高中物理《牛顿第一定律》 教案19（人教版必修1）

111第一节 牛顿第一定律教材分析一、新课标与旧教材相比，有以下几点大的变动1、旧教材的“牛顿第一定律”和“运动状态的改变”，在新课标中合成“牛顿第一定律”。2、除“知识与技能”的设置外，增加了“过程与方法”、“情感态度与价值观”的教育。3、质量是惯性唯一量度的问题处理上，新课标比旧教材简化了。4、通过卡通方式引入惯性参考系（以“科学漫步”的形式）降低难度，有别于旧教材“第八节 惯性系和非惯性系”。5、图片的处理上，牛顿的画像、伽利略的斜面实验，都变成彩色照片形式，新课程比旧教材在视觉感觉上更贴近自然，真实感更强。6、习题方面作了较大改进，新课程只保留了旧教材习题中的两道习题，即新课程习题中的1（2）、2。二、三维课程的设计从三维教改的观点看，本节内容的讲述应该有三个重点：一是知识重点，惯性定律、惯性与质量；二是方法重点，即通过伽利略的理想斜面实验推翻了统治人类认识的亚里士多德的“经验事实观”，让学生从中真正体会到“光凭经验来做判断常常是靠不住的”，伽利略之所以推翻了亚里士多德的观点，主要是利用减小摩擦的方法，利用极限的思维方式，把接触面设想成为无限光滑，进而得出物体的运动不需要外力来维持，从这一点上，让学生认识到使人们误入歧途的主要原因是摩擦力。这是一个探索的过程，体现了三维课程的“过程与方法”；三是对科学问题的思辨。科学的发现都有其深刻的社会背景和科学背景，亚里士多德的观点之所以能统治人类认识两千年，主要是这种观点与生活经验相吻合。亚里士多德力图以世界本来面目说明各种自然现象，他能够摆脱当时以神的意志支配世界的观点，形成一套自圆其说的体系，已是很大进步；而伽利略却能利用创造性的思维，敢于质疑，推翻亚里士多德的一些错误观点，说明了人类对自然界的认识过程，乃是在不断的自我否定中前进；科学家们坚持真理、为科学献身的精神，同时体现了对人对事的价值观的问题，这都是情感态度与价值观的绝好素材。若能从这三个方面来考虑，就能体味到编者的匠心独具，超前的教育理念，以及对中学教学的指导作用。而我们平时的教学都偏重了“知识与技能”重点，对另外两方面的教学相对弱些。通过本节课的教学，不仅让学生掌握惯性定律，同时也真正体现张大昌教授所主张的：“人们缺少的知识可以在一生中的任何时刻补充，而方法性的东西，特别是观念性的东西的学习，需要多次接触，才能逐步深入地领悟。在成长过程中，时机的选择是非常重要”。因此方法重点和对科学问题思辨也应与知识重点放在等同的地位。教学建议一、力是改变物体运动状态的原因的教学运动和力的关系问题是动力学的基本问题，对于各种物体的运动，不仅要从运动特点来进行观察和描述，还要从物体的受力情况去分析改变它们运动状态的原因。然而使学生建立起来物体的机械运动改变的原因在于物体间的相互作用力的观点。不是轻而易举的事情。因为，从日常经验出发，人们往往产生错误的认识，这些认识与历史上前人产生过的错误有类似之处，教科书采用了大量的贴近学生的生活实例，例如冰壶球的照片。关于惯性参考系的卡通图片等等，这些情景设置为学生增强感性的认识和“见物说理”，使学生能在教师设置的问题情景中展开讨论和探究。除了对书中举出的实例进行分析外，还应让学生举一些实例来说明力是改变物体运动状态的原因，而不是运动原因，要使学生真正承认这一观点，就应让学生充分表达自己观点，教师应特别注意分析学生举例中出现的错误观点，引导学生进行讨论。例如”静止的物体若没有力的作用就运动不起来运动的物体若去掉推力，就回停下来教师可以利用学生提出的问题，进行充分的讨论。分析例，“力使静止的物体运动，不能说明力是维持物体运动状态的原因。实质是力是改变了物体的运动状态。分析例，教师可以提出“去掉推力，物体是否就立即停下来？”“停止运动前的这段位移大小与什么因素有关？”“请同学设想如果接触面光滑，物体将怎样运动？”最后是学生认识到：运动的物体，如果不受力的作用，将一直保持匀速直线运动，维持物体运动状态不需要力，力是改变物体运动速度的原因。在这里教师可以演示气垫导轨实验，在气垫导轨的两端装上减振弹簧，让学生观察在阻力很小时物体近似做匀速直线运动，当碰撞后，（直到有外力作用）物体的运动状态才发生改变。除碰撞外，滑块做近似匀速直线运动，来回碰撞，使得实验生动、有趣。在讲授人类认识运动和力的关系时，可以请学生阅读一些物理学史的资料，或者请学生通过各种媒体去查阅有关资料，比较亚里士多德的观点与伽利略的观点各是什么，它们有什么不同，请学生举例谈一谈自己所持的观点和理由。二、牛顿第一定律的教学在学生认识了亚里士多德的观点是错误的以后，教师再进行牛顿第一定律的教学，在此过程中教师仍要鼓励学生动脑筋思考，设置一定的问题情景，例如：如果你是伽利略你将用什么方法证明亚里士多德的观点是错误的？学生会想出许多减小摩擦的方法，从学生的设想中逐渐将理想化的方法渗透到教学中。最后讲解伽利略的理想实验，应充分说明伽利略理想实验的推理过程，知道理想实验是建立在可靠事实的基础上的一种科学方法。学生会为伽利略的这一推理过程而叫绝，牛顿第一定律也顺理成章地得出。注意伽利略理想斜面的结论与牛顿第一定律之间的过渡，不要讲完伽利略理想斜面实验后，马上得出牛顿第一定律，要把笛卡儿等人的研究结果陈述出来，让学生体会到一个定律的建立不是一个人或两个人就完成了的，在潜移默化中让学生体会到科学发现的过程，从而使学生受到过程与方法、情感态度与价值观的教育。新课标与旧教材对牛顿第一定律的文字叙述上略有不同，编者可能是从物体实际存在状态的角度来叙述的，即不受力的物体是不存在的。在牛顿第一定律得出之后，教师应带领学生仔细分析牛顿第一定律的内容，帮助学生总结出牛顿第一定律的含义：明确了力和运动的关系。物体的运动并不需要力的维持，只有当物体的运动状态发生变化，即产生加速度时才需要力的作用。提出了惯性的概念。牛顿第一定律既有实验基础，又是一种理想化的思维产物。它在牛顿运动定律中具有极其重要的地位，它揭示了物体都具有惯性的性质。牛顿第一定律所描述的虽然是一种理想化的状态，它却正确地揭示了自然规律。三、惯性概念的教学1、惯性概念的理解教材一改以往对惯性教学的方式，采用通俗的、来自生活的语言，将惯性叙述为“物体抵抗运动状态变化的本领”。教师可再举一些事例，让学生领悟这种表达的含义，如歼击机的质量比运输机、轰炸机小的多，在战斗前还要抛掉副油箱，体操运动员身材都比较矮小等，这些都说明质量小、惯性小，运动状态容易改变。相反，电动抽水站的电动机和水泵都固定在很重的机座上，就是要增大它们的质量，进而惯性大，运动状态不易改变，从而达到稳定的目的。惯性这一概念，学生在初中虽然已经学习过，但要从质量是惯性大小唯一量度的角度认识惯性，仍是学习的难点。因此在教学过程中要说明两个问题。任何物体都有惯性，都有抵抗运动状态变化的“本领”，不同的物体这个“本领”是不同的，这种“本领”的大小是怎样体现出来的呢？力相同，质量不同，相同时间内从静止开始哪一个获得速度大。最好让学生自己举日常生活的事例。体现物理教学所应有的探索性。质量是惯性大小的唯一量度，与物体的运动状态和受力情况无关。高中物理教学不同于初中物理教学，初中物理教学是一种物理常识的教学。多数情况下，只要学生知道一种自然现象，不深究造成这种现象的原因。高中教学要探究造成这种现象的原因，这就涉及到物体的运动状态与物体受力等多方面的知识。物体抵抗运动状态变化的“本质”，“抵抗”这个词用的恰当，换成“阻碍”不行。而楞次定律中的“阻碍”用得很恰当，因为感应电流产生的磁场随引起感应电流的磁通量的变化而变化。对于一个确定的物体，惯性大小是确定的，但其反映的是一种反抗的意愿，不涉及到能否制止事物的发展。2、性质与特点的区别。许多学生把物体具有保持匀速直线运动和静止状态的性质与物体在这种运动状态下的特点混为一谈。容易出现的几种典型认识错误。物体只有在静止或做匀速直线运动状态时才有惯性。一旦破坏了这种状态，惯性就消失了。惯性是一种力。物体的速度大，惯性大，因为速度大的物体停下来比较困难。自由落体运动是惯性运动冲上斜面的物体，沿斜面向上运动过程中受到动力作用，否则物体不会向上运动。其中难点较大的是，的运动是变速运动，产生加速度，运动状态不断改变，因此不是惯性运动，实质上惯性运动就是匀速运动。的难点在于学生应用牛顿运动定律解题，求解加速度时，有些学生总想添上一个动力（或拉力），导致在求解加速度上出问题。3、“旁批”的处理教材74页的旁批，说明对质量的理解的三个层次，同时也说明了人们对概念的认识规律。对于这一内容，最好让学生自己去感悟，并以课外作业的形式出现，如对于“质量”，你认为可从哪些方面（层次）来说明。4、对“运动状态发生改变”的教学新课标淡化了运动状态变化的教学，在这点的处理上，符合教学实际。实际上，学生只要能知道运动状态变化就是速度变化就可以了。因为速度是矢量，其变化必涉及到大小或方向的变化。速度变化对应加速度的产生，可在此处自然引出，点到为止，不必探究，因为“第二节 实验：探究加速度和力、质量的关系”还要讨论。教学参考用题图4-1-11、（2003上海理综）科学思维和科学方法是我们认识世界的基本手段，在研究和解决问题过程中，不仅需要相应的知识，还要注意运用科学方法，理想实验有时更能深刻地反映自然规律。伽利略设想了一个理想实验如图3-1-1所示，其中有一个是经验事实，其余是推论。减小第二个斜面的倾角，小球在这斜面上仍然要达到原来的高度。两个对接的斜面，让静止的小球沿一个斜面滚下，小球将滚上另一个斜面。如果没有摩擦、小球将上升到原来释放的高度。继续减小第二个斜面的倾角，最后使它成为水平面，小球要沿水平面做持续的匀速运动。请将上述理解实验的设想步骤按照正确的顺序排列（只要填写序号即可），在上述的设想步骤中，有的属于可靠的事实，有的则是理想化的推论，下列关于事实和推论的分类正确的是：A.是事实，是推论 B.是事实，是推论C.是事实，是推论 D.是事实，是推论分析：是可靠事实，因此放在第一步，是在高度上无摩擦的设想，最后推导出水平面上的理想实验。因此正确的顺序是答案：B题目设置目的：这是一个理想化实验，是在可靠的实验事实的基础上进行的合理外推，从而得出正确的结论，涉及到的是思维方法和过程的历史材料，这种方法也是科学研究的一种重要方法。本题是新课标三维教学的好材料。2.（2001上海）请将图4-1-2中三位科学家的姓名按历史年代先后顺序排列、。任选其中二位科学家，简要写出他们在物理学上的主要贡献各一项：、。图4-1-2答案：伽利略；牛顿；爱因斯坦伽利略：望远镜的早期发现，将实验方法引进物理学等牛顿：发现运动定律，万有引力定律等爱因斯坦：光电效应、相对论等图4-1-3题目设置目的：本题也是三维课程练习的好素材，利用课本上知识积累和课外阅读所得，归纳来解决此题。题目要求任选二位科学家的各一项主要贡献，只需用课本上学过的即可，当然也可填写学生自己知道的其它贡献，这也体现了新课标的课改精神，教科书只是学习的依据，知识的学习是多层次，多方位的。教材不是知识获取的唯一途径。图4-1-43.（创新题）.找甲乙两个盛满水的瓶子，另有一个与小铁球体积相同的小泡沫塑料球，如图4-1-3放置，将它们系好，小铁球在水中下沉，瓶正放如图4-1-3甲；泡沫塑料球在水中上浮，瓶倒放，如图4-1-3乙。甲乙均固定在小车上。当小车突然向前运动时，观察比较球的运动状态。你看到的现象也许会令你惊讶，小铁球的运动正如你所想的一样，相对瓶来说是向后运动的，而泡沫塑料球相对瓶来说是向前运动的，如图4-1-4所示。造成以上甲向后，乙向前现象的原因，你能给出合理的解释吗？.如图4-1-5所示，两端封闭的玻璃管均因定在小车上，甲内被密封的水银柱中有一段气泡，乙内被密封的空气中有一段水银柱。当两小车突然沿同一方向同时向前运动时，气泡柱相对玻璃管、水银柱相对玻璃管的运动情况：A.气泡向后，水银柱向前运动 B.气泡向前，水银柱向前运动C.气泡向前，水银柱向后运动 D.气泡向后，水银柱向后运动图4-1-5.图4-1-5甲的小车在运动过程中，小车突然撞到前方的墙壁而停止，则气泡相对玻璃管向（前、后）运动。分析：对图4-1-4所示情况，可设想一个与金属小球等体积的水球。金属球位置的变化，必然代替这个水球的位置。而同体积的水球和金属球，金属球的质量大，惯性大，运动状态不容易改变，故相对水球来说滞后，因此金属小球从整体看出现图4-1-4所示情景。同理，由于同体积水球的质量大于泡沫塑料球的质量，水球惯性大，相对泡沫塑料球来说水球滞后，泡沫塑料球相对水球在前，出现如图4-1-4所示情景。由分析可知选C后题目设置目的：本题先给实验及现象，让学生解释问题，考查其建模能力、迁移能力。给出实验结论，实际上降低了题目难度，即使第问解释不出来，按照第问的规律，即密度小的物体运动方向与加速度方向一致。也能将题答案选出。第问可留给层次较高的学生完成。本题从“知识与技能”、“过程与方法” 等角度检测学生对三维课程学习的适应情况，具有探究性质。商榷图4-1-6对教师用书83页图421的商榷当瓶向右加速运动时，瓶内液面会发生变化，形成如图4-1-6所示情形，只有如此情形水才具有向右的加速度。参考资料一、视频参考资料（附件）对斜面实验自制教具的建议（“视频参考资料”内有自制的斜面）1.轨道要用较硬的铝合金槽，尽量别用铁丝制作，原因是小球在运动中轨道颤动及小球与轨道最低端碰撞都要损失能量。2.整个装置的底座要牢固，且平稳。底座不平，小球在到达最低点时容易出现因撞击底座而造成系统颤动损失能量，造成离预想的效果差距太大后果。二、冰壶球相关知识见下页冰壶球相关知识 冰壶球运动源于苏格兰， 1998年在日本的Nagano成为奥林匹克的正式项目。冰壶的制作原料为冰壶石，冰壶石源于苏格兰在冰面上投掷的大块岩石，这些岩石没有特定的大小或形状。 它们演化成了我们今天看到的形状均匀的石质形状。 它们都是由纯粹的花岗岩制成的，极为坚硬。 最好的冰壶石石材来自苏格兰西海岸外的 Ailsa Craig 岛上的一个花岗岩采石场。因为冰壶石都很重（16个冰壶石为一组，每个冰壶石重达 42 磅（19 千克），还不包括包装），所以运输费用相当昂贵。而且制造费用也十分昂贵，因为需要使用钻石才能将它们磨成最终的形状。 冰壶石的上表面和下表面都是凹面。在某些冰壶石上，上下表面的凹度各不相同，目的是使冰壶石在“较快”或“较慢”冰面上回动。在冰壶石上通常用螺栓固定有塑料环形把手，靠一个从冰壶石中部通向另一端上的销槽来固定。右图显示一个带有把手的冰壶石，把手由下侧穿入的钢质螺栓来固定，如图所示。同一个冰壶石的下侧图还显示了螺栓在中部的凹面。颜色较淡的环位于冰壶石实际运行面外，这是一个约 1/4 英寸（6 毫米）宽的环，环直径为 5 英寸（13 厘米）。它可以让冰壶石滑得更远、更准确，并可能掷出比在平面上更大的“弧线”。在环绕冰壶石的带形中有一圈颜色更淡的小带形，这就是“打击面”。在制造过程中，整个冰壶石要高度打磨。 令此表面光泽较暗的目的，是为了改进与其它冰壶石的撞击效果，以便在撞击中既有较大的接触面，又能保证冰壶石不碎。下图为冰壶球运动照片。器材刷子 刷子的功能主要为：(1) 扫刷石头前面的冰，让石头可以滑得更远。(2) 当游戏者在扔掷石头时，可增进游戏者的平衡及稳定。鞋子（滑板） 冰壶的鞋子特殊在两个鞋底的材质并不相同，一只鞋底是橡胶材质，可以防滑；另外一只是铁氟龙材质的光滑底面，当丢掷石头时用来滑行。至于哪一只脚需用何种材质，完全取决于游戏者惯例用哪一只手丢石头：如果游戏者是惯用右手者，则左脚为光滑底面；同理，左手使用者，右脚为光滑底面。 码表 码表的功能是用来测量冰表面光滑的程度。利用量测一个draw shot（一个掷石其力道刚好只够到达对面target）到达某一定距离的时间，我们可以知道冰的光滑程度及石头的速度。当时间越长表示冰的表面越光滑，因为当一个速度不快的石头被丢掷出来，还能够到达对面的目标，表示冰的表面十分光滑；而正因为石头的速度不快，所以要花比较长的时间完成行程。手套 选择手套的秘诀是既要保暖，可是不能太厚以免妨碍游戏。 服装不像网球或是高尔夫球有制式的服装，冰壶在服装的要求上重视的是舒适，宽松和保暖的衣服就很适合玩冰壶。而多层式的穿著更被强烈的建议，因为随着游戏进行身体温暖后，游戏者可以脱掉外层的衣服。测量仪测量仪有两种：一种是6英尺长的棒子，用来判断石头是否进入house；另外一种是像圆规的设备，一端尖头设置在tee，另外一端用来量测哪一颗石头比较接近中心。规则比赛分两队进行，两队各有四名球员，轮流丢掷石球（rock），以猜铜板输者先掷。每局（end）在每队交替掷球，每人分别丢掷两球，八人共十六球之后结束。计分方式为：拥有位于圆垒（house）中、位置最接近圆垒中心之石球之队伍得分。 该队每颗位于圆垒中、位置较另队所有石球都更接近圆心之石球皆可获计一分。 主将（skip）应领导球赛。当队员掷球时，主将应持冰刷（broom），作为掷球之目标物。主将并应指示石球之旋转（turn）方向及应滑行之距离，并使队员了解掷球之目的，以使刷冰员（sweeper）决定应如何刷冰，因为刷冰可使石球增加滑行距离、同时减少行进之曲度（curve）。场地标示如下图。其中较需说明者如下：边线（side line）：任何接触到边线的石球都被视为出局，应立即从场地中移开。 圆垒（house）：冰道（sheet）两端各一，由数个同心圆所构成。 起滑架(hack)：位于场地边缘与圆垒之间，球员在掷球时可藉此将腿后蹬而向前。 圆心线（tee line）：掷球时，若石球已通过掷球区的圆心线，则不可再重掷。石球掷出后，己方的刷冰员可在石球通过标的区的圆心线之前进行刷冰；之后，则对方主将有权进行刷冰，以使球离开圆心。 栏线（hog line）：掷球时，球员必须在掷球区的栏线之前将球离手。掷球后，若石球未完全通过标的区的栏线便停止，则此球视为出局。但若曾与在局中的球发生碰撞，则该球无须完全通过栏线。 石球一场比赛需两组石球，每组各八颗，应上色彩以使在冰道另端仍可轻易辨识。传统上，在第一局中，不拥有最后一球掷球权的一队，可选择该队的球色。球员位置为避免拥挤，比赛规则对于球员的位置也有所规定： 非掷球队：主将及副将（third）可站立于标的端之底线后方，主将也可立于掷球队之主将之后。下一顺位之掷球员可站在后板（backboard）附近，而其它球员则可站在冰道底端之后或两栏线之间。 掷球队：持冰刷之主将（或副将）可立于标的端圆心线后方之任何位置。特殊情况若掷球员未在球抵达掷球端栏线之前将球离手，则另队有权选择该球之处理方式：（1）仍视该球为有效 、（2）将该球视为出局，并将所有受该球碰撞之局内球放为原位。球之意外受触当石球掷出，正在滑行时，若掷球方的球员（通常是刷冰员）不慎以身体、衣服或是冰刷碰触此球，此球即视为受触球。在其滑行完成后，另队可就以下三者任择之一，对该球进行处分：1. 仍视该球为有效 2. 将该球视为出局，并将所有受该球碰撞之局内球放为原位。 3. 估算若球未受碰触，则场中各球的位置应会如何。并将场中各球移至其估算之位置。刷冰规则掷球方之刷冰员可在两圆心线间为己方任何在移动中之石球刷冰。但在圆心线之后，每队仅有一名球员可为己方之石球刷冰，且仅有主将可为对方之石球刷冰。计分拥有位于圆垒（house）中、位置最接近圆垒中心之石球之队伍得分。该队每颗位于圆垒中、位置较另队所有石球都更接近圆心之石球皆可获计一分。在移动任何石球之前，两队之third应对得分情形获得共识。测量若属于不同队之两颗石球无法判定何者较接近圆心时，除非另有石球更接近圆心，该局将被视为不计分。 111