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1、教学案例牛顿第一定律金华市汤溪高级中学 俞俊雄本课分析：牛顿第一定律又称惯性定律，是学好力和运动的关系的基础，是力学中的非常重要的一个定律。可以说，如果牛顿第一定律没学好，那么整个物理学就学不好。牛顿第一定律看似简单，一共就一句话，而且学生在初中时就已经学过，但要真正理解和掌握牛顿第一定律，却并不简单。学生在做力和运动的关系的习题时，往往会暴露出牛顿第一定律没掌握好的问题。因此，在上牛顿第一定律新课时，一定要让学生真正理解和掌握牛顿第一定律。为了达到此目的，教师课前应该精心设计问题，这些问题应该能让学生错误的和模糊的想法都能暴露出来。教学目标：知识与技能：理解和掌握牛顿第一定律，在具体的问题中
2、能分析出当物体不受任何外力时将做什么运动。知道什么是惯性，能正确认识惯性的大小与什么因素有关。过程与方法：了解牛顿第一定律创立的过程；理解渐变法，理想化法。情感态度和价值观：了解伽利略不迷信权威的思想；了解伽利略透过现象看本质的思想；了解牛顿继承和总结前人的知识的思想。教学过程：实验引入新课：教师放一滑块在较粗糙的水平桌面上，教师让学生仔细观察滑块的运动。教师用手轻轻地推一下，滑块往前动了一下，教师不推，滑块就不动。教师引导学生得出滑块：推一推，动一动，不推就不动。教师进一步总结出，力是物体维持运动的原因亚里士多德的观点。（粗体字为板书，下同。）进行新课：教师问：真的是这样吗？请同学们再仔细观
3、察一下刚才的实验，注意滑块离开手后还会继续运动吗？教师用手较用力推滑块，学生发现滑块离开手后还要再继续往前运动一段距离。教师问：滑块离开手后还会继续运动吗？学生答：会。教师问：那是是什么力让滑块继续运动的？有的学生会答：手的推力。教师反问：滑块离开手后还会受到手的推力吗？引导学生答：因为手和滑块已不接触，所以滑块不会受到推力的作用。教师又问：根据亚里士多德的观点，滑块在运动中一定受到了力的作用，那到底是什么力让滑块继续运动呢？教师故意不让学生回答，自己也不回答，又提出以下问题：同学们思考一下，用什么方法可让滑块运动得远一些？学生答：减小滑块与桌面间的磨擦。教师又问：如果滑块与桌面间没有磨擦，用
4、手推一下滑块后会发生什么情况？有的学生会回答到：滑块会一直运动下去。教师总结：同学生分析得有道理，早在三百多年前的16世纪，有个物理学家名叫伽利略，他就注意到了这种情况，并做了自已的分析。他认为，不受推力的作用滑块会继续运动的现象与亚里士多德的观点力是物体维持运动的原因两者之间产生矛盾，应该是亚里士多德的观点出了问题，问题出在亚里士多德没有考虑摩擦力的作用，如果没有摩擦力，物体会一直运动下去而不需要任何外力来维持。为此，他设计了一个著名的理想斜面实验。教师出示并介绍实验器材：卷尺、玻璃球、磁铁。在铁质的黑板上模拟伽利略的理想斜面实验。ABCD实验：如图所示：空心园与实线表示卷尺，卷尺用磁铁（小
5、黑方形）固定在铁制黑板上， B、C、D为卷尺拉到不同位置，虚线表示事先画在黑板上的水平线。小黑圆表示瓷质小球。做实验时，每次小球都放在同一位置A由静止开始释放，小球沿AO滚下，分别沿OB、OC、OD上滚，可观察到，每次小球都基本上能到达水平线附近，随着卷尺斜面的倾角不断减小，小球运动的路程越来越长。O图1：伽利略理想实验模拟教师先演示，让小球在位置A由静止开始释放，小球沿AO滚下，小球沿OB上滚。教师问：小球能达到原来的水平线上吗？学生答：不能。教师问：为什么不能？学生答：因为小球与卷尺间有摩擦。教师问：怎样才能让小球尽可能达到水平线？学生答：想办法减少小球与卷尺间的摩擦。教师：摩擦越小，小球
6、越接近水平线，我们可以想办法尽量减少摩擦，小球尽可能达到水平线，什么情况下，小球能达到水平线？学生答：在完全没有摩擦的情况下。教师问：这种情况实际可能存在吗？学生答：不可能存在。教师接着演示，让小球都放在同一位置A由静止开始释放，小球沿AO滚下，分别沿OB、OC、OD上滚，可观察到，每次小球都基本上能到达水平线附近，随着卷尺斜面的倾角不断减小，小球运动的路程越来越长。教师又问：我们发现随着卷尺斜面不断放平，小球运动的路程越来越长。如果完全没有摩擦，当把卷尺放水平时，小球会怎样运动？学生答：小球会一直运动下去，而不会停下来。教师问：回答得很好。刚才我们所做的实验，就是伽利略著名的理想斜面实验模拟
7、。为什么说是模拟呢？因为理想斜面实验是根据实际的实验推断出来的，假设斜面完全光滑的话，小球能一直运动下去。但完全光滑是不可能做到的，也不可能把水平斜面做得无限长，所以说，这个实验是个“理想实验”。“理想实验”只是一种在脑子里做做的实验，实际是做不出来的。那理想实验是不是凭空想象的呢？也不是，它是以一定实践为基础的，比如我们刚才所做的实验，加上合理的外推。这“合理”的外推就是：斜面越光滑，小球就越接近原来的高度，假设完全光滑，就会回到原来的高度；斜面放得越平，小球就会运动得越远，假设斜面放水平，又假设完全光滑，小球为了回到原来的高度，就会一直运动下去。教师小结：伽利略根据理想斜面实验，得出小球要
8、维持运动，并不需要外力的维持。他推翻了亚里士多德的观点力是物体维持运动的原因，提出了伽利略自已的观点一旦物体具有某一速度，如果它不受力，就将一直运动下去。伽利略指出：力不是维持物体的运动的原因，而恰恰是改变物体运动状态，即改变物体速度的原因。我们推一下物体，物体运动一段时间后会停下来的原因就是在运动的过程中受到了摩擦力的作用，如果物体不受摩擦力的作用，推一下物体后，物体将一直运动下去。与伽利略同时代的法国科学家笛卡儿补充和完善了伽利略的观点，明确指出：除非物体受到外力的作用，物体将永远保持静止或运动状态，永远不会使自己沿曲线运动，而只保持在直线上运动。他还认为，这应该作为一个原理加以确立，并且
9、是人类整个自然观的基础。牛顿站在伽利略和笛卡儿这两位巨人的肩膀上，将他们正确的结论总结成动力学的一条基本定律：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。这就是牛顿第一定律。牛顿第一定律的前半句话：“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态”表明，物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质，我们把这个性质叫做惯性。牛顿第一定律又叫做惯性定律。牛顿第一定律的后半句话：“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”说明力是改变运动状态的原因。教师问：牛顿第一定律可用实验直接验证吗？为什么？学生答：不可能，因为不可能把片自然界的任何物体完全孤立起来，也就是说，
10、不受力作用的物体是不存在的。教师：回答得很好，所以牛顿第一定律是利用逻辑思维对事实进行分析的产物，虽然它不能用实验直接验证，但是，许许多多现象可以帮助我们理解牛顿第一定律。例如，冰壶运动中，在冰场上，冰壶离开球杆后，能以几乎不变的速度继续前进，直到它再一次受到球杆或碰到障碍物，才改变这种状态。（教师播放冰壶运动的录像片段）图2：冰壶运动的录像片段教师：惯性定律是牛顿物理学的基石，它的意义是：一明确了力和运动的关系，二提出了惯性的概念。下面，请同学们分析一下，以下物体在运动的过程中，如果突然把一切外力全撤去，物体接下来会如何运动？教师出示各物体的运动情况。1、 A物体保持静止状态，在t=10s时
11、撤去外力。2、 B物体做10m/s的匀速直线运动，在t=10s时撤去外力。3、 C物体做初速度为1m/s，a=1m/s2的匀加速直线运动，在t=10s时撤去外力。4、 D物体做初速度为10m/s，a=-1m/s2的匀减速直线运动，在t=5s时撤去外力。5、 E物体做初速度为10m/s，a=-1m/s2的匀减速直线运动，在t=7s时撤去外力。6、 F物体做初速度为10m/s，a=-1m/s2的匀减速直线运动，在t=10s时撤去外力。7、 G物体做初速度为10m/s，a=-1m/s2的匀变速直线运动，在t=20s时撤去外力。教师根据学生回答的情况进行分析，特别指出：物体要保持的运动状态，就是撤去外
12、力时物体所具有的速度大小和方向。教师：在不受任何外力时，物体具有惯性，要保持原有的运动状态；如果物体受到外力，物体的运动状态就要发生改变，那么，此时物体还具有惯性吗？学生：有。教师：为什么？学生：惯性是物体的固有属性，不管受不受到外力都具有。不受外力，由于惯性，物体要保持原有的运动状态；若受外力，由于惯性，物体也欲保持原有的运动状态，只不过由于受到外力，迫使物体改变原有的运动状态，原有的运动状态就保持不了了。教师：回答得非常好。也就是说，物体由于惯性，都要保持它们原来的匀速直线运动或静止的状态，或者说，它们都具有抵抗运动状态变化的“本领”。请问：不同的物体这种“本领”的大小都相同吗？学生：不一
13、定相同。教师问：为什么？学生思考。教师提示：这种“本领”的大小，就是惯性的大小。那么惯性的大小与什么因素有关呢？ 学生有的说与质量有关，有的说与速度有关。这时，教师应进行耐心地引导。教师：惯性的大小，应该是不同的物在受到相同的作用力时，用运动状态变化的难易程度来衡量的。什么是运动状态变化的难易程度呢？这里要搞清三个问题：1、什么是运动状态？2、什么是运动状态的变化？3、什么是运动状态的变化难易程度？学生思考。教师请学生甲回答问题1。学生甲：运动状态就是指速度，也就是速度的大小和方向。教师请学生乙回答问题2。学生乙：运动状态的变化就是指速度的变化，如果物体的速度大小或方向其中之一发生变化或两者都
14、发生变化，那么物体的运动状态就发生了变化。教师：两位同学都回答得非常好，那么什么是运动状态的变化难易程度呢？学生意见不一，教师提示：运动状态的变化难易程度应该这样衡量：不同的物体，受到相同的力，作用了相同的时间，如果速度的变化大，那么运动状态容易改变；如果速度的变化小，那么运动状态就不容易改变。现在再回过来看看，惯性的大小与质量有关吗？与速度有关吗？请举实例说明。学生丙：我认为与质量有关，比如用同样的力作用相同的时间去推一辆静止的自行车和一辆载重汽车。自行车的质量比较小，容易动起来，速度变化大，也就是运动状态容易改变，惯性就小。而载重汽车的质量比较大，不容易动起来，速度变化小，运动状态就难改变
15、一些，惯性就大。教师：回答得很好，其实，可以用两个词“笨重”和“灵巧”来描述惯性的大小。“笨重”的物体质量大，运动状态难改变，惯性就大；“灵巧”的物体质量小，运动状态容易改变，惯性就小。那么，惯性与速度有关吗？学生丁：我认为与速度有关，因为速度大的物体，比如飞驰的火车要停下来很难。学生戊：我认为与速度无关，子弹的速度比火车总要大吧，但它比火车停下来要容易得多。教师提示：我们可以先比较一下静止的自行车A与以10m/s运动的自行车B哪个惯性大。用相同大小的力作用相同的时间去推静止的自行车A和以10m/s运动的自行车B，哪辆的速度变化大一点呢？实际上速度变化大小是一样的。也就是说，相同质量不同速度的
16、物体的惯性是一样的。为什么两辆自行车的速度变化大小是一样的呢。这就是以后我们要探究的内容。教师小结：我们可以得出结论：描述物体惯性的物理量是它们的质量。而与速度无关。质量只有大小，没有方向，它是标量。在国际单位制中，质量的单位是千克，符号是Kg。在初中，我们把质量理解为物体所含物质的多少；现在，又从物体惯性的角度认识质量。以后我们还会通过物体间的引力认识质量。我们对于科学概念的认识就是这样一步一步深入的。教学反思： 本课从实验着手，重视思辨，学生在教师的引导下，深入进行理性思考，教学效果较好。但是在学生对惯性的感性认识方面稍有欠缺，可增加一些关于惯性的视频，例如：如宇航员在太空中的运动，匀速直线运动的汽车上向上抛球等等。也可让学生分析人被石块拌倒为什么朝前扑，而溜冰时为什么容易往后仰等等。板书：力是物体维持运动的原因亚里士多德的观点力不是维持物体的运动的原因，而改变物体运动状态的原因伽利略的观点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第一定律（惯性定律）描述物体惯性的物理量是它们的质量。而与速度无关。教师总结：今天我们一起循着历史的脚步，回顾了牛顿第一定律发现的过程，理解了牛顿第一定律的内容，辨析了惯性与什么因素有关。以后我们要正确使用牛顿第一定律。今天的作业是做课后的问题与练习1、2、3。自学科学漫步：惯性参考系。谢谢大家，下课。