《牛頓第一定律》優(yōu)教教案

1/8第四章牛頓運動定律4.1牛頓第一定律★核心素養(yǎng)理解理想實驗這種科學研究的重要方法；通過伽利略和亞里士多德對力和運動關(guān)系的不同認識，了解人類認識事物本質(zhì)的曲折性，同時能夠用歷史的、發(fā)展的眼光看待問題；感悟科學是人類進步的不竭動力?！锝虒W目標知道伽利略的理想實驗及其主要推理過程和推論，知道理想實驗是科學研究的重要方法；理解牛頓第一定律的內(nèi)容及意義；理解力和運動的關(guān)系，知道物體的運動不需要力來維持；理解慣性的概念，知道質(zhì)量是慣性大小的量度；會用慣性解釋一些現(xiàn)象；通過實驗加深對牛頓第一定律的理解?！锝虒W重點理解力和運動的關(guān)系對牛頓第一定律和慣性的正確理解理想實驗★教學難點力和運動的關(guān)系慣性和質(zhì)量的關(guān)系★教學過程課前：登陸優(yōu)教平臺，發(fā)送預(yù)習任務(wù)。根據(jù)優(yōu)教平臺上學生反饋的預(yù)習情況，發(fā)現(xiàn)薄弱點，針對性教學。（優(yōu)教提示：請登陸優(yōu)教平臺，發(fā)送本節(jié)預(yù)習任務(wù)）引入： 師：同學們，在前面的學習中我們學習了怎樣描述物體的運動，知道了物體的一些運動規(guī)律，但同學們有沒有想過：同一個物體不同的情況下可以做出不同的運動，究竟是什么決定了物體的運動情況？要討論這個問題，就要研究運動與力的關(guān)系。所以，從今天開始，我們就一起來探究運動與力的關(guān)系。一、據(jù)生活現(xiàn)象思考探究 師：現(xiàn)在請同學們結(jié)合日常生活經(jīng)驗，分組探討一下運動和力是怎樣的一種關(guān)系，并試著回答以下一些問題。1、物體的運動需要力來維持嗎？是不是有力物體就能運動，沒力物體就靜止。給物體一個初速度，物體在不同平面上滑動，體會物體運動不需要力來維持。2、物體的運動方向跟力的方向一樣嗎？以拋粉筆為例3、物體的運動僅由力決定嗎？以拋粉筆為例4、物體什么情況下做直線運動？什么情況下做曲線運動？以拋粉筆為例5、物體做直線運動時，什么情況下加速？什么情況下減速？以拋粉筆為例。【牢記】：①物體的運動不需要力來維持，沒有力時物體也能運動，如勻速直線運動；②運動方向與力的方向無必然聯(lián)系；③當速度與力同一直線時，物體做直線運動；速度與力不在同一直線時，曲線運動；④同一直線時，力與速度同向，加速；力與速度反向，減速。要讓學生明白：物體此刻的速度是由上一刻的速度和上一刻的受力決定的，此刻的速度及此刻的受力決定下一刻的速度。（比方：今天的結(jié)果是前面的表現(xiàn)決定的，要想今后的結(jié)果能改變，必須從現(xiàn)在開始。）二、歷史上人類對運動與力的關(guān)系的認識師：愛因斯坦曾把一代代科學家探索自然奧秘的努力，比做福爾摩斯偵探小說中警員破案的過程。在偵探故事中，有時候明顯可見的線索卻把人們引到錯誤的判斷上去，也就是說光憑經(jīng)驗來做判斷是靠不住的。師：長期以來，在研究物體運動原因的過程中，人們的經(jīng)驗是：要使一個物體運動，必須推它或拉它。因此，人們直覺地認為，物體的運動是與推、拉等行為相聯(lián)系的，當不再推、拉的時候，原來的運動便停止下來。根據(jù)這類經(jīng)驗，亞里士多德得出結(jié)論，必須有力作用在物體上，物體才能運動；沒有力的作用，物體便要停止在某個地方。我想不僅是亞里士多德這樣想，就是在現(xiàn)在，很多人還是這樣想的，因為它與我們的現(xiàn)實生活經(jīng)驗相一致。但這卻是個錯誤的結(jié)論。是由明顯可見的線索引出的錯誤判斷，而且這個錯誤結(jié)論竟維持了近兩千年。直到三百多年前，伽利略創(chuàng)造了有效的“偵察”方法，發(fā)現(xiàn)了正確的線索，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)，成為物理學中的福爾摩斯。師：伽利略注意到，當一個球沿斜面向下滾動時，它的速度越來越大；向上滾動時，速度越來越小。他由此猜想，當球沿水平面滾動時，速度應(yīng)該不增不減。實際上他發(fā)現(xiàn)，球越來越慢，最后停下來。伽利略認為，這是由于摩擦阻力的原因，因為他同樣還觀察到，表面越光滑，球便會滾動得越遠。于是他推斷，若沒有摩擦阻力，球?qū)⒂肋h滾下去。師：伽利略為了說明他的思想，設(shè)計了一個實驗（伽利略斜面實驗），讓一個小球沿一個斜面從靜止狀態(tài)開始滾下，小球?qū)L上另一個斜面，如果沒有摩擦，小球?qū)⑸皆瓉砀叨?。減小后一斜面的傾角，小球在這個斜面上仍然達到同樣高度，但這一次為了達到同樣高度，比第一次滾得遠些。繼續(xù)減小第二個斜面的傾角，小球達到同一高度時將會滾得更遠。于是他想到，若將后一個斜面放平，球會滾動多遠？結(jié)論顯然是，球?qū)⒂肋h滾動下去。這就是說物體的運動不需要力來維持，沒有力物體也可以運動（比如在光滑水平上，只要給物體一個初速度，物體將以這個速度永遠運動下去），而力恰好是改變物體運動狀態(tài)（運動速度）的原因，比如物體加速和減速時都需要受到力的作用。當然我們不能消除一切阻力，也不能把水平木板做得無限長，所以這個實驗是“理想實驗”。帶領(lǐng)學生觀察動畫及視頻文件，先看理論動畫，再看演示實驗。（優(yōu)教提示：請打開素材“動畫應(yīng)用：伽利略斜面理想實驗”）注意：理想實驗不是空想實驗，它是可靠實驗事實加上理論推導。師：與伽利略同時代的法國科學家笛卡兒補充和完善了伽利略的觀點。明確指出，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，而只保持在直線上運動。他還認為，這應(yīng)該作為一個原理加以確立，并且是人類整個自然的基礎(chǔ)。三、牛頓第一定律牛頓物理學的基石——慣性定律伽利略和笛卡兒的正確結(jié)論在隔了一代人以后，由牛頓總結(jié)成動力學的一條基本定律：牛頓第一定律：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)。注意：學習物理的過程中，大家已經(jīng)對亞里士多德這個名字很熟悉了，并且每次提到的都是他的錯誤觀點，好像成了反面教材，這里我要向大家說明一下，亞里士多德是個非常偉大的人。恩格斯稱亞里士多德是最博學的人，亞里士多德的研究涉及生物、天文、氣象、數(shù)學和物理等，成果十分豐富，是西方文化的奠基人。他追求以世界的本來面目來說明各種自然現(xiàn)象，比如他認為天上的運動應(yīng)該是完美的勻速圓周運動、地上的物體都應(yīng)該是靜止的。他認為物體的運動需要力來維持，是與大量的“事實”相一致的。他一直追求真理，只不過因為當時研究物理總是靠直覺和思維來進行。因此，他的這一錯誤觀點影響了人們兩千多年。伽利略實在是一個偉大的科學家，他第一個注意到了摩擦力。有了這一點，加上他豐富、發(fā)散而又嚴謹?shù)目茖W思維能力，設(shè)計出理想實驗就顯得比較自然了。我們認為理想實驗首要的意義在于它摒棄了那種單純依靠思辯來研究物理的行為方式，而確立了實驗在物理研究中的基本地位。從物理史實上可以發(fā)現(xiàn)，這時伽利略認為的地面上的物體除靜止外的另一本來面目是勻速圓周運動（而不是勻速直線運動），伽利略是一個偉大的科學家，在物理史上有著不可取代的地位，是因為他第一次確立了物理實驗在物理研究中的重要性，研究物理不再是單純地靠直覺和思維。之后笛卡兒第一個明確指出，除非物體受到外力作用，物體將永遠保持靜止或運動狀態(tài)。這確實是人類思想認識上的一次飛躍。因此，笛卡兒認為上述論斷應(yīng)該作為一個原理加以確立，且是人類整個自然觀的基礎(chǔ)。笛卡爾當時還指出，在太空環(huán)境中可以實現(xiàn)物體不受外力的作用，這時物體的運動就滿足理想實驗的條件（解放了人們的思想，拓寬了看問題的視野）。牛頓所做的工作不僅是進行了總結(jié)，更是從物理上賦予了明確的內(nèi)涵，這其中包括慣性和力作為科學概念的提出，以及慣性參考系等，同時明確了力和物體運動及其變化之間的直接因果關(guān)系?！纠斡洝浚?、運動并不需要力來維持，因而力并不是使物體運動的原因；只有當物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變的時候，才需要力，所以力是改變物體運動狀態(tài)的原因；2、不受力的物體是不存在的，所以牛頓第一定律是理想定律，不能用實驗來驗證；3、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)，這種性質(zhì)稱慣性。所以牛頓第一定律又稱慣性定律。 師：生活中許許多多的現(xiàn)象可以幫助我們理解牛頓第一定律。例如冰壺。冰壺在冰面運動時受到的阻力較小，可以在較長時間內(nèi)保持運動速度的大小和方向不變直到它再一次受到桿的打擊或碰到障礙物，才改變這種狀態(tài)。觀看牛頓第一定律演示實驗（優(yōu)教提示：請打開素材“視頻演示：牛頓第一定律實驗”）四、慣性帶領(lǐng)學生觀看多媒體文件。生活中的例子：將斧頭和木把往下敲。木把受到敲擊突然停止了。斧頭由于慣性要保持原來的運動狀態(tài)，繼續(xù)向下運動，使斧頭和木把套緊。（優(yōu)教提示：請打開素材“視頻演示：慣性現(xiàn)象”）（優(yōu)教提示：請打開素材“視頻演示：短跑沖刺中的慣性”）1、問：什么樣的物體具有慣性？物體什么時候具有慣性？答：一切物體均具有慣性。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)。物體任何時候都有慣性，慣性是一種固有性質(zhì)。2、慣性可以被克服嗎？答：慣性是物體的固有屬性，不是力，不能避免或克服。3、速度可以突變嗎？答：當有外力作用迫使物體改變運動狀態(tài)時，物體的運動狀態(tài)會在原有的基礎(chǔ)上發(fā)生變化，慣性的大小就表現(xiàn)為物體運動狀態(tài)改變的難易程度。正因為物體的運動狀態(tài)是在原有的基礎(chǔ)上一點點變化的，所以速度是不能突變的。4、物體的慣性大小由什么決定呢？與速度有關(guān)嗎？答：慣性的大小僅由質(zhì)量決定。這里有一個易錯點：很多同學認為速度大，慣性大；速度小，慣性小。原因是他們把“運動狀態(tài)改變的難易程度理”理解為“物體從運動到靜止的難易程度”。分析：正是因為有外力的作用才使得物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變，所以要比較兩個物體運動狀態(tài)改變的難易程度，最起碼要給它們相同的外力作用，才好進行比較。（不恰當?shù)谋确剑合肟磧蓚€人一天誰掙的錢多，最起碼要給他們相同的本錢）要比較速度變化的難易程度其實就是比較物體的加速度，加速度反映了相同時間內(nèi)物體速度變化的大小關(guān)系，而在相同的外力作用的情況下，物體的加速度大小是僅僅是由質(zhì)量決定的。所以慣性僅僅由質(zhì)量決定。（a大，速度變化容易；a小，速度變化難）慣性的大小僅由質(zhì)量決定。但由于慣性是屬性不是物理量，所以不能具體講1千克牛頓第一定律擴展：我們現(xiàn)在已經(jīng)知道物體不受力與受力平衡是等效的（可以由牛頓第二定律得到受力平衡時加速為0，物體靜止或勻速），所以牛頓第一定律可以這樣理解：當物體不受力或受力平衡時，物體將保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)。反過來亦成立，當物體處于靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)時，物體必定不受力或受力平衡。有下圖：物體不受力物體不受力物體受力物體靜止或勻速直線運動運動狀態(tài)不變受力平衡受力不平衡物體不能保持靜止或勻速運動狀態(tài)改變五、課堂訓練（優(yōu)教提示：打開優(yōu)教配套習題，使用互動答題卡，更快更便捷地掌握學生的學習情況）例1、下列說法正確是（BD）牛頓第一定律是實驗定律牛頓第一定律說明力是改變物體運動狀態(tài)的原因慣性定律與慣性實質(zhì)上是相同的物體的運動不需要力來維持例2、人在勻速行駛的封閉火車車廂里豎直向上跳起，則（D）落回原處，因為人跳起后，車廂空氣給人一個向前的推力使之與車廂一起運動落回原處，因為人跳起瞬間車板給人一個向前的力落回跳起處后面，因為人跳起后，車向前整個過程中人與車水平方向速度始終一樣解：大家能不能從日常生活中找到類似例子，比如你乘車時，鑰匙掉到地面上了，那鑰匙的落地點是在人的旁邊還是前或后（就在你旁邊）?；蛘咴谶\動的火車里你立定跳遠，是向火車運動方向跳得遠還是向火車運動反方向跳得遠呢？（一樣遠）大家知道是怎么一回事嗎？是因為好多同學忽略了一點那就是你認為車廂在運動，卻忘了你站在車廂里時是跟車廂以相同的速度在運動。也就是說在沒有跳起前，你和車廂有一個向前的相同的速度，當你豎直跳起后，你只在豎直方向受到重力作用，水平方向并沒有受到力的作用，所以由于慣性，你水平方向仍然保持原來的速度水平向前，在豎直方向你向上減速達到最高點后再向下加速，這是由于重力的作用。所以不管什么時候，你始終與起跳點相同的水平坐標，始終在起跳點上方。（以后深入學習）例3、下列關(guān)于慣性的說法中，正確的是(D)人走路時沒有慣性，被絆倒時有慣性百米賽跑到終點時不能立即停下來是由于慣性，停下來時就沒有慣性了物體沒有受外力作用時有慣性，受外力作用后慣性被克服了物體的慣性與物體的運動狀態(tài)及受力情況均無關(guān)例4、如圖，用力扯D與慢扯D兩種情況下，哪一段繩子先斷？AABC