牛頓第一定律教學(xué)設(shè)計(jì)

【校本研修成果】刁哲牛頓第一定律教學(xué)設(shè)計(jì)

課程基本信息課題牛頓第一定律教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)：1.通過閱讀或查閱資料等途徑了解牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)過程，體會(huì)人類認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的曲折過程，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。2.能夠準(zhǔn)確敘述牛頓第一定律的內(nèi)容，并能對(duì)該定律所揭示的運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系問題有較深刻的理解。3.了解伽利略關(guān)于運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的認(rèn)識(shí)，了解他的理想實(shí)驗(yàn)和相應(yīng)的推理過程，領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)加推理的科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理和想象力。4.能通過實(shí)例說明質(zhì)量是物體慣性大小的量度。教學(xué)重點(diǎn)：伽利略理想實(shí)驗(yàn)。教學(xué)難點(diǎn)：理解牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)過程，體會(huì)該定律揭示的力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。教學(xué)過程時(shí)間教學(xué)環(huán)節(jié)主要師生活動(dòng)2分鐘環(huán)節(jié)一：引入（屏幕播放：天問一號(hào)發(fā)射過程視頻）[師]：2020年7月23日，我國(guó)在海南島文昌航天發(fā)射場(chǎng)，用長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭將我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問一號(hào)”探測(cè)器發(fā)射升空，飛行2000多秒后，成功將探測(cè)器送入預(yù)定軌道，開啟火星探測(cè)之旅，邁出了我國(guó)自主開展行星探測(cè)的第一步。探測(cè)器的發(fā)射升空要靠地面上技術(shù)人員的控制，要想成功地控制其運(yùn)動(dòng)，必須知道它為什么能這樣運(yùn)動(dòng)，也就是運(yùn)動(dòng)的原因。關(guān)于“運(yùn)動(dòng)的原因”問題是一個(gè)古老的話題，可以追溯到公元前4世紀(jì)，最早對(duì)這個(gè)問題作出回答的是古希臘圣人——亞里士多德。3分鐘環(huán)節(jié)二：亞里士多德的樸素運(yùn)動(dòng)觀1.亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀[師]：亞里士多德觀察了大量物體的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過思考，把運(yùn)動(dòng)分為兩類：一類是“自然運(yùn)動(dòng)”，另一類是“受迫運(yùn)動(dòng)”。自然運(yùn)動(dòng)是指物體的運(yùn)動(dòng)不需要外界的影響而自發(fā)進(jìn)行。比如：重物的下落、輕物的上升等；日月星城等天地的圓周運(yùn)動(dòng)是最完美的自然運(yùn)動(dòng)。除了自然運(yùn)動(dòng)外，一切物體的運(yùn)動(dòng)都只能在外界影響迫使下才能進(jìn)行，即“受迫運(yùn)動(dòng)”。比如一個(gè)靜止的物體只有在推動(dòng)者的推或拉的作用下才能運(yùn)動(dòng)，停止推拉的作用，原來運(yùn)動(dòng)的物體便歸于靜止?！咎釂枴客瑢W(xué)們能舉出在生活中類似的實(shí)例嗎？[師]：比如用力推小車，小車就動(dòng)，不推，小車就會(huì)停下來；再比如用力踢足球，足球就動(dòng)，不踢，足球也會(huì)停下來。亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀念聽起來很有道理，與生活經(jīng)驗(yàn)相符合，可稱為“樸素的運(yùn)動(dòng)觀”。從公元前4世紀(jì)誕生起，2000多年里沒有受到質(zhì)疑，一直到公元16世紀(jì)，歐洲大學(xué)里物理講的還是這種觀點(diǎn)。2.引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)受迫運(yùn)動(dòng)原因的實(shí)質(zhì)[師]：亞里士多德的偉大之處在于，他在尋找運(yùn)動(dòng)的原因時(shí)跟推或拉等外界影響建立起了關(guān)系。他總結(jié)的受迫運(yùn)動(dòng)原因的實(shí)質(zhì)是：運(yùn)動(dòng)需要力來維持，力是維持運(yùn)動(dòng)的原因。通過初中的學(xué)習(xí)，大家都知道這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，有問題，那么問題在哪里呢？4分鐘環(huán)節(jié)三：伽利略的研究[師]：亞里士多德的思想延續(xù)到了文藝復(fù)興時(shí)期。同學(xué)們都知道文藝復(fù)興時(shí)期是文學(xué)藝術(shù)和科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的時(shí)期。對(duì)亞里士多德的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑的代表人物是意大利物理學(xué)家伽利略。1.質(zhì)疑的切入點(diǎn)[師]：伽利略在對(duì)運(yùn)動(dòng)觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)：沿著斜面滾下的物體運(yùn)動(dòng)越來越快，做加速運(yùn)動(dòng)；沿著斜面向上沖的物體運(yùn)動(dòng)越來越慢，做減速運(yùn)動(dòng)！【提問】請(qǐng)同學(xué)們思考并推理：什么情況下物體會(huì)做勻速運(yùn)動(dòng)？（平面！）[師]：伽利略把他的觀察記錄在他的著作《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話》中：在在向下傾斜的平面上已經(jīng)存在一“加速因素”；而在向上傾斜的平面上則有一“減速因素”。由此可見，在水平面上的運(yùn)動(dòng)是永久的……〔體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1〕同學(xué)們的桌面都是水平的，請(qǐng)你推動(dòng)下物理課本，觀察到課本的永久運(yùn)動(dòng)了嗎？那同學(xué)們相信伽利略的說法嗎？[師]：伽利略也看到了大家的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，他正是由此引發(fā)質(zhì)疑：原來運(yùn)動(dòng)的物體之所以停下來真的是因?yàn)闆]有力的作用嗎？不是！原來運(yùn)動(dòng)的物體之所以停下來，是因?yàn)槟Σ亮蚩諝?、水流的阻力作用的結(jié)果。2.猜想與假設(shè)[師]：如果沒有摩擦力、流體阻力的影響，“在水平面上運(yùn)動(dòng)的物體將會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去”，這就是我們的猜想。這種猜想是否正確呢，怎么去研究呢？[師]：通過實(shí)驗(yàn)，這是伽利略的研究方法！他設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)接斜面實(shí)驗(yàn)！4分鐘環(huán)節(jié)四：理想實(shí)驗(yàn)的魅力1.理想斜面實(shí)驗(yàn)〔演示實(shí)驗(yàn)1〕這是一條長(zhǎng)軌道，兩端墊高，構(gòu)成了對(duì)接斜面。一個(gè)鋼球從一側(cè)斜面上的某高度處靜止?jié)L下，沖上另一側(cè)斜面，記錄小球到達(dá)最高點(diǎn)的位置。首先鋪上尼龍布實(shí)驗(yàn)；換用棉布。仍由同一點(diǎn)釋放，記錄下最高點(diǎn)；撤去棉布，重復(fù)操作。[師]：通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)小球上升的更高了，越來越接近釋放點(diǎn)的高度，但總是差一點(diǎn)。這是什么原因呢？[生]；有摩擦！[師]：（引導(dǎo)學(xué)生推理）摩擦大時(shí)上升的高度小，摩擦越小上升的高度越大，如果沒有摩擦呢？應(yīng)該上升到和釋放點(diǎn)同樣的高度！〔演示實(shí)驗(yàn)2〕假設(shè)這個(gè)對(duì)接斜面是光滑的。在該位置釋放小球前，先把另一側(cè)斜面的傾角減小，用小旗標(biāo)記小球運(yùn)動(dòng)的最遠(yuǎn)距離?，F(xiàn)象：小球運(yùn)動(dòng)的距離變大了。【思考1】這是為什么呢？（因?yàn)樾∏蚝孟裼辛擞洃浌δ?，它要尋找等高位置！）再次減小另一側(cè)斜面傾角，小球?yàn)閷ふ业雀唿c(diǎn)要走更遠(yuǎn)的距離！【思考2】當(dāng)另一側(cè)斜面傾角減小到0時(shí)，會(huì)有什么現(xiàn)象呢？（從水平面飛出！）[師]：假設(shè)軌道足夠長(zhǎng)，而且沒有摩擦，小球?qū)?huì)如何運(yùn)動(dòng)？（永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去?。師]：小球在水平軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，水平方向有推或拉的外界作用嗎？（沒有?。師]：這說明什么呢？物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持！到此為止，我們驗(yàn)證了前面的猜想：如果沒有摩擦力、流體阻力的影響，在水平面上運(yùn)動(dòng)的物體將會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去。2.總結(jié)伽利略的科學(xué)研究方法[師]：想一想，在研究落體運(yùn)動(dòng)時(shí)我們就把兩位偉人的觀點(diǎn)做了對(duì)比，現(xiàn)在又把他們研究“力與運(yùn)動(dòng)”的觀點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。之所以伽利略能夠超越前人的認(rèn)識(shí)，原因之一是他的研究方法和亞里士多德不同，你覺得有什么不同呢？[生]；有實(shí)驗(yàn)，有推理！[師]：亞里士多德：觀察→結(jié)論，“猜想性結(jié)論！”伽利略：觀察→猜想→實(shí)驗(yàn)→推理→結(jié)論，“邏輯性結(jié)論！”[師]：理想實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的外推，實(shí)驗(yàn)和推理完美結(jié)合，這是伽利略開創(chuàng)的科學(xué)研究方法。愛因斯坦對(duì)伽利略的評(píng)價(jià)：伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端。3.笛卡爾的表述[師]：與伽利略同時(shí)代的法國(guó)著名物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家笛卡爾補(bǔ)充完善了伽利略的觀點(diǎn)：如果運(yùn)動(dòng)中的物體沒有其他原因作用的話，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運(yùn)動(dòng)，既不停下來也不偏離原來的方向。【提問】對(duì)比笛卡爾和伽利略的表述，有什么不同呢？[師]：其一，伽利略只說“一直運(yùn)動(dòng)下去”，而笛卡爾進(jìn)一步明確了是“勻速直線運(yùn)動(dòng)下去”。其二，伽利略觀點(diǎn)中的“水平面”在笛卡爾的觀點(diǎn)中并沒有提及，而只是說直線，沿任意方向的直線，拓寬了人們的視野。[師]無論是伽利略還是笛卡爾都沒能準(zhǔn)確說明“加速因素”、“減速因素”、“其他原因”是什么，直到30多年后牛頓創(chuàng)造性地指出“因素”、“影響”就是力。8分鐘環(huán)節(jié)五：牛頓第一定律[師]：牛頓踩在巨人的肩膀上，在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系做了全面的闡述：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)。后人把這個(gè)結(jié)論稱為“牛頓第一定律”。寫在了《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》這本書里。1.慣性與質(zhì)量的關(guān)系[師]：理解牛頓第一定律可以從前半句和后半句分別分析?！耙磺形矬w總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)”說明無論在什么條件下，任何物體都有這樣的性質(zhì)：勻速直線的保持勻速直線、靜止的保持靜止，這是物體與生俱來的本領(lǐng)。即保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的本領(lǐng)，或者說抵抗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的本領(lǐng)——慣性。[師]：物體慣性越大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變?cè)诫y；慣性越小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變?cè)饺菀?。那如何使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變？又如何比較物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度呢？可以施加相同的作用力比較物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的劇烈程度。〔演示實(shí)驗(yàn)3〕請(qǐng)一位同學(xué)實(shí)驗(yàn)前深呼吸一下，用力吹懸掛著的乒乓球和鋼球。[師]：這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明鋼球球的慣性大，而金屬球質(zhì)量大?？梢杂觅|(zhì)量來衡量物體的慣性大小。即質(zhì)量是物體慣性的唯一量度，質(zhì)量越大，慣性越大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變。力是產(chǎn)生加速度的原因[師]：定律后半句指出了“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”。物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是用速度v這個(gè)物理量來描述的，它是矢量！物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化即速度v發(fā)生變化，也就是物體