牛頓運(yùn)動(dòng)第一定律教學(xué)設(shè)計(jì)與思考

1、牛頓運(yùn)動(dòng)第一定律教學(xué)設(shè)計(jì)與思考2007/11 劉敏教學(xué)目的：1知道亞里士多德、伽利略等對力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系的不同認(rèn)識，了解伽利略的理想實(shí)驗(yàn)及其推理和結(jié)論，認(rèn)識理想實(shí)驗(yàn)是科學(xué)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(huì)應(yīng)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(xué)研究的方法和規(guī)律。重點(diǎn)難點(diǎn)：牛頓第一定律的理解和應(yīng)用教材處理：將教材第一節(jié)部分內(nèi)容滲透到牛頓運(yùn)動(dòng)第一定律的教學(xué)過程中，并且在本章的教學(xué)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(dǎo)，提升感悟認(rèn)識。課型：規(guī)律建立課教學(xué)方法：以講授為主，調(diào)動(dòng)學(xué)生觀察與思維體驗(yàn)手段：利用手邊的鑰匙做演示實(shí)驗(yàn)，多媒體輔助教學(xué)教學(xué)

2、過程 情景引入：提供虛設(shè)報(bào)道據(jù)悉：“2000年7月25日，協(xié)和號客機(jī)班機(jī)AF4590在跑到上起飛，速度達(dá)到328km/h時(shí)，機(jī)長得知飛機(jī)機(jī)翼起火，緊急制動(dòng),飛機(jī)立即停止運(yùn)動(dòng).”（在運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究中已經(jīng)利用協(xié)和號客機(jī)有關(guān)信息，本課再次利用此材料，從另一個(gè)角度引起學(xué)生關(guān)注與思考）。學(xué)生表示強(qiáng)烈反對，并且紛紛提出慣性問題。師生回顧實(shí)際情景多媒體視頻：協(xié)和號客機(jī)班機(jī)AF4590在法國戴高樂機(jī)場進(jìn)行起飛，奔馳了約2000米、速度達(dá)到328km/h時(shí)，輪子壓上美國大陸航空的DC-10脫落的小鐵條，飛機(jī)機(jī)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(xué)習(xí)過程中由學(xué)生推論而得到過），機(jī)長

3、拉起飛機(jī)，兩分鐘后飛機(jī)墜毀。學(xué)生和老師一起再次經(jīng)歷心靈的震撼。教師肯定學(xué)生們有關(guān)慣性的說法慣性致使飛機(jī)不能立即停止運(yùn)動(dòng)？同時(shí)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(qiáng)迫飛機(jī)向前奔馳？學(xué)生的結(jié)論出現(xiàn)分歧，有同學(xué)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(xué)生可以自我感悟認(rèn)識問題。教師演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)、思考力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系：使一串鑰匙：豎直上拋、使其擺動(dòng)、使其圓周運(yùn)動(dòng)，提出思考問題：為什么小球的運(yùn)動(dòng)過程不一樣？學(xué)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(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生思考，感悟力不是決定具體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過程不一樣？學(xué)生對比兩次實(shí)驗(yàn)，深刻思考反思，有學(xué)生說到有慣性！ 教師肯定，并且強(qiáng)調(diào)初始狀態(tài)不同。教師引出新課題：運(yùn)動(dòng)學(xué)（kinematics）只研究物體怎樣運(yùn)用而不涉及運(yùn)用與力的關(guān)系的理論；動(dòng)力學(xué)(dynamics)研究運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的理論。教師調(diào)動(dòng)學(xué)生：讓我們走進(jìn)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(yùn)動(dòng)定律之牛頓第一定律牛頓定律整個(gè)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)教師講解：一個(gè)基本問題，幾千年來，因?yàn)樗珡?fù)雜而含混不清，這就是運(yùn)動(dòng)問題。探究問題：物體運(yùn)動(dòng)

5、的原因究竟是什么？人們的直覺經(jīng)驗(yàn)：力是維持運(yùn)動(dòng)的原因古希臘的哲學(xué)家亞里士多德（公元前384322年）：“一切運(yùn)動(dòng)的物體必定受某物的驅(qū)動(dòng)”，外力是物體產(chǎn)生并維持運(yùn)動(dòng)的原因古希臘的哲學(xué)家亞里士多德所著物理學(xué)一書中認(rèn)為：機(jī)械運(yùn)動(dòng)有自然運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)，如馬拉車行駛，奴隸曳船行駛，這些運(yùn)動(dòng)必須要?jiǎng)趧?dòng)者，即運(yùn)動(dòng)必須有外力維持，否則就歸于靜止。他認(rèn)為“一切運(yùn)動(dòng)的物體必定受某物的驅(qū)動(dòng)”。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(yùn)動(dòng)的原因。強(qiáng)調(diào)亞里士多德分析與認(rèn)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(diǎn)：力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，速度本身標(biāo)志著是否有

6、力作用在物體上？同學(xué)已經(jīng)有足夠的經(jīng)驗(yàn)、知識、說“不”！一、伽利略理想實(shí)驗(yàn)的魅力回顧問題：關(guān)于力，伽利略斷言了什么？ 伽利略認(rèn)為將人們引入歧途的是摩擦力的存在。提出假設(shè)請學(xué)生想象與思考，假如沒有了摩擦?xí)趺礃?？教師隨手演示，仍然使一串鑰匙擺動(dòng)，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(yàn)，使伽利略設(shè)想了理想實(shí)驗(yàn)。斜面實(shí)驗(yàn)課件模擬。引導(dǎo)觀察和思考，伽利略理想實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與推論：理想條件下，小球可以達(dá)到原來等高位置；傾角越小，會(huì)運(yùn)動(dòng)得更遠(yuǎn)； 假如水平，小球?qū)⒂肋h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)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(huì)保持達(dá)到最低點(diǎn)的狀態(tài)（速度）運(yùn)動(dòng)。推論：力不是維持運(yùn)動(dòng)的

7、原因（不是維持速度的原因），而是改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（改變速度）的原因。視頻：沙弧球在摩擦作用非常弱時(shí)，沙弧球運(yùn)動(dòng)距離被極大地放大了。為伽利略理想實(shí)驗(yàn)推論提供體驗(yàn)性支持。視頻：保齡球以強(qiáng)烈的勢頭沖向目標(biāo)多次重復(fù)，請學(xué)生尋找沖力？同時(shí)對前面協(xié)和號問題得到統(tǒng)一認(rèn)識運(yùn)動(dòng)不需要力維持引導(dǎo)總結(jié)“伽利略與亞里士多德觀點(diǎn)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(yuǎn)保持靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，永遠(yuǎn)不會(huì)使自己沿曲線運(yùn)動(dòng)，而只是保持在直線上運(yùn)動(dòng)。他認(rèn)為這應(yīng)該作為一個(gè)原理加以確立，并且使人類整個(gè)自然觀的基礎(chǔ)。二、牛頓第一定律（Newton first law of motion）一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀

8、態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)引導(dǎo)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(huì)觀點(diǎn)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而不是維持物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。強(qiáng)調(diào)：物體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，物體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)”強(qiáng)調(diào)物體具有保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)慣性慣性（inertia）：物體保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(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(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，保持運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的本領(lǐng)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(lǐng)相同？不同的物體保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的本領(lǐng)不同，而迫使不同的物體改變狀態(tài)需要復(fù)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(guān)？學(xué)生提出速度、重力、密度、光滑等因素。教師引導(dǎo)，理性思維研究分析：關(guān)于速度，引導(dǎo)逆向思辨可否認(rèn)為我現(xiàn)在速度為零，慣性為零

10、？可否認(rèn)為我乘坐動(dòng)車組飛奔著慣性增加？可否認(rèn)為我對面乘客慣性為零？學(xué)生深層次思考討論。統(tǒng)一認(rèn)識：慣性既然是物體本身的屬性就應(yīng)該與外界條件、外界作用是否有、大小、速度大小沒有關(guān)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(yīng)該與參照系的選擇無關(guān)。光滑光滑是否沒有慣性？強(qiáng)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(qiáng)化理解。密度是物質(zhì)的特性之一，慣性是否與密度相關(guān)？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(xué)生心靈感悟得到強(qiáng)化。進(jìn)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)？質(zhì)量大，運(yùn)動(dòng)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(biāo)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(shè)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(gè)設(shè)想可行嗎？答：因?yàn)榈厍蛏弦磺形矬w，（包括地球周圍的大氣）都隨著地球一起運(yùn)動(dòng)，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(dāng)忽略其他與地球有相對運(yùn)動(dòng)的作用而產(chǎn)生的影響時(shí)，升空的氣球與它下方的地面處于相對靜止?fàn)顟B(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(dòng)，我們豎直上拋的物體還

12、會(huì)落到原來的地方？而不是落在原位置的西邊？現(xiàn)實(shí)類比：觀察視頻汽車上拋球：在快速行進(jìn)的汽車上，豎直拋出的物體會(huì)落回手里。引申，思維體驗(yàn)：如地球突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)，可能會(huì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)都不能變化？3、 物體運(yùn)動(dòng)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(xué)的基石一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(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(yùn)動(dòng)的關(guān)系；定義了慣性概念：物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)性質(zhì)。關(guān)于“對力學(xué)所需的基本概念、基本假定、對物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本觀點(diǎn)都作了界

13、定”的問題，鑒于學(xué)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(shè)想，假如物體沒有慣性世界會(huì)是什么樣的？慣性的利用和預(yù)防 ，課件 撞車 安全帶視頻，學(xué)生對慣性的感悟與體驗(yàn)再次得到強(qiáng)化，同時(shí)強(qiáng)化了安全意識。認(rèn)識拓展，問題：不受力作用的物體是不存在的，所以牛頓運(yùn)動(dòng)第一定律不能經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，那么慣性定律為什么還被認(rèn)為是一客觀規(guī)律？引導(dǎo)認(rèn)識：1、 不存在反例2、 近似條件彗星運(yùn)動(dòng)視頻：沙弧球運(yùn)動(dòng)、氣墊導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)3、 以其為理論依據(jù)得到的推論可以經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)4、建立在實(shí)際觀察和理性思維上教師展開：人類對于慣性的認(rèn)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(gè)有名無名的科學(xué)家的探索才逐漸趨向完美，而其中對伽利略的用理想實(shí)驗(yàn)的思想方法給人以深刻的啟迪?！耙淮茖W(xué)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(dǎo)到錯(cuò)誤的猜疑上去，憑直覺的推理方法是靠不住的”。物理學(xué)的進(jìn)化愛因斯坦、英費(fèi)爾德愛因斯坦對伽利略的貢獻(xiàn)給予高度評價(jià)：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端”。這個(gè)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?yàn)樗鼈冇袝r(shí)會(huì)引到錯(cuò)誤的線索上取。物理學(xué)的進(jìn)化愛因斯坦、英費(fèi)爾德我國遠(yuǎn)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(shí)候，馬雖然對車不再施力了，但車還能繼續(xù)前進(jìn)一段路，這顯然是講述一種慣性現(xiàn)象。這段歷史對每個(gè)學(xué)習(xí)物理并愿通向成功之路者是最好的借鑒。伽利略的科學(xué)研究方法：可靠事實(shí)+理論思維理想實(shí)驗(yàn) 課后思考問題：第一定律建立的科學(xué)方法到底是什么？(在本章的教學(xué)中，不斷的滲透科學(xué)方法教育)；設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，證明氣體和液體有慣性(第二講，可以請學(xué)生展示他們的設(shè)計(jì))；亞里士多德到底是一個(gè)什么樣的人？如果你想了解有關(guān)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(shí)，要求學(xué)生寫從亞里士多德到伽利略到牛頓的感想體會(huì)。作

16、為本章測評的一部分。本課的設(shè)計(jì)思想是我多年所堅(jiān)持的，經(jīng)過多年的實(shí)踐，并且不斷完善，近年來引入了多媒體，提高了課程的體驗(yàn)與感染力。多年來，本課有學(xué)校內(nèi)外，本學(xué)科及其他不同學(xué)科的很多老師聽課，給以高度認(rèn)同?？梢酝ㄟ^以下一組問題的判斷，知識鞏固并且檢測教學(xué)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(cuò)（力改變的是狀態(tài)而不是改變了慣性）2、 運(yùn)動(dòng)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(cuò)3、 由于任何物體都具有慣性，所以任何物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都不會(huì)無故改變對4、 不受外力作用時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持不變，是因?yàn)槲矬w具有慣性對5、 受力作用時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，說明受力作用后物體不再具有慣性了 錯(cuò)6、 受力作用時(shí)物體的運(yùn)動(dòng)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?yàn)槲矬w的慣性在起作用對7、 在水平面上運(yùn)動(dòng)的物體，撤消動(dòng)力后，最終會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)槲矬w不受作用力了 錯(cuò)