《牛頓第一定理》教學(xué)設(shè)計及自制實驗設(shè)備的幫助 李明金 李明金 云南省昭通市南溪四中 【摘要】牛頓第一定理是牛頓數(shù)學(xué)的基石，它的出現(xiàn)牛頓第一定理的誕生，是一個漫長的過程。 在學(xué)習(xí)過程中，人類認識運動與力關(guān)系的歷史是中學(xué)生應(yīng)該重點學(xué)習(xí)的內(nèi)容。 培養(yǎng)中學(xué)生發(fā)展嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评砟芰?，培養(yǎng)中學(xué)生敢于堅持真理、不迷信權(quán)威的精神和科學(xué)探究精神，懂得科學(xué)研究過程的艱辛，領(lǐng)悟?qū)嶒灱油评淼目茖W(xué)研究方法。 為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，筆者借助日常物品制作了一些實驗裝置，供中學(xué)生自主探索和教師演示。 本文重點介紹本課的教學(xué)設(shè)計以及自制實驗設(shè)備的使用。 [關(guān)鍵詞] 牛頓第一定理； 教學(xué)設(shè)計； 自制實驗設(shè)備； 數(shù)學(xué)教學(xué)設(shè)計 一、背景分析 1、教材的地位和作用 本章知識屬于動力學(xué)知識，是研究力與運動的關(guān)系，只有了解了動力學(xué)知識，才能確定物體的位置。根據(jù)作用在物體上的力來確定物體，而速率變化規(guī)律可以為控制物體的運動創(chuàng)造條件。 牛頓運動三定理是動力學(xué)的核心內(nèi)容。 本課教學(xué)內(nèi)容“牛頓第一運動定理”是牛頓數(shù)學(xué)的基石。 伽利略的思維方式和對運動與力關(guān)系研究的杰出貢獻，進而闡述了牛頓第一定理和物體慣性概念的內(nèi)容。 為后續(xù)研究牛頓運動定理奠定基礎(chǔ)。
2、學(xué)業(yè)情況分析 中學(xué)階段的中學(xué)生已經(jīng)對牛頓第一定理有了一定的了解，但對定理的理解并不深入。 中學(xué)階段，中學(xué)生可以獨立進行受力分析和運動分析。 具有一定的分析推理和邏輯思維能力。 這個時期的中學(xué)生好奇心強、求知欲強，對化學(xué)實驗及其所展現(xiàn)的各種現(xiàn)象產(chǎn)生濃厚的興趣，并會形成探究其本質(zhì)的欲望。 但就學(xué)習(xí)習(xí)慣而言，主動性不強，被動接受學(xué)習(xí)次之。 客觀分析 1、知識技能：（1）運用伽利略理想實驗，了解運動與運動之間的關(guān)系，知道其主要推理過程和推論； （2）理解牛頓第一定理的內(nèi)容和意義； （三）認識慣性，認識并理解解釋日常生活中由慣性形成的簡單現(xiàn)象。 知道質(zhì)量是慣性大小的度量。 2、過程與方法：（1）通過分析運動與力的關(guān)系，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评砟芰Γ? （2）了解伽利略關(guān)于運動與力關(guān)系的思考方式，感受理想實驗是科學(xué)研究的重要方式。 3.情感、態(tài)度和價值觀：培養(yǎng)中學(xué)生勇于堅持真理，不相信權(quán)威和科學(xué)探究； 了解科學(xué)研究過程的艱辛，了解實驗和推理的科學(xué)研究方法。 三、重點難點 重點： 1、通過參與實驗研究，強化中學(xué)生分析論證的能力 2、牛頓第一定理與慣性難點：力與運動的關(guān)系，中學(xué)生獲得了一種來自生活經(jīng)歷的經(jīng)驗誤區(qū)，認為本質(zhì)被現(xiàn)象掩蓋了。 錯誤地認為物體的運動是力的結(jié)果。
4.教學(xué)方法分析 以適當(dāng)?shù)膯栴}為紐帶，為中學(xué)生創(chuàng)造自主探索的空間，引導(dǎo)中學(xué)生通過猜測與假設(shè)、設(shè)計與論證、歸納與分析、討論為基礎(chǔ)，給出發(fā)揮中學(xué)生主體作用，提高學(xué)習(xí)水平。 積極性。 教具：氣球、CD制作的卡車、伽利略理想實驗演示器、鐵球1個、細線鐵塊1個、細線塑料球1個《刀尖上的街舞-起飛和降落過程》航空母艦上的客機”。 擁有自己的軍艦對于提高我軍綜合作戰(zhàn)能力、維護國家安全、促進世界和平具有重要意義。 軍艦的一舉一動都牽動著中國人民的心。 通過潛艇上客機的起降以及生活中的許多體育現(xiàn)象，提出力與運動是相關(guān)的，可以有效引入話題，培養(yǎng)中學(xué)生的愛國主義精神。 （二）探索階段 亞里士多德觀察生活現(xiàn)象： 情況：在平坦的道路上，人乘坐傘車行走，車可以移動，當(dāng)人停止用力時，貨車就會停下來。 下雨時，樹根動； 風(fēng)停了，樹根也停了。 當(dāng)斧頭敲擊釘子時，力一撤去，釘子就會移動，力一撤去，釘子就會停止。 這種現(xiàn)象的共同點是：物體只有在力較強時才運動，當(dāng)力撤去時，運動就停止。 （中學(xué)生自己可以總結(jié)）亞里士多德由此得出推論：力是維持物體運動的誘因。 問：通過觀察生活直接得出的推論對嗎？ 中學(xué)生想了想后回答道。 因為這部分知識在小學(xué)就已經(jīng)學(xué)過，所以中學(xué)生得出這樣的看法是錯誤的，但很多中學(xué)生卻不知道為什么。
追問：你能舉一個反例來證明亞里士多德是錯的嗎？ 中學(xué)生回答思路：踢橄欖球、推書包。 “當(dāng)力被移除后，物體在停下來之前仍然可以移動很長的距離。” 問：物體停止的原因是因為缺乏力嗎？ 答：不會，有摩擦。 問：如果沒有摩擦力，物體會作什么運動？ 答：還在繼續(xù)。 對中學(xué)生進行表揚和評價。 歷史上，亞里士多德的觀點仍然維持并統(tǒng)治了人們的思想近兩千多年，直到三百年前伽利略才強調(diào)力不是使物體保持運動的原因，物體不需要力來運動。 伽利略猜想：如果沒有摩擦阻力和流體阻力的影響，物體將在水平面上永遠運動。 獨立實驗：氣球車實驗（小組實驗） 探索階段：聯(lián)系實際、歷史回顧 學(xué)習(xí)階段：關(guān)鍵知識、案例分析 應(yīng)用階段：課堂實踐、促進理解 推導(dǎo)階段：情境引入、現(xiàn)象發(fā)現(xiàn) 知識鞏固階段：分配任務(wù)、分層提升、有氣球和沒有氣球的動作對比？ 伽利略猜想能被證明嗎？ 回顧伽利略如何證明他的猜想。 演示理想的斜面實驗，引導(dǎo)中學(xué)生邊演示邊思考。 演示說明：設(shè)置一個向上的斜角，然后平滑地連接一個向下的斜角。 然后拿一個小球放在斜坡上的某個點上，當(dāng)它從靜止運動中出來時，它會沖向另一個斜坡。 班主任提出疑問：它能“沖”到哪里，能回到原來的高度嗎？ 如果順利的話，結(jié)果會怎樣？ 班主任通過一系列的問題引發(fā)了同學(xué)們的思考。
通過實驗發(fā)現(xiàn)，它無法上升到原來的水平，這是由于摩擦的緣故。 科學(xué)推理：如果沒有摩擦力，物體就能升到原來的高度。 這是一個理想的實驗情況，即小球總是能沿著光滑的斜坡上升到原來的高度。 這是邏輯上遵循的化學(xué)推論的合理外推。 減小第二斜面的夾角，夾角越小，球到達原始高度的距離就越長； 夾角越小，通過的距離越長。 之后，我們將進行科學(xué)推理。 如果最終變成水平面，小球所行的距離將無限長，只能繼續(xù)沿水平面移動。 因為現(xiàn)實生活中不可能有絕對平滑的坡度，所以這個實驗是一個“理想實驗”。 引用的案例學(xué)生比較了亞里士多德和伽利略的研究方法。 班主任總結(jié)：伽利略的斜面實驗不僅得到了推論，更重要的是提出了一個重要的化學(xué)方法——理想實驗。 理想實驗的概念被中學(xué)生解讀為：“以可靠事實為基礎(chǔ)，忽略次要激勵，將實驗情境合理??外推至理想狀態(tài)，從而澄清自然現(xiàn)象本質(zhì)的虛假表象”。 通過這個實驗讓中學(xué)生認識到一個規(guī)律的發(fā)現(xiàn)并不是一帆風(fēng)順的，不是最初的認識是對的，而是人類不斷探索才能產(chǎn)生什么，并了解科學(xué)研究過程的艱辛和科研成果的艱辛?？茖W(xué)家們的努力和心血。 同時，許多科學(xué)家贊揚亞里士多德和伽利略，引導(dǎo)中學(xué)生正確認識亞里士多德和伽利略對科學(xué)發(fā)展的貢獻。
與伽利略同時代的波蘭科學(xué)家笛卡爾補充并確立了伽利略的觀點。 他想：如果沒有其他原因牛頓第一定律內(nèi)容及意義，運動的物體會繼續(xù)以同樣的速度沿直線運動，不會停下來。 不會偏離原來的方向。 由中學(xué)生來比較伽利略和笛卡爾的觀點之間的差異。 他支持伽利略的觀點，即力不是物體的運動，也指出了沒有力時物體的運動。 后來，牛頓在伽利略等人的研究基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地總結(jié)了熱的知識，闡明了力與運動的關(guān)系，構(gòu)造了牛頓第一定理。 （三）學(xué)習(xí)階段 牛頓第一定理 中學(xué)生應(yīng)認識到牛頓第一運動定理是理想實驗總結(jié)出來的規(guī)律，是借助邏輯思維分析事物的產(chǎn)物，不能直接用實驗來驗證。 牛頓第一定理的內(nèi)容：所有物體始終保持原來的勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力促使它改變這些狀態(tài)。 （一）牛頓第一運動定理的內(nèi)容分析： A.描述了物體不受外力作用時的運動規(guī)律（物體的運動不需要力來維持） 牛頓第一定理描述了當(dāng)物體受到外力作用時（物體的運動不需要力來維持）物體不受外力作用時，物體會保持原來的運動狀態(tài)處于勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。 （ B.澄清了力的科學(xué)定義（力是改變物體運動狀態(tài)的原因）力是物體之間的相互作用，它是改變物體運動狀態(tài)的原因，即形成加速度牛頓第一定律內(nèi)容及意義，而不是形成和維持物體運動的原因 (2)慣性的利用：物體保持其原始勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)稱為慣性。
場景：車輛剎車觀察車上人員； 跳高是運動員起跳后的動作。 視頻(一)：香港最佳車手卸貨； （固體有慣性）視頻（二）：小貓搖動頭上的水； (液體具有慣性)實驗(3)：慣性炮； （二氧化碳有慣性）視頻（4））：車輛碰撞演示（慣性的好與壞，以及安全教育）。 （3）慣性：實驗：掛一個帶有細鐵絲的鐵塊和一個塑料球（大小和形狀相同），讓中學(xué)生用力吹兩個小球，讓中學(xué)生觀察哪個更容易吹。 （一定是塑料球更容易吹，說明質(zhì)量更大，慣性更大） 場合：相撲； 擊劍。 （加強對慣性大小的理解） （四）應(yīng)用階段 【例】當(dāng)熱氣球以一定的速度垂直上升到一定高度時，有物體從熱氣球中掉出。 物體離開熱氣球后，A.繼續(xù)上升一定距離，然后下降B.立即下降c. 按原速率永遠上升 D．上述說法不正確 （五）總結(jié)階段 1．力與運動關(guān)系的歷史思想與研究； 2、伽利略關(guān)于力與運動關(guān)系的研究方法； 3、牛頓第一定理的內(nèi)容和意義； 4.慣性以及如何運用慣性知識解決實際問題。 讓中學(xué)生自己總結(jié)，不僅是總結(jié)知識，更重要的是總結(jié)數(shù)學(xué)中的思維方式。 這可以幫助中學(xué)生建立自己的知識體系，理清知識脈絡(luò)，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。 （6）鞏固階段做什么：第72頁練習(xí)和評價 第一、二、四課后思考：小明想去美國旅行，他想象自己掛在天上的一個大氣球里。 因為月球的自轉(zhuǎn)，只要他停留在空中，幾個小時就可以到達目的地。 你認為這可能嗎？ 6、板書設(shè)計牛頓第一定理 研究方法：牛頓第一定理 觀察 觀察內(nèi)容： 慣性推測：實驗慣性的大小只與質(zhì)量有關(guān) 演繹與推理：光盤制成的卡車：生產(chǎn)用品：一些廢棄的光學(xué)光盤； 裝飾用廢棄塑料管（光盤孔半徑稍大）； 用過的A4紙； 膠帶。 制作流程： 1、將塑料管切成2-3cm寬； 2、將A4紙剪成長條狀，用膠帶將塑料管固定在圓盤孔內(nèi)； 3.將A4紙剪成小方紙，放在中央剪一些折痕，剛好能插入塑料管，用小方紙將塑料管和CD再次粘在一起。伽利略理想實驗演示者：制作用品：3塊木板； 2 個鉸鏈； 1 個軌道（槽）； 幾個釘子