《牛顿第一定律》教学设计(王运淼)

《牛顿第一定律》教学设计

北京师大附属实验中学王运淼

〖设计思想〗

1．注重三维目标的和谐统一

牛顿第一定律是牛顿物理学的基石，是力学的第一原理，它改变了人们对自然的认识，改变了人们的世界观。这就是，原来亚里士多德认为物体运动需要力，而现在是运动不需要力。这样的重大科学发现，称得上是真正的科学真理。因此，我在设计牛顿第一定律教学时，注重三维目标的和谐统一，让学生理解科学的完整内涵，同时在人文、德育方面给学生以潜移默化的影响。

2．创设情境，让学生体验建构新知识的乐趣

在初中阶段，学生对牛顿第一定律已有大致了解，知道亚里士多德的观点（力是维持物体运动的原因）是错的，也知道伽利略通过研究澄清了运动和力的关系（力是改变物体运动状态的原因）。但是，在解决实际问题时，他们还常常下意识地用亚里士多德的观点去分析，这说明运动和力的正确关系在学生的头脑中还没有真正建立起来。因此，我在设计这节课的教学时，注意创设情境，突出研究过程和方法，让学生头脑里的前概念与物理学里的科学概念激烈交战，引导学生在现有知识经验的基础上主动构建新知识。

〖教学目标〗

1．知识与技能

理解牛顿第一定律的内容和意义。

知道惯性的概念，知道惯性大小跟质量有关，能够正确解释有关惯性的现象。

2．过程与方法

通过将研究物体运动原因的相关史料合理剪裁，融入物理教学，历史地展现伽利略的批判精神、逻辑推理的方法、猜想与假说的魄力和实验验证的科学作风，使学生有身临其境之感，感受他的研究方法、科学精神，得其精髓、有所借鉴。

3．情感、态度与价值观

通过牛顿第一定律的教学，使学生体会到物理学对人们的世界观、自然观、思维方式的改变都在起着重要的作用。

〖教学实录〗

1．引入

看大屏幕：嫦娥一号奔月过程模拟动画。

提出问题：嫦娥一号宇宙飞船的运动相当复杂，而它的运动靠的是地面上的技术人员遥控。要想成功地控制它的运动，必须知道它为什么能这样运动，也就是运动的原因。

关于运动的原因问题是一个古老的话题。可以追溯到公元前4世纪。

2．亚里士多德的朴素运动观

（1）回顾研究“落体运动”时对亚里士多德的认识

学生：西方最伟大的哲学家，古希腊的圣人。

（2）介绍亚里士多德的运动观

他观察了大量物体的运动，经过思考，把运动分成两类，一类是自然运动，另外一类是受迫运动。

自然运动：每个物体都有自己的固有位置，比如，火的自然位置在上，土的自然位置在下，气和水在中间。偏离固有位置的物体将趋向固有位置运动。地上物体的自然运动沿直线，轻者上升，重者下降；天体的自然运动永恒地沿着圆周进行。

受迫运动：物体的运动是在推或拉的外力作用下发生的。没有外力，物体就会停止。

（3）引导学生认识受迫运动原因的实质

亚里士多德的伟大之处在于，他在找运动的原因时跟推或拉的外力建立起关系来了。

他总结的受迫运动原因的实质是：运动需要力来维持，力是维持运动的原因。

根据初中的学习，多数学生知道这是错的。但是，他们的潜意识里未必根除了这种运动观。

（4）激发学生的潜意识，启发学生思考

亚里士多德的运动观听起来很有道理。事实上这个观点是没有学过物理的人的一种朴素的运动观。这种观点从公元前4世纪诞生起，两千年里没人质疑，一直到了公元后16世纪，欧洲大学里物理讲的还是这种观点。我们学过初中物理了，都知道这种观点有问题，那么问题在哪呢？

虽然学生能说出：力不是维持物体运动的原因，是改变物体运动状态的原因。可是，他们很难结合生活中的实例说清楚运动和力的关系。这说明他们还没有找到质疑亚里士多德观点的切入点。

3．伽利略的研究

（1）质疑

伽利略研究的切入点是：原来运动的物体之所以停下来难道真的是没有力的作用吗？

学生：原来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。

（2）假设与猜想

如果没有摩擦阻力、流体阻力的影响，在水平面上运动的物体会怎样呢？

学生：物体将会一直运动下去。

现实生活中不可能没有摩擦阻力、流体阻力的影响，因此，“在水平面上运动的物

体将会一直运动下去”是我们的猜想。

（3）理想实验

这种猜想到底正确与否，怎么研究呀？

学生：通过实验，这是伽利略用到的研究方法。

伽利略观察到在斜坡上运动的物体，从高处滑下来运动得越来越快，冲上斜面运

动得越来越慢。于是他设计了一个对接斜面实验。

演示1：先在对接斜面上铺一块棉布，从一侧斜面上的某一高度处释放一个小钢球，观察小球的运动情况，用一面小旗标记出小球到达另一侧斜面的最高点。

演示2：把棉布拿下来，再做一遍。

通过对比，发现小球上升的更高了，但是比释放时的高度还是低一点。这是什么

原因呢？

学生：有摩擦。

引导学生推理：摩擦大时上升的高度小，摩擦小时上升的高度大，假如没有摩擦呢？

学生：应该会上升到同样的高度。

演示3：在从同一高度释放小球之前，先

把另一侧斜面的倾角减小，用小旗标记小球

运动的最远距离。

现象：小球运动的距离变大了。

思考：这是为什么呢？

学生：机械能守恒。

可是，在伽利略那个时代还没有机械能

守恒的思想。他是怎么思考这个问题的呢？

我们前面已经有过推理：假如没有摩擦，从某一高度释放，小球能冲上另一侧斜

面的同样高度。那么，倾角变小后，要想达到同一高度，小球运动的距离变大了。

进一步减小斜面倾角，小球运动的距离会变得更大。当一侧斜面的倾角减小到0时，会有什么现象呢？

演示4：从斜面的同一高度释放小球，小球从斜面上滑下，在水平面上运动，最终从水平面上飞出。

引导学生推理：假如水平轨道足够长，而且没有摩擦，小球如何运动呢？

学生：永远运动下去！

小球在水平轨道上运动时，水平方向有推或拉的外力作用吗？

学生：没有。

这说明什么呢？

学生：运动不需要力来维持。

到此为止，我们验证了前面的猜想：如果没有摩擦阻力、流体阻力的影响，在水平面上运动的物体将会一直运动下去。

结合下图，领着学生再回顾一下伽利略设计的实验，引导学生认识到，伽利略的这个实验，是在事实的基础上经过合理的外推的理想实验。

（4）进一步引导学生分析运动和力的关系

物体受到推或拉的外力，运动起来，是从静到动；撤去了推或拉的外力，物体最终会停下来，是从动到静，这是因为有阻力作用。那么，运动和力到底是什么关系呢？

提示：从静到动，从动到静，是物体的运动状态发生了改变。

学生：力是改变物体运动状态的原因。

（5）体会伽利略的科学研究方法

想想看，在研究落体运动时我们就把这两位伟人的观点进行了对比，现在他们关于运动和力关系的观点又摆在了一起。之所以伽利略能够超越前人的认识，原因之一就是他在研究方法上与亚里士多德不同，有什么不同呢？

学生：有实验，有推理。

理想实验是在实验的基础上再进行合理的外推，实验和推理完美结合，这是伽利略开创的科学研究方法。而在公元前4世纪，亚里士多德的研究方法主要是静观而不做实验，思辨而不做定量的数学推演。

从公元前4世纪到16世纪末17世纪初，之间有两千年，自然科学踯躅不前。而

从伽利略到今天（2007年），大师辈出，不过几百年的时间，对运动问题的研究深入延续下去，开创了力学和全部物理学，乃至于整个现代科学。

爱因斯坦对伽利略的评价：伽利略的发现以及他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。

4．笛卡儿的补充

在伽利略研究的基础上，跟伽利略同时代的物理学家、数学家笛卡尔，补充完善了伽利略的观点：除非物体受到力的作用，物体将永远保持静止或运动状态，永远不会自己沿曲线运动，而只保持在直线上运动。

5．牛顿的总结

又隔了一代人，出了一位大师级人物。他就是——

学生：牛顿

说隔了一代人一点都不委屈牛顿，伽利略是1642年去世的，牛顿是1643年诞生的。可谓前赴后继。牛顿在前人研究的基础上，对运动和力的关系进行了全面的阐述：

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。

牛顿把力与运动的关系这个结论总结成第一定律。写在了《自然哲学之数学原理》这本书里。

出示这本书，倡导感兴趣的学生课外阅读。

牛顿说：如果我比笛卡儿看得远一点，那是因为我是站在前辈巨人的肩上。

这既反映了牛顿谦逊的一面，同时也是不争的事实。

虽然“不受力”的情景在现实生活中很难看到，但是有些现象能够帮助我们认识理解这种理想情况。让学生举例说明。

如冰壶球，滑板，溜冰，等等。这些运动都是在感受摩擦力很小时带来的运动乐趣。由此也可以帮助我们理解牛顿第一定律中“不受力”的情景。

6．理解牛顿第一定律

（1）力是改变物体运动状态的原因

物体运动状态改变，也就是物体运动的速度改变，所以力是改变物体速度的原因。为了描述速度的变化的快慢，我们建立了加速度的概念，速度改变了，也就是物体有加速度了，所以力是产生加速度的原因。

前一段时间，有的同学总是问为什么加速度变大，变小？现在明白了吧？

学生：是因为外力在变化。

（2）惯性与质量的关系

“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态”说的是什么呢？

学生：惯性。

“总保持”说明这是物体与生俱来的本领，一种抵抗运动状态变化的本领——惯性。

惯性大小与什么因素有关系呢？你能设计一个小实验或举一个生活中的实例加以说明吗？

让学生讨论、交流。一般学生能够说出：质量越大，惯性越大。量度物体惯性大小的物理量就是其自身质量。但是很难通过生活中的实例或设计简单的实验来说清楚这个关系。这就需要教师通过实验和实例帮助学生理解惯性和质量的关系。

小实验（师生合作）：

找一个肺活量大一点的男生到前面来，深呼吸一下，

吹教师用线提着的乒乓球。乒乓球被高高吹起（学生笑）。

教师再拿出一个跟乒乓球体积差不多的钢球，用线提着，

让学生用力吹。钢球几乎不动（学生大笑）。通过这个小

实验就能够说明质量大的惯性大。

其实现实生活中例子太多了，而且根据质量和惯性

的关系设计了好多娱乐项目，如保龄球（展示图片）。保

龄球撞木瓶，很有趣，最好是一个球过去，十个木瓶全

倒了。想想看，有这种娱乐项目吗？拿着木瓶去打保龄

球（学生大笑）。在保龄球跟木瓶碰撞的过程中体现了质

量和惯性的关系。

7．尾声

这节课在复习初中的基础上，我们知道了力是产生

加速度的原因，质量是惯性大小的量度。

思考：外力能够改变物体的运动状态；而物体有质量，有惯性，物体自身又在抵抗运动状态的改变。可见，物体运动的加速度与力、质量有关，有什么定量的关系呢？这就是我们下节课将要继续探究的问题。

附：板书设计

第四章牛顿运动定律

一、牛顿第一定律

1．亚里士多德（公元前4世纪）的朴素运动观

自然运动，受迫运动

受迫运动原因的实质是：运动需要力来维持，力是维持运动的原因。

2．伽利略（1564—1642）的研究

（1）质疑

（2）假设与猜想

（3）理想实验

（4）运动和力的关系：力是改变物体运动状态的原因。

（5）伽利略的科学研究方法

实验和逻辑推理的和谐结合。

3．笛卡儿（1596—1650）的补充

4．牛顿（1643—1727）的总结

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。

5．理解牛顿第一定律

（1）力是改变物体运动状态的原因

（2）惯性与质量的关系

6．思考

物体运动的加速度与力、质量有什么定量的关系？

〖教学效果评价与教学反思〗

1．评价

“牛顿第一定律”一课，是在新课标理念的影响下，我为崇文区、西城区的高一教师做的一节公开课。

从课堂教学效果来看，学生在原有知识经验的基础上，在教师的引导下，能够积极主动地构建新知识，对运动和力的关系有了更清晰的认识。在学习的过程中，他们对亚里士多德的贡献有所了解，能够自主总结出伽利略开创的科学研究方法——实验与推理完美结合。自始至终，多数学生处于思考、研究的兴奋状态，甚至延伸到课外。

在课下跟听课教师交流时，大家都一致认为，这节课的教学很好地体现了三维目标，重视“过程和方法”的教学。学生积极参与，兴趣浓厚。

2．反思

在研究运动和力的关系的过程中，应该进一步加强与学生的互动。最好在课前动员学生检索有关亚里士多德、伽利略、笛卡儿、牛顿的史料，让学生自主评价他们的历史功绩。