教学案例牛顿第一定律

教学实例：牛顿第一定律■教学目标（一）知识与技能1、能大致叙述发现牛顿第一定律的历史进程，并能作出初步评述。

2、能清楚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。

3、能准确表述牛顿第一定律，并能对定律有较为深入的理解。

4、能举例说明物体的质量是其惯性大小的量度．（二）过程与方法1、通过回顾历史探究过程，理解牛顿第一定律的形成过程。

2、理解理想实验是科学研究的重要方法。

（三）情感、态度与价值观1、通过物理学史教学，让学生对亚里士多德有一个正确的评价。

2、通过理想斜面的教学，体会理想实验的魅力。

3、通过运动和力的关系的历史探究过程，使学生体会规律的形成都有一个从感性到理性、从低级到高级的产生、发展和演变的过程。

■教学重点1. 了解伽利略理想实验蕴含的思想方法。

■教学过程（一）引入：模拟汽车启动、运行、刹车的即兴表演问题：请大家注意观察车启动、运行、刹车的过程中乘客的姿态变化。

（放幻灯）【学生表演】你看到什么现象，有没有注意到绳子的变化？绷紧了，给人一个向前的拉力，绳子的拉力与乘客的运动有什么关系呢？（二）教学过程一、亚里士多德的观点力和运动关系，这是一个古老的话题，对他的研究可以一直向前追溯到公元前四世纪，地上放一个箱子一毛想移动他一下，于是就用力去推，不推就又停了。

每个人都有类似的生活经验，很自然的想到没有生命的物体的运动都是靠外力去推的。

古希腊有为著名的哲学家——亚里士多德，亚里士多德把人们观察经验上升到了理论层次。

他把自然界纷繁复杂的运动概括为两类：自然运动和受迫运动。

他认为物体都是由火、气、水、土四种元素组成，每种物体都有自己的天然位置，火气较轻天然位置在上，水土较沉天然位置在下，物体离开自己的天然位置时，就会自发的向天然位置运动。

比如：烟往上升，水往低处流。

这样的运动他称之为天然运动。

另外一种运动叫受迫运动，做这类运动的物体是因为它受到周围物体对它的作用，如果作用消失运动也将停止。

比如说，我们刚才举的推箱子的例子。

从亚里士多德的理论中，不难看出他认为的力与物体运动的关系？（放幻灯：力是维持物体运动的原因。

必须有力作用在物体上，物体才运动；力的作用消失，物体将停止运动）他得出这个观点的方法是？（学生：观察——总结法）（板书：亚里士多德：观察总结法）他用这个方法在物理学、生物学、医学、人文科学等领域都取得了很大的成就，对后世产生了深远的影响，恩格斯称他为最博学的人。

二、伽利略的研究时光如梭，一转眼，两千多年过去了，时间定格到了十六世纪末的一天，有一个人正在观察：把一个球从斜面高处释放，发现球运动的越来越快，反过来球沿斜面向上运动时越来越慢。

这个现象很平常，地球人都知道。

但这个人却不是一个一般的人，他爱思考，他想：球向下运动，速度增大，向上运动，速度减小，那沿水平面运动时，高度不升不降，速度应该不增不减一直运动下去。

那为什么实际情况却是停下来了呢？（学生：因为摩擦阻力）看不见的阻力的存在，现在对大家来说是常识，但在亚里士多德以后的两千年里，人们对阻力的存在没有清醒的认识。

他经过认真思考之后，物体之所以停下来是摩擦阻力作用的结果。

他第一个发现了摩擦作用。

这个人就是伽利略。

（板书）大家想一想，伽利略在发现摩擦的过程，除了用到观察法以外，还运用了什么研究问题的方法。

推理。

（板书：伽利略：观察——推理）他经过推理大胆的提出了自己的猜想，（放幻灯片：如果没有摩擦，物体将一直运动下去。

）这个猜想显然是与亚里士多德的观点矛盾的。

他要证明自己的观点，说服世人，怎么办？（学生：做实验）好，（回头看大屏幕，如果没有摩擦呢，物体将一直运动下去。

）问题又来啦，没有摩擦的情况现实中不存在？无限大的水平面也找不到。

不怕，咱会观察——推理呀！同学们能不能设计个实验，帮帮他。

（这位同学了解这一段物理学史，给大家简约介绍了当年伽利略的做法。

下面请同学们仔细阅读68页最后一自然段）（学生活动：设计实验，可能是改变粗糙程度，走得越来越远）很好这是你的想法，伽利略是如何做的呢？大家阅读课本68页最后一段，看一看（放幻灯：伽利略的实验用到什么装置？他是如何通过实验论证自己观点？（学生回答：）对接斜面，我用常见的窗帘轨道、木块、长木板、书立做了一套实验装置，用架在书立上的窗帘轨道，代替对接斜面。

伽利略是如何论证自己观点的？（伽利略论证他观点的过程就是解决两个问题的过程）（学生回答）如何提醒学生论证“如果没有摩擦将上升到原来的高度”找不到光滑的，可以找到粗糙程度不同的斜面。

用这套装置如何操作然后呢，（学生回答）如何操作？接下来，让我们一起回到十六世纪末，伽利略要向世人阐明自己的观点，这可不是简单的一件事，当时的欧洲基督教会统治着让人们的思想，亚里士多德的观点被他们神话，不容置疑，伽利略要提出自己观点，不仅需要智慧，更需要的是勇气。

我们按分好的小组做一下这个实验，一位同学扮演伽利略，同组其他同学扮演亚里士多德观点的强烈拥护者，让我们再现一次两种观点的激烈交锋。

（4分钟后）有的组思维碰撞的很激烈，有的组实验进行的很仔细，添加辅助仪器。

（同学说体会感受）伽利略的斜面实验中，我们不能消除一切阻力，也不能把第二个斜面做的无限长，所以伽利略的这个实验是一个理想实验。

既然是理想实验，它为什么具有强大的说服力呢？（学生：他以可靠的实验事实为基础）我再找一位“伽利略”回答一下刚才你的实验中，哪些部分是实验事实，那些事推理？可靠的实验事实与科学的推理相结合，向世人阐明了物体的运动不需要力来维持。

这就是伽利略理想实验的魅力所在？实验到达不了的地方，思维可以到达那我们补充一下伽利略的方法：实验+推理。

（板书）伽利略是第一个使实验活动在科学研究中占有重要地位的人。

他的理想斜面实验开创了实验——推理的科学研究方法。

我们比较两个时间，以及物理学的发展水平，不难看出方法的重要性。

爱因斯坦对伽利略有一个非常高的评价：（放幻灯：伽利略的发现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。

）三、笛卡尔的补充人类对“力与运动关系”的探索脚步继续前进，与伽利略同时代的笛卡尔又对伽利略的观点做了补充（放幻灯：如果运动的物体没有受到力的作用，他将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向。

）虽然伽利略和笛卡尔将人类对力和运动关系的认识，向前推进了一大步，但当时没有清晰的力的基本概念，他们对力与运动关系没能做进一步论证。

四、牛顿的总结提升历史的车轮继续向前，1642年伽利略逝世，同年的圣诞节另一位伟大的物理学家诞生——牛顿。

45年以后牛顿由一个在海边玩耍找寻石子和贝壳的少年，成长为一个比伽利略还要高大的科学巨人。

他明确给出了力的概念，在充分总结前人思想的基础上，提出了动力学第一条基本定律：（放幻灯：一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。

）他对力与运动关系的论述更深刻，更全面。

定律分两层，一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，这是物体的一种本质属性，牛顿称之为惯性。

（放幻灯：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。

）因此牛顿第一定律又称为惯性定律。

第二句除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态，指明了力与运动的真正关系：（放幻灯：力是改变物体运动状态的原因。

）牛顿第一定律定性的阐述了力与运动关系这一基本问题，使接下来经典力学大厦的建造称为可能，所以人们说他是牛顿物理学的基石。

（放幻灯：牛顿物理学的基石——惯性定律）再看一下这个定律，他能不能直接用实验验证？（不能）我们可以创设受力很小的环境来模拟来帮助我们理解。

这是大家熟悉的气垫导轨，已调平，带有金属片的小车在上面移动时阻力很小。

这是两个光电门，它可以记录挡光时间，这是多用途数字显示仪它可以按顺序记录金属片通过光电门的时间（ms），然后计算速度(mm/s)自动依次显示。

速度相差很小可以认为是匀速，在弹簧片力的作用下，改变了运动状态。

我们回过头再来看一下刚上课时同学们表演的小品，看小品中有没有这两层意思的体现？我们再来做一个实验：（放幻灯：看看“谁能吹”）配漫画（找一个小个子女生，一个大个男生，女生吹乒乓球男生吹钢球）谁赢了？你服气吗？你觉得公平吗？,我们打开包装纸看一看就知道啦？这个小实验说明什么？物体的惯性是有大小之分的，与质量有关。

（放幻灯：惯性与质量）请大个子男生再吹一回，这回用最大的力气分别吹两球。

一个人两次吹出最大气流的强度差不多，对小球的作用力可以认为相等，质量小的偏的远，说明它的运动状态容易改变，惯性小；质量大的偏的近，说明它的运动状态更难改变，惯性小。

可见，（放幻灯：质量是描述物体惯性大小的物理量，质量大惯性大。

）放马林打球的图片。

看他的眼神，要非常自信的把球打回去，给马林换个球，再看马林的眼神，傻眼啦。

结束语：牛顿第一定律的发现却经历了几千年的探索过程，纵观物理学发展的历史长河，我们在感喟人类认识自然规律之曲折、艰辛、漫长的同时更惊叹那些在黑夜中摸索的物理学巨匠们的顽强、睿智，正是他们的执着, 物理学的大厦永不封顶，还等待你们为它添砖加瓦!教学反思这节课的引入是一个“豪华车”的学生活动，学生本身都有切身体会，没有引起新的认知冲突。

之所以选择这个引入，考虑有两点，一是下午第一节上课需要调节气氛，二是初中学生用牛顿第一定律分析现象时千篇一律的因为惯性，高中分析应更详细一些，通过启动后仰刹车前倾的分析，充分认识牛顿第一定律的作用。

应该会有更合适的引入，需继续寻找研究。

“理想斜面实验”是否需要将演示实验变成学生的分组实验？如果只从实验现象角度看没有必要，如果和学生的相互问难与阐述相结合的话，是很有必要的。

这样边做实验边提问和阐述，学生更能体会实验加推理方法的重要，同时还生成了许多东西，比如要说服他人要改进粗糙的实验装；从事科学研究要有严谨的作风，思维不严谨，才做不严谨，不能说服别人；在学生间的互问互答中，有同学尝试从能量角度分析（虽然没有成功）。

和这些相比，演示实验和老师讲解就显得很苍白和无力。

在学生的调动方面，自认为做的不错。

教学设计中引入时采用的学生活动，气垫导轨的524mm/s和525mm/s,后来的吹气球比赛，马林的“换球”,以及刘谦的魔术等阐释知识的同时，调动了学生，给学生留下深刻印象的同时，又激发了学生的探究欲望。

由于时间关系，对于牛顿第一定律中的“除非”“迫使”的含义分析的不够透彻，把惯性中“抵抗”的含义再突出一些，就更好了。