《第四章运动和力的关系 学习情况分析 内容与价值分析 章小结--高一上学期物理人教版（2019）必修第一册.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章运动和力的关系 学习情况分析 内容与价值分析 章小结--高一上学期物理人教版（2019）必修第一册.docx（10页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第四章运动和力的关系学习情况分析一、认知基础物理观念层面：初中阶段，学生学习了重力、弹力、摩擦力等有关力的概念，并通过实验初步认识了“力与运动的关系”。同时学生还学习了二力平衡的知识，知道处于静止或匀速直线运动状态的物体，其所受两个力之间的等量关系。可以说学生已经初步了解了牛顿第二定律的一种特例情况。高中阶段，前面已经较为深入地学习了有关力的概念，了解力的基本性质。知道矢量运算的处理方法，能够进行力的合成与分解。有关运动的描述，学生还学习除匀速直线运动外的匀变速直线运动的规律。上述这些都为学生进一步学习牛顿运动定律，认识力与运动之间的定性与定量关系提供了知识上的准备。科学思维层面：初中阶段，学
2、生已具备一定的形象思维能力。高中起始，学生在学习质点模型的过程中，认识了理想对象模型的建立对物理学研究的重要性；在研究自由落体运动时，体验了构建理想过程模型；在探究匀变速直线运动规律过程中，涉及到极限思想方法的应用；并通过力的合成与分解的学习，基本掌握了矢量运算法则。因此学生具备一定的选用恰当的模型解决问题的经验，且能从简单的实际问题中抽象出物理模型，并应用推理论证、结合数学方法，分析解决物理问题，并最终获得解释和结论。科学探究层面：能够通过“阻力对物体运动的影响”的探究实验，认识到力对物体运动的影响。基于真实实验合理外推的实践探究过程，使学生初步了解理想实验方法的应用。并且学生能够在教师引导
3、下，开展小组合作与实验探究活动。提出问题，猜想并实施。对简单的现象，能够进行归纳、总结，并相互讨论、交流，发表观点。二、学科前概念对于力和运动的认识，学生有比较丰富的生活经验，但对于力是改变物体运动状态的原因，以及运动与相互作用间具体的定量关系的认识并不清楚。对生活中很多具体、实际的情境，学生往往凭借经验就做出判断、给出解释，而忽略了运用概念、规律，进行逻辑推理的过程。在实验探究过程中，学生经历过探究的过程，但从提出问题与猜想，设计实验方案、通过实验获取证据、运用数学方法，经过推理论证，并得出结论的过程，学生头脑中并没有较强的科学实践探究的意识，由于缺少实验探究的过程，因此学生独立完成探究过程
4、的难度较大。三、认知关键点1.对伽利略理想斜面实验模型构建的思想，理解不够深入。由于学生没有经历过由理想实验结合真实实验或是生活经验展开的逻辑推理过程，因而对伽利略理想实验的思维、研究方法等的认识存在一定的困难。2.在探究加速度与物体受力、物体质量的关系的实验中，学生能够运用控制变量法研究多个物理量间关系，同时实验方案设计过程中，如何控制实验条件简化实验，如何运用图像、数学方法处理实验数据等的推理论证，学生经历较少，还需在具体实践探究过程中循序渐进地引导学生。3.对通过牛顿第二定律，建立了加速度、力和质量间的联系，从而在此基础上也就建立了物理量单位间的关系的认识，学生是初次学习，因此对于单位制
5、的理解仍是一个循序渐进的过程。4.由于学生缺乏逻辑推理能力，因此在对具体、实际问题进行抽象、概况后，具体运用牛顿运动定律分析解决实际问题的过程，要不断引导学生，加深理解、加强练习。第四章运动和力的关系内容与价值分析（一）课标要求与分析1.课标要求：1.2.3通过实验，探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系。理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。通过实验，认识超重和失重现象。1.2.4知道国际单位制中的力学单位。了解单位制在物理学中的重要意义。活动建议（2）通过各种活动，例如乘坐电梯、到游乐场参与有关游乐活动等，体验失重与超重。（3）根据牛顿第二定律，
6、设计一种能显示加速度大小的装置。2.对课标要求的理解分析：从课标要求可以看出，这一章的重点是牛顿运动定律。牛顿运动定律将必修第一册前面各章所学的运动和相互作用的知识建立起定量的因果联系，在发展加速度、力、惯性、质量等概念的基础上，重点培养学生建构运动和相互作用观念。从课标要求中还可以看出，本章学习中特别强调联系实际，要应用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。加强实际生活中超、失重的体验，应用牛顿运动定律设计显示加速度的装置等。从物理学的视角认识自然界中运动和力的现象，解决相关的问题，促进学生对于运动与相互作用观念的进一步发展。课标特别强调了通过实验，探究运动和力的现象和规律。例
7、如探究加速度、力、质量的关系，研究超重和失重现象等。通过实验引导学生运用控制变量等研究方法设计实验方案，用图像、计算等方法分析和处理实验数据的方法，体会探究过程中所用的学科方法，提高科学探究能力。突出了物理学科将实验探究、数学工具和科学推理论证有机结合的特有研究方法。单位制的学习应使学生认识到物理规律也给出了物理量和单位之间的关系。在明确力学单位制的基本单位以后，要学会应用物理量之间的关系得出导出单位，同时还应学会解决问题时如何合理地应用和简化单位的书写。通过本章的研究和学习，了解其大致的研究方法和发展过程，以及伟大意义，学习牛顿、伽利略等科学家的创造性思维品质和敢于质疑的精神。（二）教材内容
8、与价值分析1.单元知识结构2.核心概念学习线索本章的主要内容是探究力和运动的关系。研究这一规律，是先按照直觉观察、生活经验进行概括，做出判断，再根据科学思维和科学探究相结合的方法进行严谨、定量的研究，得到结论后，再到生产生活的实际中加以应用，验证和完善结论的正确性。本章就是按照这样的线索展开学习的，教师教学时也要注意呈现出这样的学习脉络。以牛顿第二定律的学习为例：本章的新知识、概念、规律较多，也都很重要，只有把握住学习的线索，才能围绕核心概念构建知识，做到条理分明、多而不乱。3.科学方法培养发展在这一章的学习中，渗透了很多科学研究方法。例如牛顿第一定律研究过程中伽利略的理想实验方法，把实际存在
9、的、影响物体运动的摩擦力去掉，抓住事物的本质和主要矛盾，基于逻辑推理得出结论。这种理想化实验的方法在物理学中是非常重要的研究方法。在探究加速度与力、质量的关系时，应用控制变量的方法探究多个物理量之间的关系。为使外力的测量简便，采用平衡摩擦力时的补偿方法，以及让钩码质量远小于小车质量，控制加速度大小，使得钩码重力与物体所受外力近似相等的控制实验条件的方法。这些将逻辑思维和探究过程结合的方法都是物理学中经常用到的，教师在教学中特别要重视和落实学生对这些方法的理解和应用。再例如物理关系式和单位间的关系，不仅可以简化和统一定量计算，还可以通过单位之间的关系推断或猜测某种物理规律是否合理或存在，这种推理
10、论证的思维方法在后继学习中也是很重要的。4.物理观念建构发展本章在物理观念的发展上意义重大。从本册教材而言，必修第一册的重点是运动和相互作用，在前面三章分别学习了运动的描述、匀变速直线运动和相互作用的初步知识，而第四章将这些概念、规律联系起来，建立和运动、相互作用间的定量关系。从与初中观念的承接发展来看，初中学习的重点是匀速直线运动和一条线上的平衡问题，现在运动的观念发展到变速直线运动，相互作用发展到会解决不同方向上的力的合成分解，特别是力的作用效果与加速度间的定量关系，使得学生对运动和相互作用的认识上了一个大台阶。运动和相互作用观念的建构，还对今后抛体运动、圆周运动、机械振动与机械波及万有引
11、力、向心力、回复力等运动和力的关系的学习，以及动能定理、动量定理等力和运动关系的发展的探究，乃至对电磁学、热学和近现代物理的力和运动问题也奠定了知识和研究方法的基础。所以教学中要注意概念、规律的承上启下，逐步建构和发展更加科学、深入的运动和相互作用观念。5.跨学科概念方法及教育价值：（1）跨学科概念和方法：运动和力之间的因果关系的研究，有助于学生对“原因和结果”这一跨学科概念的深入理解。运动和力之间的关系有表层的，就像很多人一开始认为力是产生运动的原因。要经过科学严密地实验探究和逻辑推理，才能找到它们之间真正的因果关系：力是使物体产生加速度的原因，并且进一步研究得出定量的关系F=ma。本章研究
12、中采用的理想实验法、控制变量法、控制实验条件简化实验等方法，处理数据时所用的作图像和公式描述的数学方法，也是自然科学研究乃至社会学研究中常用的方法。在得出牛顿第一定律和第二定律的过程中，研究超重和失重条件的过程中，都应用了归纳概括和演绎推理结合的方法。科学规律的得出，很少能用全部验证的枚举法，很多时候带有猜想和推断的成分，根据有限的实验实事得出某个定律。基于事实的逻辑推理也是学生不可或缺的科学素养。（2）本章教育价值历史上科学家们对运动和相互作用认识的探究过程，特别伽利略、牛顿严谨的逻辑推理和大胆的创新思维，会使学生体会人类认识自然过程中的艰辛与曲折，崇敬科学家的钻研精神和创新能力，有助于培养
13、科学态度并激发学生对科学本质的探寻欲望。学生亲自经历探索运动和力的关系中的思考、讨论、合作学习、动手实践和交流分析等学习过程，这也是培养学生细致的观察能力，实事求是、认真负责的科学态度和责任的过程。而研究牛顿定律在生产生活中的广泛应用，对理解物理学知识在人类发展史上的重要地位和作用、激励学生通过物理学习增强实践能力和社会责任也有着重要意义。第四章运动和力的关系章末小结1.牛顿运动定律的内容及逻辑关系（运动与相互作用的关系）【知识内容逻辑关系】牛顿站在前人的肩膀上，继承并超越了伽利略等前人提出的理论，以绝对时空观为核心，提出了牛顿三大定律。牛顿三大定律是动力学的主题，它们描述的是物体运动状态变化
14、的因果关系。这里的“因”是外力，“果”是运动状态的变化，即动量的变化。第一定律描述的是物体具有维持原来静止或匀速直线运动状态的属性惯性，这是物体保持运动状态的内因。要使物体改变这样的状态，就需要外力，但牛顿定律并没有给出“力”的大小和来源，也没有指出“力”如何定量改变“运动状态”，因此这是定性的因果关系。第二定律指出了物体运动状态改变与外力的定量因果关系。这里要指出的是，牛顿最初所定义的“运动的量”其实不是速度，因此“状态的改变”也不是加速度，牛顿第二定律描述的是“动量的变化率与外力的关系”，牛顿第二定律涉及的主要物理量是动量和力，并没有加速度。动量中有质量，质量是物体惯性大小的量度，因此，牛
15、顿第二定律中出现的质量称为惯性质量。这里需要指出的是，必须先有牛顿第一定律定义的惯性参考系，牛顿第二定律才能成立。在因果关系上，第一定律仅指出了“因”和“果”的定性关系，第二定律进一步明确了“因”和“果”的定量关系。因此，第一定律为第二定律的成立提供了条件；第一定律不是从第二定律中导出的所谓特例。第三定律指出了物体之间作用力相互作用的对称性。这里指的相互作用只发生在两个物体之间，是一个物体与另一个物体直接接触的相互作用。虽然牛顿后来也发现了两个物体之间虽然没有直接接触但仍然存在引力相互作用，但是他认为这样的作用是无需媒介传播的、瞬时的，是一种超距作用。第三定律与第一定律和第二定律一样，都是牛顿
16、在前人已经取得的成果的基础上加以总结，发展起来的。如同第一定律和第二定律一样，第三定律对任何力都没有提供特殊的说明。如果没有提供附加的信息，从第三定律中无法计算人合力的具体数值。对于第三定律的重要性，德国物理学家索末菲指出，只有第三定律才使我们从研究单个质点作为受力对象走向了研究相互作用的复杂系统。牛顿运动定律的成立依赖于惯性参考系，而惯性参考系的存在是以牛顿提出的“绝对空间”和“绝对时间”的“经典时空观”为核心的，牛顿三大定律有各自的地位和作用。从确立物体的惯性到惯性参考系来描述运动变化、从描述力与运动变化的定性和定量关系到确立经典因果观、从单一物体受力引起运动状态的变化到建立物体之间的相互
17、作用，都表明了牛顿三大定律在认识和逻辑上是一个整体，其中每一个定律各自具有独立的地位又相互联系，它们构成牛顿云定律不可或缺的组成部分。牛顿三大定律是一个完整的公理化的逻辑体系，它们不是直接来自实验的归纳，也无法用实验进行直接验证。但是，从这个公理体系出发，可以得到很多结论，这些结论是可以通过实验进行验证的。【教学内容逻辑关系】牛顿运动定律将必修第一册前面各章所学的运动和相互作用的知识建立起定量的因果联系，在发展加速度、力、惯性、质量等概念的基础上，重点培养学生建构运动和相互作用观念。本章学习中应特别注重联系实际，要应用牛顿定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。加强实际生活中超、失重的体验
18、，应用牛顿定律设计显示加速度的装置等。从物理学的视角认识自然中运动和力的现象，解决相关的问题，促进学生的运动与相互作用观念的进一步发展。课标特别强调了通过实验，探究运动和力的现象和规律。例如探究加速度、力、质量的关系，研究超重和失重现象等。通过实验引导学生运用控制变量等研究方法设计实验方案，用图像、计算等方法分析和处理实验数据的方法，体会探究过程中所用的学科方法，提高科学探究能力。突出了物理学科将实验探究、数学工具和科学推理论证有机结合的特有研究方法。在探究加速度与力、质量的关系时，应用控制变量的方法探究多个物理量之间的关系。为使外力的测量简便，采用平衡摩擦力时的补偿方法，以及让钩码质量远小于
19、小车质量，控制加速度大小，使得钩码重力与物体所受外力近似相等的控制实验条件的方法。这些将逻辑思维和探究过程结合的方法都是物理学中经常用到的，教师在教学中特别要重视和落实学生对这些方法的理解和应用。单位制的学习应使学生初步认识到物理规律也给出了物理量和单位之间的关系。在明确力学单位制的基本单位以及后，要学会应用物理量之间的关系得出导出单位，同时还应学会解决问题时如何合理地应用和简化单位的书写。物理关系式和单位间的关系，不仅可以简化和统一定量计算，还可以通过单位之间的关系推断或猜测某种物理规律是否合理或存在，这种推理论证的思维方法也是后继学习中很重要的。通过本章的研究和学习，了解其大致的研究方法和
20、发展过程及伟大意义，学习牛顿、伽利略等科学家的创造性思维品质和敢于质疑的精神。2.理想实验中的科学思维（科学推理）及理想实验的意义牛顿第一定律研究过程中伽利略的理想实验方法，把实际存在的、影响物体运动的摩擦力去掉，抓住事物的本质和主要矛盾，基于逻辑推理得出结论。这种理想化实验的方法在物理学中是非常重要的研究方法。“理想实验”，又称为思想实验、思维实验、假想实验、抽象实验等。想实验是科学抽象的一种形式，是人们在思想中，运用理想模型塑造理想模型在理想条件下的运动过程，进行严密的逻辑推理的一种重要的理论研究方法。想实验建立在真实实验基础之上，以真实实验的逻辑法则为依据而开展的一种复杂的思维推理活动，
21、是创造思维的重要表现形式，爱因斯坦和英费尔德在论述物理学的进化时就阐述了20多个与物理学发展密切相关的理想实验。纵观物理学的历史，物理学的形成和发展，物理理论的补充和完善，处处都显示了理想实验方法的重要作用。理想实验作为一种重要的科学研究方法，其精髓在于它是物理思想、数学演绎与一般性实验的巧妙结合，是连接抽象的逻辑思维和经验知识的枢纽。理想实验较之实物实验是有区别和明显的不可替代性的。而在物理教育中运用相关的理想实验，对启迪学生的智慧，培养学生丰富的想象力、创新思维能力、科学抽象能力都具有重要的作用。在物理学发展史上，作为经典力学基础的惯性定律就是理想实验的一个重要结论；爱因斯坦建立狭义相对论
22、，也曾做了关于同时性的相对性理想实验；量子论的建立也与理想实验密切相关，海森堡用来推导测不准关系的所谓电子束的单缝衍射实验就是一种理想实验。下面给出几个力学中的理想实验的例子。1.伽利略的“理想斜面”实验。力与物体的运动的关系是力学的一个最基本的问题。亚里士多德认为：物体的运动是由于外力的作用，当外力的作用停止时，运动的物体就会静止，所以力是维持物体运动的原因。亚里士多德这一观点与人们的一些生活经验相一致，正是由于这样的原因，亚里士多德的观点易于被人们接受，以至于长期以来被人们奉为真理。彻底推翻亚里士多德错误观点的是伽利略。伽利略凭借的有力武器不是数学推导，不是真实的实验，而是理想实验。伽利略
23、设想，如图1在A点悬一单摆，拉至AB时放开，在忽略空气阻力的情况下，摆球会沿着弧线升至对面的C处。如果在摆线经过的E或F处钉上小钉子，可以使摆球沿不同的弧线上升至同一水平高度G和H，由此得到单摆的等高性结论。以单摆的等高性为基础，伽利略进一步设想，如图2中从A点释放一个光滑坚硬的小球，让它沿坚硬光滑的斜面AB下落。到达B点后，小球将以获得的速度沿对面的BC、BD或BE中的某一斜面上升至通过A点的水平面，比较斜面BC、BD和BE,角越来越小，斜面越来越长，即小球在斜面上走过的距离越来越远，运动的时间越来越长。当斜面的倾角为零而成为水平面BF时，物体由于不可能达到A点的高度而永远地运动下去。至此，
24、伽利略得出结论：任何速度一旦施加给一个运动着的物体，只要除去加速或减速的外因，此速度就可以保持不变”伽利略的结论从根本上否定了亚里士多德的“力是维持物体运动的原因”的错误论断，指出力与运动的正确关系是：力是改变物体运动状态的原因。伽利略从单摆等高性的理想实验到理想斜面实验，忽略了空气阻力和摩擦力，而这些忽略在现实中都是无法真正实现的。在真实的实验中，人们可以用各种方法减小空气阻力和摩擦力，但永远也无法彻底消除它们，因而人们无法用真实的实验去验证这些理想化的设想，但是，伽利略的理想实验，不仅让人们觉得合情合理，而且使人们透过了事物的表面现象，看到了事物的本质。2.牛顿的“理想抛体”实验1685年
25、，牛顿写成了“论物体的运动”的论文，论文中提出了著名的抛体运动的理想实验，说明了行星在向心力的作用下为什么会保持轨道运行，进而阐述万有引力的思想。牛顿在论文中所描绘的说明如图3,他写道：“由于向心力行星会保持于某一轨道，如果我们考虑抛体运动，这一点就很容易理解一块石头投出，由于自身的重量的压力，被迫离开直线路径，如果单有初始投掷，理应按直线运动，而这时却在空中描出曲线，最终落在地面；投掷的速度越大，它在落地前走的越远。于是我们可以假设当速度增大到如此之大，在落地前描出一条1，2,5,10，100，1000英里长的弧线，直到最后超出了地球的限制，进入宇宙空间永不触及地球。”牛顿的抛体理想实验，把
26、地面上的力学和空间的力学统一了起来，是他发现万有引力定律，最终形成以三大定律为基础的力学体系的重要思维历程。3.马赫的“理想水桶”实验在牛顿的力学体系中，对于时间、空间和运动这些必不可少的基本要素，牛顿都作了明确的叙述，从而构成了他的绝对时空观。为了证明绝对空间和绝对运动的存在，牛顿提出了著名的水桶实验：如果用长绳吊一水桶，让它旋转至绳扭紧，然后将水注入，水与桶都暂时处于静止之中。再以另一个力突然使桶沿反方向旋转，当绳子完全放松时，桶的运动还会维持一段时间；水的表面起初是平的，和桶开始旋转时一样。但是后来，当桶逐渐把运动传递给水，使水也开始旋转。于是，可以看到水渐渐地脱离其中心而沿桶壁上升形成
27、凹状。运动越快水升得越高。直到最后，水与桶的转速一致，水面即呈相对静止。水的升高显示它脱离转轴的倾向，也显示了水的真正的、绝对的圆周运动。这个运动是可知的，并可从这一倾向测出，跟相对运动正好相反。在开始时，桶中水的相对运动最大，但并无离开转轴的倾向；水既不偏向边缘，也不升高，而是保持平面，所以它的圆周运动尚未真正开始。但是后来，相对运动减小时，水却趋于边缘，证明它有一种倾向要离开转轴。这一倾向表明水的真正的圆周运动在不断增大，直到它达到最大值，这时水就在桶中相对静止。所以，这一倾向并不依赖于水相对周围物体的任何移动，这类移动也无法定义真正的圆周运动，从牛顿的描述和分析可以看出，牛顿的水桶实验很
28、容易实现，实验现象也很容易观察到，因此这是一个实际实验及现象分析。但是，由此而论证的绝对运动却引起后人的许多怀疑与争议。一般认为，对牛顿的绝对时空、绝对运动观做出最深刻、最有力批判的是奥地利物理学家马赫。19世纪末，马赫完成了他的名著力学史评。在书中，马赫指出，世界上一切物体都是相互联系、相互依赖的，与任何变化无关的绝对时间，既然不可能由任何运动来量度，因而也就没有任何实际价值和科学价值。同样的道理，任何人也不能说有什么关于绝对空间和绝对运动的东西。马赫仍借用牛顿的水桶实验，但把实际的水桶实验抽象为理想实验。他设想，如果桶壁越来越厚，越来越重，最后达到几千米厚，实验能得出什么样的结果呢？马赫指
29、出：水相对于桶壁的旋转，因为桶的质量太小了，当然不能引起它表面的凹曲现象。但是，如果桶壁变得非常厚，相对转动对于水面的平凹就肯定会起作用。设想一个静止于水面上的观察者，将看到无数天体绕着他旋转，这一拥有巨大质量的天体体系绕着水旋转，必然引起水面凹曲的现象。所以，马赫据此得出结论：这种效应仍然是相对运动引起的，并不是什么绝对运动的证据。马赫应用理想实验，以明确、直观的形式指出了牛顿的绝对时空、绝对运动观的谬误。在物理学发展的重要关头，他以逻辑思维的方法对旧理论作出令人信服的批判，使人们看到绝对时空观作为牛顿力学的基石是不够牢固的，呼唤物理学在更牢固的基础上建立新的力学体系。学科网（北京）股份有限公司