《伽利略的理想实验与牛顿第一定律》教学设计

课题：粤教版第四章第一节《伽利略的理想实验与牛顿第一定律》设计者：台山市华侨中学汪少姬

【学情分析】

1.本课授课对象是高一学生，牛顿第一定律及惯性的相关知识，学生在初中时已经有过初步学习，但对力和运动的本质关系认识不深，部分学生脑中甚至有着和亚里士多德相同的根深蒂固的错误观点；

2. 学生实验设计能力、操作、合作能力及分析总结能力较弱；

3. 学生运用牛顿第一定律解释实际问题的能力不强；

4. 学生好奇心强，潜在的探索兴趣浓厚。

【教学目标】

●知识与技能

1. 了解相关的物理学史实：亚里士多德、伽利略、笛卡儿和牛顿关于力和运动关系的研究；

2. 了解伽利略以实验事实为基础，将实验与逻辑推理相结合的思想方法；

3. 理解和掌握牛顿第一定律，理解惯性的概念，能用牛顿第一定律解释生活中的现象。

●过程与方法

经历以实验为基础，进行逻辑推理的过程，理解物理学的研究方法

●情感态度与价值观

1.通过对有关物理学史实的学习，培养学生实事求是的客观态度和科学的探究精神；

2.通过对生活现象的观察及解释，领略物理与生活的联系，激发学生的探索欲望。

【教学重点】

1.伽利略的“理想斜面”实验及其科学的逻辑推理方法；

2.理解并应用牛顿第一定律。

【教学难点】

学生从“物体运动必须有力的作用”转变到“运动并不需要力来维持”

【教学资源】

教学课件；小车、斜面实验装置（学生演示）、双斜面装置（老师演示）

视频（采访、太空黑盒子、汽车碰撞试验、UFO、刘谦螺丝魔术）

【教学流程图】

【小结】

1、力与运动的关系：

亚里士多德首先提出

伽利略的研究（理想实验）

笛卡尔的完善

牛顿的总结

2、牛顿第一定律内容及含义：

物体不受力时运动状态

力是改变物体运动状态的原因

惯性是物体本身固有的属性3、物体的质量是惯性大小的量度

【板书设计】

教学过程：

今天，我们来研究力和运动的关系。（写板书：一.力和运动的关系）

对于力和运动的关系，人们又什么看法呢？请看视频。【播放视频】因为我们生活中常见大量类似“提、拉、推”的现象，从中我们发现一个共同点：有力，物体开始并保持运动，撤掉外力，物体马上停止运动，也就是说，运动的物体一定需要外力来维持。力是维持物体运动的原因。我同意这个观点。

【提问学生】请问同学们，你们赞成我的观点吗？请大胆举手。（只有少数举手）。也就是说大部分同学持相反的态度。

既然公婆都有理，那么下面我们来一场辩论赛，我作为正方代表，观点是：力是维持物体运动的原因；你们作为反方，观点是：力不是维持物体运动的原因。

请同学们利用桌面上的简单仪器设计实验证明你们的观点。（学生小车实验）（2min）反方：代表上台说明观点。

正方：对方辩友的实验似乎可以证明了你们的观点。但还有个问题，刚才我注意到了物体最终停了下来，因此我方认为瓶子停下来的原因是撤掉了维持物体运动的

外力。

请问对方的观点？

反方：代表发言。（有可能会提到摩擦力）

正方：对方辩友刚才提到了一个词，

正方：对方辩友提到了如果没有摩擦力，也就是说你的实验是做不到的。

反方：这是理想实验。

正方：也就是一种逻辑推理对吧？你觉得这样通过逻辑推理得到的结果可靠吗？

反方：

好，辩论到此结束。你们认为今天的辩论谁是获胜方呢？（学生）

那为你们精彩的表现鼓掌。

（过渡）其实恭喜同学们，刚才我们的辩论过程就是模拟了两位著名学者关于力和运动关系的思维碰撞过程。

两千多年前，古希腊著名学者亚里士多德通过观察大量的生活现象，凭直观经验，得出了和我相同的观点，正因为他的结论来自于眼睛能看到的表象，也因为他的权威，这个错误的观点近两千年来一直被奉为真理，直到16世纪被伽利略推翻。虽然这个结论被推翻，但是这位被誉为“百科全书式”的伟大人物其实有很多值得我们学习。

到16世纪，伽利略在研究力和运动关系时，意识到是摩擦力蒙蔽了亚里士多德的双眼，从而禁锢了近两千年来人们的思想，他大胆质疑，并通过巧妙的研究方法推翻了亚里士多德的观点。认为力不是维持物体运动的原因。（板书）

（过渡）那么他是怎么做的呢？(充分利用教材“实践与拓展”和“资料活页”的内容) 有一次，他在教堂看到吊灯的摆动，觉得很有趣，出于好奇和探索的欲望，他设计了针和单摆实验。从某一高度释放小球，几乎会到达另一端的同一高度。如果不考虑空气阻力，就会到达同一高度，接着，他用针改变悬点，从而改变小球的运动轨迹，重复实验，也会到达同一高度。多次改变悬点，多次实验后，他发现，小球有一个很强烈的愿望，总希望到达另一面的同一高度。这就是伽利略发现的单摆的“等高性”。然后，他把单摆的等高性引入

到运动轨迹非常相似的斜面实验。就是同学们刚才做的实验。把小球从第一个斜面某点释放，它努力的爬上第二个斜面某一高度，接着减小第二个斜面倾角，重复实验，为了达到同一高度，小球努力的爬上第二个斜面，虽然没有到达同一高度，但前进的距离更远了。再次减小倾角，又会跑得更远，更长，最后，他把第二个斜面倾角减为零，变成水平面，那假设平面光滑，假设平面足够长，小球会怎么样？小球将以某一速度永远运动下去。注意假设光滑，假设足够长，是这位伟大人物的绝妙之处。

通过斜面实验，伽利略认为：力不是维持物体运动的原因。同时告诉我们，如果平面光滑，没有摩擦力，也就是物体不受力，物体将在水平面上做什么运动呢？“匀速运动”。

板书：不受力：匀速运动。

（过渡）现在，我们来对比亚里士多德和伽利略的研究，我觉得伽利略在研究方法上有很多高明之处，你们觉得他高明在哪里呢？

学生：回答。（学生可能会说到实验做不到，这是一种逻辑推理）

师：给它起个什么名呢？物理学中有些实验能做到，有些做不到。伽利略的假设光滑、假设足够长别说当时，就是现在的实验条件也难以做到，所以，把这样的实验叫做“理想实验”，即在实验事实基础上，通过思维上的逻辑推理过程，抓住事物的本质。

可见，选择不同的研究方法，对结果的影响是多么的大呀。

所以，后世对伽利略的评价相当高。爱因斯坦曾说过：“伽利略和他的科学推理方法，是人类历史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。”

（过渡）但是，伽利略结论仅适用于地球上，有其局限性。而在伽利略同时代法国科学家笛卡儿打破了他的局限，明确指出：不论是地球上还是宇宙间，在不受力时，物体要么静止，要么处于匀速直线运动。他在方向上加以了补充。板书：静止，直线。

但是，现实环境中，物体可能脱离其他物体的作用而孤立存在吗？显然不可能，所以，任何物体都不可能不受力，但是，我们可以把物体所受合力为零当做不受力，二者是等效的。

下面，我们在太空中模拟微重力情况下不受力的情景，【播放视频】

师：那个小黑盒子处于什么状态呢？（一开始处于静止状态，给力之后呢在运动。）（过渡）注意，研究不受力，物体保持静止或匀速直线运动。那么受力呢？

生：（运动状态改变）板书：受力运动状态改变

（过渡）在这些研究的基础上，力和运动的真正关系其实已经呼之欲出了。17世纪，英国物理学家牛顿在前人工作的基础上，系统总结出了经典力学的基础——牛顿三大定律之一的牛顿第一定律。板书：牛顿第一定律

内容解读：不受力时，物体处于静止或匀速直线运动状态，有力时，运动状态发生改变。也就是说力是改变物体运动状态的原因。（板书）

还有“一切、总”也就是说任何一个物体都要具有这种能力。我们把这种称之为物体的固有属性，也就是惯性（板书）。因此，牛顿第一定律又称之为惯性定律。

（过渡）好，既然一切物体都有惯性，那你们能不能举例说明一下生活中有哪些物体具有惯性的表现呢，然后分析一下它的利和弊。（学生举例）。非常好，现在我们也来亲身体验一下物体具有惯性。（游戏：用嘴吹书）提起书，用最大力气吹垂下的封面；摆动的幅度比较大，说明其保持原来的状态能力不是很强吧。用手提起封面，用最大力气吹垂下的书。摆

动幅度较小，说明其保持原来的状态能力比较强。那也就是说物体保持原有状态的能力有所区别，你们觉得可能是什么原因呢？（学生：质量）也就是说惯性可以用质量来度量吧。（板书：质量）

思考：（课本“讨论与交流”）同样速度的自行车和火车哪个容易停下来？

小结：请学生小结本节课学习到了什么。

学以致用：两个选择题

课后拓展：探索“UFO”和刘谦螺丝魔术