牛頓第一定律教學設計

【校本研修成果】刁哲牛頓第一定律教學設計

課程基本信息課題牛頓第一定律教學目標教學目標：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，體會人類認識事物本質(zhì)的曲折過程，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。2.能夠準確敘述牛頓第一定律的內(nèi)容，并能對該定律所揭示的運動和力的關(guān)系問題有較深刻的理解。3.了解伽利略關(guān)于運動和力的關(guān)系的認識，了解他的理想實驗和相應的推理過程，領(lǐng)會實驗加推理的科學研究方法，培養(yǎng)學生科學推理和想象力。4.能通過實例說明質(zhì)量是物體慣性大小的量度。教學重點：伽利略理想實驗。教學難點：理解牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)過程，體會該定律揭示的力和運動的關(guān)系。教學過程時間教學環(huán)節(jié)主要師生活動2分鐘環(huán)節(jié)一：引入（屏幕播放：天問一號發(fā)射過程視頻）[師]：2020年7月23日，我國在海南島文昌航天發(fā)射場，用長征五號遙四運載火箭將我國首次火星探測任務“天問一號”探測器發(fā)射升空，飛行2000多秒后，成功將探測器送入預定軌道，開啟火星探測之旅，邁出了我國自主開展行星探測的第一步。探測器的發(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動，必須知道它為什么能這樣運動，也就是運動的原因。關(guān)于“運動的原因”問題是一個古老的話題，可以追溯到公元前4世紀，最早對這個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動觀1.亞里士多德的運動觀[師]：亞里士多德觀察了大量物體的運動，經(jīng)過思考，把運動分為兩類：一類是“自然運動”，另一類是“受迫運動”。自然運動是指物體的運動不需要外界的影響而自發(fā)進行。比如：重物的下落、輕物的上升等；日月星城等天地的圓周運動是最完美的自然運動。除了自然運動外，一切物體的運動都只能在外界影響迫使下才能進行，即“受迫運動”。比如一個靜止的物體只有在推動者的推或拉的作用下才能運動，停止推拉的作用，原來運動的物體便歸于靜止?！咎釂枴客瑢W們能舉出在生活中類似的實例嗎？[師]：比如用力推小車，小車就動，不推，小車就會停下來；再比如用力踢足球，足球就動，不踢，足球也會停下來。亞里士多德的運動觀念聽起來很有道理，與生活經(jīng)驗相符合，可稱為“樸素的運動觀”。從公元前4世紀誕生起，2000多年里沒有受到質(zhì)疑，一直到公元16世紀，歐洲大學里物理講的還是這種觀點。2.引導學生認識受迫運動原因的實質(zhì)[師]：亞里士多德的偉大之處在于，他在尋找運動的原因時跟推或拉等外界影響建立起了關(guān)系。他總結(jié)的受迫運動原因的實質(zhì)是：運動需要力來維持，力是維持運動的原因。通過初中的學習，大家都知道這種觀點是錯誤的，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)到了文藝復興時期。同學們都知道文藝復興時期是文學藝術(shù)和科學技術(shù)蓬勃發(fā)展的時期。對亞里士多德的觀點提出質(zhì)疑的代表人物是意大利物理學家伽利略。1.質(zhì)疑的切入點[師]：伽利略在對運動觀察時發(fā)現(xiàn)：沿著斜面滾下的物體運動越來越快，做加速運動；沿著斜面向上沖的物體運動越來越慢，做減速運動！【提問】請同學們思考并推理：什么情況下物體會做勻速運動？（平面！）[師]：伽利略把他的觀察記錄在他的著作《關(guān)于兩門新科學的對話》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，在水平面上的運動是永久的……〔體驗實驗1〕同學們的桌面都是水平的，請你推動下物理課本，觀察到課本的永久運動了嗎？那同學們相信伽利略的說法嗎？[師]：伽利略也看到了大家的實驗現(xiàn)象，他正是由此引發(fā)質(zhì)疑：原來運動的物體之所以停下來真的是因為沒有力的作用嗎？不是！原來運動的物體之所以停下來，是因為摩擦力或空氣、水流的阻力作用的結(jié)果。2.猜想與假設[師]：如果沒有摩擦力、流體阻力的影響，“在水平面上運動的物體將會一直運動下去”，這就是我們的猜想。這種猜想是否正確呢，怎么去研究呢？[師]：通過實驗，這是伽利略的研究方法！他設計了一個對接斜面實驗！4分鐘環(huán)節(jié)四：理想實驗的魅力1.理想斜面實驗〔演示實驗1〕這是一條長軌道，兩端墊高，構(gòu)成了對接斜面。一個鋼球從一側(cè)斜面上的某高度處靜止?jié)L下，沖上另一側(cè)斜面，記錄小球到達最高點的位置。首先鋪上尼龍布實驗；換用棉布。仍由同一點釋放，記錄下最高點；撤去棉布，重復操作。[師]：通過實驗對比，發(fā)現(xiàn)小球上升的更高了，越來越接近釋放點的高度，但總是差一點。這是什么原因呢？[生]；有摩擦！[師]：（引導學生推理）摩擦大時上升的高度小，摩擦越小上升的高度越大，如果沒有摩擦呢？應該上升到和釋放點同樣的高度！〔演示實驗2〕假設這個對接斜面是光滑的。在該位置釋放小球前，先把另一側(cè)斜面的傾角減小，用小旗標記小球運動的最遠距離。現(xiàn)象：小球運動的距離變大了?！舅伎?】這是為什么呢？（因為小球好像有了記憶功能，它要尋找等高位置！）再次減小另一側(cè)斜面傾角，小球為尋找等高點要走更遠的距離！【思考2】當另一側(cè)斜面傾角減小到0時，會有什么現(xiàn)象呢？（從水平面飛出?。師]：假設軌道足夠長，而且沒有摩擦，小球?qū)绾芜\動？（永遠運動下去?。師]：小球在水平軌道上運動時，水平方向有推或拉的外界作用嗎？（沒有！）[師]：這說明什么呢？物體的運動不需要力來維持！到此為止，我們驗證了前面的猜想：如果沒有摩擦力、流體阻力的影響，在水平面上運動的物體將會一直運動下去。2.總結(jié)伽利略的科學研究方法[師]：想一想，在研究落體運動時我們就把兩位偉人的觀點做了對比，現(xiàn)在又把他們研究“力與運動”的觀點進行對比。之所以伽利略能夠超越前人的認識，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]；有實驗，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→實驗→推理→結(jié)論，“邏輯性結(jié)論！”[師]：理想實驗是在實驗的基礎(chǔ)上進行合理的外推，實驗和推理完美結(jié)合，這是伽利略開創(chuàng)的科學研究方法。愛因斯坦對伽利略的評價：伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端。3.笛卡爾的表述[師]：與伽利略同時代的法國著名物理學家、數(shù)學家笛卡爾補充完善了伽利略的觀點：如果運動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動，既不停下來也不偏離原來的方向?！咎釂枴繉Ρ鹊芽柡唾だ缘谋硎?，有什么不同呢？[師]：其一，伽利略只說“一直運動下去”，而笛卡爾進一步明確了是“勻速直線運動下去”。其二，伽利略觀點中的“水平面”在笛卡爾的觀點中并沒有提及，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，對力和運動的關(guān)系做了全面的闡述：一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)。后人把這個結(jié)論稱為“牛頓第一定律”。寫在了《自然哲學之數(shù)學原理》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總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(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)。即保持原有運動狀態(tài)不變的本領(lǐng)，或者說抵抗運動狀態(tài)變化的本領(lǐng)——慣性。[師]：物體慣性越大，運動狀態(tài)改變越難；慣性越小，運動狀態(tài)改變越容易。那如何使物體的運動狀態(tài)改變？又如何比較物體運動狀態(tài)改變的難易程度呢？可以施加相同的作用力比較物體運動狀態(tài)改變的劇烈程度。〔演示實驗3〕請一位同學實驗前深呼吸一下，用力吹懸掛著的乒乓球和鋼球。[師]：這個實驗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，運動狀態(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“力是改變物體運動狀態(tài)的原因”。物體的運動狀態(tài)是用速度v這個物理量來描述的，它是矢量！物體運動狀態(tài)發(fā)生變化即速度v發(fā)生變化，也就是物體