1、牛顿第一定律教材分析牛顿第一定律是牛顿定律的基石，正是因为它破除了长达近两千年的亚里士多德的错误，改变了人类的自然观和世界观，才导致牛顿第二定律得出。与此同时，它本身还包含着力、惯性和参考系这些极富成果的科学概念，成为物理学理论的支柱和基石。另外，伽利略的研究过程蕴涵了重要的科学方法，教学中要引导学生领会牛顿第一定律的含义，充分说明伽利略“理想实验”的实验基础和推理过程，展示了伽利略斜面理想实验的猜想依据、推断结果这一思维过程，通过教学让学生明确运动和力的关系，提升对力、惯性、质量等基本概念的理解。惯性是学生学习运动和力的基础，因其抽象难懂而成为难点。新课标中本节内容对学生有以下基本要求：了解
2、亚里士多德对力和运动关系的论述及存在的错误。认识伽利略研究运动和力关系的思想方法，了解理想实验的作用。知道速度是描述物体运动状态的物理量。理解牛顿第一定律的内容，能够运用牛顿第一定律解释有关现象。知道惯性是物体的固有属性，知道质量是物体惯性大小的量度。运用惯性概念，解释有关实际问题。在发展要求中：了解运动学和动力学研究角度的差异。会识别惯性系与非惯性系。本节是牛顿力学的基础，也是学生学习动力学的开始。力与运动关系的正确观点的建立是核心，也是难点。同时“理想实验”法又是一种重要的物理方法，是实践新课程理念的宝贵素材，教材还专门对探究过程进行了总结，教学中我们给予足够的重视，这对后继课程的学习起到
3、了铺垫和示范作用。学情分析本节所述内容在初中课本上已涉及到，初中课本中用到的标题是惯性定律，所以学生已有一定的基础，关键是如何让学生加深对牛顿第一定律的理解。对力和运动的关系，从日常经验出发，人们往往会产生错误的认识，所以使学生建立起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。由于大量现实情景的直觉干扰，使学生还没有真正在头脑里形成力与运动关系的正确的意识，这是本节教学的一个前摄抑制点，可考虑从实验入手，层层深入，让学生在观察和思考的过程中逐步建立正确观点。物理方法的学习还没有引起学生的重视，所以通过本节的教学，要让学生体会物理方法在研究物理问题中的重要作用。在对惯性的学习
4、中，这仍是学生难于理解的问题。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状态下的特点混为一谈。惯性概念学生熟而不透，语言表达不准，教学中可通过例题多加强调。设计思路物理学是一门与自然、生活、技术进步和社会发展有着最为广泛联系的科学。让学生封闭在既不联系自然，也不联系生产、生活，远离科学探究乐趣，甚至根本不可能存在的“思辩游戏”式的难题和怪题的牢笼之中，他们是不可能热爱物理课程的。所以要让学生在体验中获得物理规律，在物理史实中领略思维的力量和美。本节课的设计特点是注重物理规律的发现和发展，对科学家的创造性思维品质和敢于置疑、坚持真理的献身精神成为情感态度价值观教育的好素材。另
5、外，实验的验证是本节课必需要的。适当介绍一些物理学史的知识，通过对大量实例的分析，让学生真正理解力不是维持物体速度的原因，而是改变物体速度的原因。先是介绍了人类对力和运动关系的发展历史，并着重讲述了伽俐略的理想实验及其重要的实验思想。然后引入了牛顿第一定律，引入了惯性概念，并由此分析出力不是维持物体速度的原因，而是改变物体速度的原因。三维目标知识与技能1知道伽利略的理想实验及其主要推理过程和推论，知道理想实验是科学研究的重要方法；2理解牛顿第一定律的内容及意义；3知道什么是惯性，会正确地解释有关惯性的现象。过程与方法1观察生活中的惯性现象，了解力和运动的关系；2通过实验加深对牛顿第一定律的理解
6、；3理解理想实验是科学研究的重要方法。情感态度与价值观1通过伽利略和亚里士多德对力和运动关系的不同认识，了解人类认识事物本质的曲折性；2感悟科学是人类进步的不竭动力。教学重点 1对牛顿第一运动定律和惯性的正确理解；2科学思想的建立过程。教学难点 1力和运动的关系；2惯性和质量的关系。教具准备 多媒体课件、小车、小球、毛巾、玻璃板、斜槽、刻度尺、木块、气垫导轨、滑块、气垫导轨装置、伽利略针和单摆实验装置。课时安排 1课时教学过程 新课导入通过实验引入力和运动的关系，引起学生的思考。【实验】在讲台上放一辆小车，处于静止状态，怎样才能让小车运动起来呢？要用力去推它。从这个例子很容易得到：物体要运动，
7、需要对它施加力的作用，那么力和运动之间关系如何呢？机械运动多种多样，有的静止有的做直线运动，有的做曲线运动。物体做各种不同的运动的原因是什么呢？从本节课我们就来探究这个问题。新课教学爱因斯坦曾把一代一代科学家探索自然奥秘的努力，比做福尔摩斯侦探小说中警员破案的过程。在侦探故事中，有时候明显可见的线索却把人们引到错误的判断上去，也就是说，光凭经验来做判断常常是靠不住的。长期以来，在研究物体运动原因的过程中，人们的经验是：要使一个物体运动，必须推它或拉它。因此，人们直觉地认为，物体的运动是与推、拉等行为相联系的，当不再推、拉的话，原来的运动便停止下来。根据这类经验，亚里士多德得出结论：必须有力作用
8、在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止在一个地方。然而，在探究运动原因的“侦探小说”里，这正是由明显的线索引出的错误判断，而且这个“错案”竟维持了近两千年。直至三百多年前，伽利略才创造了有效的“侦察”方法，发现了正确的线索，揭示了现象的本质，成为物理学中的“福尔摩斯”。静止在水平面上的物体，用力去推，物体由静止变为运动；一段时间后撤掉该力，物体的运动状态又如何？一段时间后撤走该力时，物体速度越来越慢，最终停下。根据以上的现象，思考“运动一定需要力来维持吗”？生1：需要。因为用力推物体它才能运动，而撤走了这个力物体最终会停下，所以，运动必须用力来维持。生2：不一定，按照生1的说法，运
9、动一定需要力来维持的话，撤走了力，物体应该立刻停下才对。生3：例如在空中飞行的足球，已经不再受到脚的作用力，但仍然向前运动，因此“物体的运动不一定需要力的作用”。相同条件下空中飞行的足球比地滚球运动的距离要长很多，地滚球为什么运动一会儿就停止呢？因为受到阻力。如果没有阻力的作用，足球将会怎样运动？将不会减速。【实验演示】让一个小球从斜面上滑下，斜面末端分别放毛巾、木板和玻璃板，让学生仔细观察实验现象。实验现象是当斜面末端的接触面越光滑，小球滑动的距离越远。说明摩擦力是阻碍物体运动的原因，因为摩擦力的存在使物体运动状态发生了变化。如果没有摩擦力的作用，小球又将会怎样运动呢？大家大胆猜想一下。生1
10、：不好预测，因为没有摩擦力这种情况不可能存在。生2：如果没有摩擦力的作用，物体将永远运动下去。现在就让我们沿着历史的足迹看一下物理学的先知们是如何一步步从黑暗走向光明的。一、理想实验的魅力【课件演示】首先是亚里士多德的错误观点：必须有力作用在物体上，物体才能够运动；没有力的作用，物体就要静止在一个地方。接着演示伽利略是如何利用理想实验反驳伽利略错误的观点的。伽利略认识到，将人们引入歧途的是摩擦力，而摩擦力又是日常物体的运动中难以避免的。伽利略注意到，当一个球沿斜面向下滚动时，它的速度增大，而向上滚动时，它的速度减小。他由此猜想：当球沿水平面滚动时，它的速度应该不增不减。实际上他也发现，球越来越
11、慢，最后停下来。伽利略认为，这是由于摩擦阻力的缘故，因为他同样还观察到，表面越光滑，球便会滚动得越远。于是，他推断：若没有摩擦阻力，球将永远滚下去。伽利略为了说明他的思想，设计了一个如图所示的实验：让小球沿一个斜面从静止状态开始滚下，小球将滚上另一个斜面，如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度。减小后一斜面的倾角，小球在这个斜面上仍达到同一高度，但这时它要滚得远些。继续减小第二个斜面的倾角，球达到同一高度就会滚得更远。于是他问道：若将后一斜面放平，球会滚动多远？结论显然是，球将永远滚动下去。（小球虽然达不到原来的高度，但仍不放弃，同学们学习是不是也要如此？）这就是说，力不是维持物体的运动，即维持
12、物体的速度的原因，而恰恰是改变物体运动状态，即改变物体速度的原因。因此，一旦物体具有某一速度，如果它不受力，就将以这一速度匀速直线地运动下去。伽利略根据“理想实验”断言：小球应该以恒定的速率永远运动下去。由此可推断，在水平面上做匀速运动的物体并不需要用外力来维持。当然，我们不能消除一切阻力，也不能把水平木板做得无限长，所以这个实验是个“理想实验”。理想实验，是科学研究中的一种重要的方法。它突出了事物的本质特征，能达到现实科学实验无法达到的极度简化和纯化的程度。它不仅可以充分发挥理性思维的逻辑力量，还可以让思维超越当时的科学技术水平，在想象的广阔天地里自由驰骋。伽利略的理想实验是科学研究中的一种
13、重要方法：它把可靠的事实和合理的推论结合起来，以可靠的事实为依据，抓住主要因素，忽略次要因素，更深刻地揭示自然规律。伽利略“力与运动的关系”科学探究过程提出问题猜想假设设计方案实验事实实验推理得出结论运动需要力来维持吗？ 运动不需要力来维持逻辑推理法、理想法斜面实验倾角越小，路程越长物体的运动不需要力来维持【课件演示】把滑块放到气垫导轨上面，调整气垫导轨水平，滑块与导轨间形成气层，从而使滑块与导轨间的摩擦变得很小，推一下滑块，让学生观察滑块的运动是什么运动。滑块的运动近似匀速直线运动。伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正的开端。这个发现
14、告诉我们，根据直接观察所得出的直觉的结论不是常常可靠的，因为它们有时候会引到错误的线索上去。【知识拓展】多媒体演示伽利略的另外一个理想实验：伽利略针和单摆实验。伽利略受教堂内吊灯摆动的启发，运用逻辑思维的方法进行分析，得出了与亚里士多德不同的力与运动的关系的结论。在如图所示的装置中，将摆球拉到一边，由静止开始释放小球，摆球会摆到另一边，用水平长尺标记其高度，用一根针多次改变小球的悬点，重复实验.在当时的测量条件下，伽利略得出的结论是：摆球能上升到原来的高度。这个实验后来被称为“伽利略针和单摆实验”。与伽利略同时代的法国科学家笛卡儿（R. Descartes，15961650）补充和完善了伽利略
15、的观点，明确指出：除非物体受到外力的作用，物体将永远保持其静止或运动状态，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，并且是人类整个自然观的基础。如果一个物体由静止变为运动或由运动变为静止，我们说，它的“运动状态”发生改变。如果一个物体速度的大小或方向变了，我们也说，它的“运动状态”发生改变。由于运动总会伴随着位置的变化，所以“位置”和“速度”是描述物体运动状态的物理量。二、牛顿物理学的基石惯性定律伽利略对物体不受外力时的运动作了准确的描述，但他并没有明确指出运动和力之间的关系是什么。笛卡儿在伽利略的基础上更近了一步，更为接近真理。伽利略和笛卡儿的正确
16、结论在隔了一代人以后，由牛顿根据自己的研究，系统地总结了力和运动的关系，于1687年发表了著作自然哲学的数学原理，提出了三条运动定律，奠定了经典力学的基础。1牛顿第一定律（1）内容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（Newton first law of motion）。（2）范围一切物体，包括固体、液体和气体。（3）条件完全不受外力作用。（4）结论运动状态保持不变，即原来静止的物体保持静止，原来运动的物体保持匀速直线运动。 2惯性（1）概念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（inertia
17、）。牛顿第一定律又叫做惯性定律（law of inertia）。（2）惯性定律和惯性的区别a惯性定律是物体不受外力作用时所遵从的运动规律。b惯性是物体的固有属性，一切物体都有惯性。（3）说明a一切物体都具有惯性，包括固体、流体和气体；b物体的运动不需要力来维持，维持物体运动的是惯性；c惯性是物体的固有属性；d物体在任何时刻、任何状态下都具有惯性。3力的科学概念从牛顿第一定律知道，如果物体没有受到外力作用，它的速度的大小和方向都保持不变，即物体的运动状态保持不变。由此可知，维持物体运动并不需要外力，而是物体本身固有的惯性。力是物体对物体的作用，力不是维持速度的原因，而是改变物体速度的原因。4对牛
18、顿第一定律正确性的理解因为不可能把自然界的任何物体完全孤立起来，也就是说，不受力作用的物体是不存在的，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，不可能用实验直接验证，因而也无法按照字面意义来验证牛顿第一定律，它的正确性只能从与实验事实的推理相符合而得到证实。例如，冰球场上，冰球离开球杆后，能以几乎不变的速度继续前进，直到它再一次受到球杆的打击或碰到障碍物，才改变这种状态。三、惯性与质量牛顿第一定律涉及两个重要的物理概念：力和惯性。力，不仅是物理学中的基本概念，也是日常生活中用得很多的一个名词。这在上一章已经讨论过了。【思考与讨论】从牛顿第一定律我们得知，物体都要保持它们原来的匀速直
19、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”。但是这种“本领”的大小是不一样的。物体抵抗运动状态变化的“本领”，与什么因素有关？请大家通过实例进行分析。1质量是物体惯性大小的量度观察和实验表明，对于任何物体，在它们受到相同的作用力时，决定它们运动状态变化难易程度的惟一因素就是它们的质量。 ma运动状态难改变惯性 F一定 ma运动状态易改变惯性 描述物体惯性的物理量是质量（mass）。质量是物体惯性大小的唯一量度。一切物体都有惯性，在任何状态下都有惯性；惯性是物体的固有性质；物体的惯性的大小只与质量有关，质量越大，惯性越大，运动状态越难以改变；质量越小，惯性越小，运动状态越容
20、易改变；惯性的大小只与质量有关，与其他因素无关。2质量是标量质量只有大小，没有方向，它是标量。在国际单位制中，质量的单位是千克，符号为kg。物体的质量不随地理位置而变。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。人们对于科学概念的认识就是这样一步一步深入的。【课堂交流】运用牛顿第一定律解释有关现象。1在小车上放一方木块，使它们静止在水平桌面上，然后，突然给小车一个推力，观察到木块会向后倾倒。引导学生对实验现象进行解析：施加推力前，小车和木块处于什么状态？（静止）。当给小车施加推力后，分析小车和木块会发生什么变化？（当给小车
21、施加推力后，木块的下部由于摩擦力作用随车前行，而木块的上部由于惯性，仍将保持原来的静止状态，所以会向后倾倒）2惯性能解释日常生活中的许多现象。例如：当汽车启动时，车上的乘客会向后倾斜，为什么？因为汽车已经开始前进，乘客的下半身受到汽车的作用而随车前进，由于惯性的作用，其上半身仍然保持静止状态，所以车上的乘客会向后倾斜。3当汽车刹车时，车上的乘客会向前倾斜，为什么？因为汽车刹车时，乘客的下半身受到汽车的作用而随车减速，由于惯性的作用，其上半身仍然保持原来的速度前进，所以车上的乘客会向前倾斜。4现代汽车中，通常有安全带、安全气囊和头枕等设备，从惯性的角度说明它们有什么作用。当紧急刹车时，车虽然停下
22、了，人却因惯性仍然向前，而安全带、安全气囊和头枕等设备会给人阻力，保护人的安全和减少伤害。5运动的火车比运动的自行车停下来要困难得多，可见物体的惯性即保持匀速直线运动状态或静止状态的本领，它与物体的质量有关，有什么关系呢？因为惯性是指物体保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质，汽车的惯性的大小，是看它保持静止或保持某一速度的能力的大小，只要速度有所改变，运动状态就改变了，并不一定要从运动到静止。6在路上跑的人被绊倒时是向前趴着倒下，而慢走的人滑倒时，则大多数是后仰着地摔倒，试论述其原因。这是因为人在跑的时候人的重心在人的整体的前方，当人的脚遇到障碍物之后，由于惯性的原因使其上半身继续向前运动
23、，容易向前趴；而慢走的人由于重心在整个身体的后面，所以经常后仰着地摔倒。7回答下列问题：（1）飞机投弹时，如果发现目标在飞机的正下方才投下炸弹，能击中目标吗？为什么？（2）地球在从西向东自转。你向上跳起来以后，为什么还落到原地，而不落到原地的西边？（3）我国公安部规定，在各种小型车辆前排乘坐的人必须系好安全带。为什么要做这样的规定？（4）一个同学说，向上抛出的物体，在空中向上运动时，肯定受到了向上的作用力，否则它不可能向上运动。这个结论错在什么地方？8常见的对物体惯性的错误理解：（1）物体运动时有惯性，静止时没有惯性；（2）物体不受力时有惯性，受力时没有惯性；（3）速度大的时候惯性大，速度小的
24、时候惯性小；（4）物体运动起来位移越大，惯性就越大。小结通过本节的学习，我们知道了：（1）历史上几位科学家对力和运动关系的看法和研究；（2）伽利略得到力和运动关系的研究方法；（3）牛顿第一定律的内容；（4）惯性及应用惯性知识解决实际问题的方法。代表人物与力和运动关系的观点代表人物力和运动关系的观点亚里士多德必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就要静止在一个地方。伽利略力不是维持物体的运动，即维持物体的速度的原因，而恰恰是改变物体运动状态，即改变物体速度的原因。一旦物体具有某一速度，如果它不受力，就将以这一速度匀速直线地运动下去。笛卡儿除非物体受到外力的作用，物体将永远保持其静
25、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。牛顿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。布置作业教材第70页问题与练习。板书设计1牛顿第一定律一、理想实验的魅力伽利略“力与运动的关系”科学探究过程提出问题猜想假设设计方案实验事实实验推理得出结论运动需要力来维持吗？ 运动不需要力来维持逻辑推理法、理想法斜面实验倾角越小，路程越长物体的运动不需要力来维持二、牛顿物理学的基石惯性定律1牛顿第一定律（1）内容：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（Newton first law
26、 of motion）。（2）范围：一切物体，包括固体、液体和气体。（3）条件：完全不受外力作用。（4）结论：运动状态保持不变，即原来静止的物体保持静止，原来运动的物体保持匀速直线运动。 2惯性（1）概念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（inertia）。（2）惯性定律和惯性的区别a惯性定律是物体不受外力作用时所遵从的运动规律。b惯性是物体的固有属性，一切物体都有惯性。（3）说明a一切物体都具有惯性，包括固体、流体和气体；b物体的运动不需要力来维持，维持物体运动的是惯性；c惯性是物体的固有属性；d物体在任何时刻、任何状态下都具有惯性。3力的科学概念力是物
27、体对物体的作用，力不是维持速度的原因，而是改变物体速度的原因。4对牛顿第一定律正确性的理解三、惯性与质量1质量是物体惯性大小的量度量度物体惯性大小的物理量是它们的质量（mass）。2质量是标量质量只有大小，没有方向，它是标量。在国际单位制中，质量的单位是千克，符号为kg。【科学漫步】惯性参考系前面学习运动的相对性时我们已经知道，为了描述物体的运动，要选择一个物体做参考系，而参考系的选择带有一定的任意性。例如，描述火车车厢内物体的运动时，可以选择地面为参考系，也可以选择车厢为参考系。但是，在应用惯性定律时，可以任意选择参考系吗？考察下面的情况也许会有帮助。在一节火车车厢内有一张水平的桌面，桌上有
28、一个小球。如果火车停在水平的铁轨上，小球能够静止在桌面上，能够保持它的静止状态不变。这是符合牛顿第一定律的。如果火车突然向前开动，小球的状态会有什么变化吗？在火车加速的同时，小球会运动吗？这时它受到水平方向的力吗？用加速运动的车厢作为参考系，牛顿第一定律适用吗？在有些参考系中，不受力的物体会保持静止或匀速直线运动的状态，这样的参考系叫做惯性参考系，简称惯性系（inertial system）。以加速运动的火车为参考系，牛顿第一定律并不成立，这样的参考系叫做非惯性系。在研究地面物体的运动时，一般可以把地面看做惯性系；相对地面做匀速直线运动的其他参考系，例如沿平直轨道匀速行驶的列车，也可以看做惯性系。活动与探究1一切物体在任何状态下都具有惯性，惯性是物体固有的特性，所以惯性的大小对我们日常的生活和生产的影响不可忽视.我们也按照需要采取了各种措施去增大或减小惯性的影响，请以“惯性的影响与利用”为题写一篇课题汇报。2请设计小实验或小制作，验证物体是具有惯性的。3设想某时刻所有的物体都不具有惯性，世界会变成什么样子？