題，鑒于學生的理解能力有限，暫不說明。注意：慣性不是力！問題拓展：物體存在慣性是一件好事還是壞事？設想，假如物體沒有慣性世界會是什么樣的？慣性的利用和預防 ，課件 撞車 安全帶視頻，學生對慣性的感悟與體驗再次得到強化，同時強化了安全意識。認識拓展，問題：不受力作用的物體是不存在的，所以牛頓運動第一定律不能經(jīng)過實驗檢驗，那么慣性定律為什么還被認為是一客觀規(guī)律？引導認識：1、 不存在反例2、 近似條件彗星運動視頻：沙弧球運動、氣墊導軌實驗3、 以其為理論依據(jù)得到的推論可以經(jīng)過實踐檢驗4、建立在實際觀察和理性思維上教師展開：人類對于慣性的認識從亞里士多德到伽利略一直至牛頓，經(jīng)歷了2000多年

14、無數(shù)個有名無名的科學家的探索才逐漸趨向完美，而其中對伽利略的用理想實驗的思想方法給人以深刻的啟迪?！耙淮茖W家探索自然界奧秘的努力，就像是讀福爾摩斯一類的偵探小說。在好的偵探故事中，一些最明顯的線索往往將讀者引導到錯誤的猜疑上去，憑直覺的推理方法是靠不住的”。物理學的進化愛因斯坦、英費爾德愛因斯坦對伽利略的貢獻給予高度評價：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端”。這個發(fā)現(xiàn)告送我們，根據(jù)直接觀察所得出的直覺的結(jié)論，并不總是可靠的，因為它們有時會引到錯誤的線索上取。物理學的進化愛因斯坦、英費爾德我國遠在春秋戰(zhàn)國的“墨經(jīng)”上已有慣性的論

15、述。在春秋戰(zhàn)國末期的考工論車舟人篇中更有明確的記載：“勸登馬力，馬力既竟竭，猶能一取也?！币馑际钦f：馬拉車的時候，馬雖然對車不再施力了，但車還能繼續(xù)前進一段路，這顯然是講述一種慣性現(xiàn)象。這段歷史對每個學習物理并愿通向成功之路者是最好的借鑒。伽利略的科學研究方法：可靠事實+理論思維理想實驗 課后思考問題：第一定律建立的科學方法到底是什么？(在本章的教學中，不斷的滲透科學方法教育)；設計實驗，證明氣體和液體有慣性(第二講，可以請學生展示他們的設計)；亞里士多德到底是一個什么樣的人？如果你想了解有關亞里士多德和伽利略的更多內(nèi)容可以到查找再本章結(jié)束時，要求學生寫從亞里士多德到伽利略到牛頓的感想體會。作

16、為本章測評的一部分。本課的設計思想是我多年所堅持的，經(jīng)過多年的實踐，并且不斷完善，近年來引入了多媒體，提高了課程的體驗與感染力。多年來，本課有學校內(nèi)外，本學科及其他不同學科的很多老師聽課，給以高度認同?？梢酝ㄟ^以下一組問題的判斷，知識鞏固并且檢測教學效果問題判斷：1、 一切物體都具有慣性，直到有外力迫使其改變狀態(tài)為止錯（力改變的是狀態(tài)而不是改變了慣性）2、 運動越快的物體一定受到更大的力作用，力越大，物體的速度一定越大錯3、 由于任何物體都具有慣性，所以任何物體的運動狀態(tài)都不會無故改變對4、 不受外力作用時，物體的運動狀態(tài)保持不變，是因為物體具有慣性對5、 受力作用時，物體的運動狀態(tài)變化，說明受力作用后物體不再具有慣性了 錯6、 受力作用時物體的運動狀態(tài)變化，要持續(xù)改變狀態(tài)必須持續(xù)施加力，這是因為物體的慣性在起作用對7、 在水平面上運動的物體，撤消動力后，最終會停止運動，這是因為物體不受作用力了 錯