牛顿第一定律.docx
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牛顿第一定律
牛顿第一定律
教学目标：
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．通过实验加探对牛顿第一定律的理解．
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、难点：
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．
教学方法：
探究、讲授、讨论、练习
教学手段：
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：
新授课（2课时）
教学过程：
[新课导入]
做实验引入力和运动的关系，引发学生的思考．
[参考实验]在讲台上放一辆小车，使它处于静止状态．
师：
怎样才能让小车运动起来呢?
生：
要用力去推它．
师：
从这个例子很容易得到：
物体要运动，需要对它施加力的作用，那么力和运动之间关系如何呢?
本节课我们就来探究这个问题．
[新课教学]
承接刚才的实验现象，演示当物体不再受手的推力时，物体停止运动．
师：
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?
生：
一段时间后撤走该力时，物体速度越来越慢，最终停下．
师：
根据以上的例子，思考“运动一定需要力来维持吗”．
生l：
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”．
师：
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?
生：
因为受到阻力．
师：
如果没有阻力的作用，足球将会怎样运动?
生：
将不会减速．
师：
（鼓励）很好，现在我们看一个实验．
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．
师：
仔细观察实验现象并得出结论．
生1：
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．
生2：
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．
师：
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l：
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．
师：
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
演示多媒体课件
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．
师：
伽利略对于“运动与力的关系”，构思出如图4—1—1所示的“理想实验”．将轨道弯曲成曲线ABC的形状，在轨道的一边释放一颗小球，如果不存在摩擦力，小球将上升到哪里?
生：
不存在摩擦力的话，小球将上升到与A点相同高度的C点．
师：
下面我们通过动画模拟验证同学们的说法，
动画模拟
师：
若将轨道的倾角减小，弯曲成曲线ABD或曲线ABE，小球最高将上升到哪个位置?
路程是增大还是减小?
生：
同样上升到与A点同高度的D点或正点，路程增大了．
师：
假如将轨道弯曲成一侧水平及曲线ABF的形状，这时会发生什么情况呢?
生：
由于BF是水平的，小球就再也达不到原来的高度，如果不存在摩擦力，将永远运动下去．
师：
下面我们通过动画模拟验证同学们的说法。
动画模拟、验证学生的想法
师：
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采维持．
师：
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．
演示实验：
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．
师：
滑块的运动是什么运动?
生：
近似匀速直线运动．
师：
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]
可以用多媒体演示伽利略的另外一个理想实验：
参考实验案例．
多媒体演示：
伽利略针和单摆实验：
伽利略曼教堂内吊灯搔动的启发．运用逻辑思维的方陆进行分析，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4—1—2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，用一报针多次改变．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”．
师：
伽利略同时代的法国科学家笛卡儿补充和完善了伽利略的观点，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．面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
二、牛顿物理学的基石——牛顿第一定律
师：
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．牛顿在前人工作的基础上，根据自己的研究，系统地总结了力和运动的关系，于1687年发表了他的著作——《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．其中，牛顿第一定律的内容是：
一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止．
师：
既然牛顿第一定律是最完善的，那么它从几个方面阐述了力和运动的关系?
组织学生进行讨论．
生：
两个方面：
不受力时，物体保持匀速直线运动状态或静止状态；受力时，力迫使它改变运动状态．
师：
什么叫运动状态的改变?
生：
速度的大小和方向的改变称之为运动状态的改变．
师：
牛顿第一定律可不可以用实验来验证?
什么时候可以看作不受力并举例说明．
生：
不能．因为不受力作用的物体是不存在的．当物体受力但所受合力为零时可以看作物体不受力．比如：
冰面上滑动的冰块、冰壶球．
师：
一切物体都有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质，叫做惯性；所以牛顿第一定律又叫做惯性定律．
师：
简述惯性定律和惯性的区别和联系．
生：
惯性定律是物体不受外力作用时所遵从的运动规律．惯性是物体的固有属性，一切物体都有惯性．
师：
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?
生：
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．
师：
当汽车刹车时，车上的乘客会向前倾斜，为什么?
生：
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．
（课堂交流）
师：
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．
参考答案：
当紧急刹车时，车虽然停下了，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．
师：
从牛顿第一定律知，物体都要保持它们原来的匀速直线运动或静止状态，或者说，它们都具有抵抗运动状态变化的“本领”，这种“本领”与什么因素有关呢?
[课堂训练]
（1）一切物体总保持状态或状态，直到有迫使它改变这种状态为止．
（2）物体保持的性质叫做惯性．惯性是物体的，与物体的运动情况或受力情况
（3）伽利略的理想实验说明了．
答案：
（1）匀速直线运动静止外力
（2）匀速直线运动状态或静止状态固有属性无关
（3）力是改变物体运动状态的原因
三、惯性与质量
师：
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?
生1：
物体的惯性与质量有关，与物体的速度有关，比如运动的汽车，质量越大，速度越快，要停下来就越困难．
生2：
刚才那位同学说的不对，物体的惯性与速度无关，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．
师：
讨论、总结一下惯性的特点．
学生进行讨论后总结．
生：
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，运动状态越容易改变；惯性的大小只与质量有关，与其他因素无关．
[课堂训练]
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．
解析：
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，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．
[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．
[课外训练]
1．关于牛顿第一定律，下列说法正确的是………………………（）
A.牛顿第一定律是一条实验定律
B.牛顿第一定律说明力是改变物体运动状态的原因
C．惯性定律和惯性的实质是相同的
D．物体的运动不需要力来维持
2．一个物体保持静止或匀速运动状态不变，这是因为…………………（）
A.物体一定没有受到任何力B．物体一定受到两个平衡力作用
C．物体所受合力一定为零D．物体可能受到两个平衡力作用
3．下列关于惯性的说法中，正确的是……………………………………（）
A．人走路时没有惯性，被绊倒时有惯性
B．百米赛跑到终点时不能立即停下是由于惯性，停下时就没有惯性了
C.物体没有受外力作用时有惯性，受外力作用后惯性被克服了
D．物体的惯性与物体的运动状态及受力情况均无关
4．有人设想，乘坐气球飘在高空，由于地球的自转，一昼夜就能周游世界．请你评价一下，这个设想可行吗?
参考答案
1．答案：
BD
解析：
牛顿第一定律是物体在理想情况下的运动规律，反映的是物体在不受外力情况下所遵循的运动规律，而自然界不受力的物体是不存在的，所以A是错误的．惯性是物体保持原来运动状态不变的一种性质，惯性定律（即牛顿第一定律）则反映的是物体在一定情况下的运动规律，所以C错误．由牛顿第一定律知，物体的运动不需要力来维持，但改变物体的运动状态则必须有力的作用．
2．答案：
CD
解析：
物体不受任何力的状态是不存在的，物体保持静止或匀速直线运动时所受的合力一定为零，可能是两个力，也可能是多个力．
3．答案：
D
解析：
惯性是物体的固有属性，与其内在因素即质量有关，与受力与否及运动状态无关．一切物体都有惯性，质量是物体惯性大小的量度，静止物体的惯性是保持静止，匀速运动的物体的惯性是保持其速度不变．当物体在外力作用下运动状态发生变化时，只要其质量不变，其惯性大小不发生变化．
4．解析：
因为地球上的一切物体（包括地球周围的大气）都随着地球一起在自转，气球升空后，由于惯性，它仍保持原来的自转速度．当忽略其他与地球有相对运动（如风）的作用产生的影响时，升空的气球与它下方的地面处于相对静止的状态，不可能使它相对地球绕行一周的．
作业：
教材第75页问题与练习．
实验：
探究加速度与力、质量的关系
教学目标：
知识与技能
1．理解物体运动状态的变化快慢，即加速度大小与力有关，也与质量有关．
2．通过实验探究加速度与力和质量的定量关系．
3．培养学生动手操作能力．
过程与方法
1．指导学生半定量的探究加速度和力、物体质量的关系，知道用控制变量法进行实验．
2．学生自己设计实验，自己根据自己的实验设计进行实验．
3．对实验数据进行处理，看一下实验结果能验证什么问题，
情感态度与价值观
1．通过探究实验，培养实事求是、尊重客观规律的科学态度．
2．通过实验探究激发学生的求知欲和创新精神．
3．培养与人合作的团队精神．
教学重点、难点：
教学重点
1．控制变量法的使用．
2．如何提出实验方案并使实验方案合理可行．
3．实验数据的分析与处理．
教学难点
1．如何提出实验方案并使实验方案合理可行．
2．实验数据的分析与处理．
教学方法：
探究、讲授、讨论、练习
教学手段：
教具准备
多媒体课件，小轧一端带滑轮长木板、带小钩或小盘的细线两条；钩码（规格：
10g＼20g，
用作牵引小车的力）；砝码（规格：
50e＼100g＼200g，用来改变小车的质量）；刻度尺；文件夹；粗线绳（用来牵引小车）．打点计时器、学生电源、纸带、气垫导轨、微机辅助实验系统一套．
课时安排：
新授课（1课时）
教学过程：
[新课导入]
利用多媒体投影图4—2—1；
分组定性讨论
组I：
物体质量一定，力不同，物体加速度有什么不同?
组2：
力大小相同，作用在不同质量的物体上，物体加速度有什么不同?
师：
请组1的代表回答一下你们讨论的结果．
组1生：
当物体质量一定时，物体的加速度应该随着力的增大而增大．
师：
请组2的代表回答你们组讨论的问题，
组2生：
当力大小相同时，物体质量越大，运动状态越难以改变，所以质量越大，加速度越小．
师：
物体运动状态改变快慢取决于哪些因素?
定性关系如何?
生l：
应该与物体的质量和物体所受的力有关系．力越大，加速度越大；质量越大，加速度越小．
生2：
这里指的力应该是物体所受的合力，以上图为例，物体所受的重力和支持力相等，不参与加速度的提供．
师：
刚才进行多媒体演示时一次是固定力不变，一次是固定质量不变，这样做有什么好处呢?
生：
方便我们的研究．
师：
这是研究多个变量之间关系的非常好的方法，我们把它称作控制变量法．我们以前在什么地方学到过这种方法?
生1：
在初中我们在探究物体的密度与质量、体积之间的关系时
生2：
在研究电流与电压、电阻的关系时．
师：
好，我们这节课就用这种方法进行探究加速度和力、质量之间的关系．
[新课教学]
一、加速度与力的关系
师：
设计一个实验，保持物体的质量不变，测量物体在各个不同的力的作用下的加速度，分析加速度与力的关系．大家分组讨论并且每组设计一个实验方案，并说明实验的原理．
分组讨论
组l生1：
我们是根据课本上的参考案例设计实验的（在投影仪上展示实验装置如图4—2—2）．
组1生2：
我们设计实验的实验原理如下；因·为两个小车的初速度都为零，拉力大小不同，但对每个小车来说保持不变，所以小车应该做匀加速直线运动．根据初速度为零的匀加速直线运动的位移公式x=at2/2可知，加速度和位移成正比，只要测量位移就可以得到加速度与受力之间的关系，力的大小可以根据盘中的砝码求出来．
师：
下面请组2的代表发言．
组2生1：
我们设计的方法和组1的差不多，我们是用了一辆小车，小车后面连接一纸带，用打点计时器记录小车的运动情况，根据所打的点计算小车的加速度，然后再看所受的力和加速度的关系．
组2生2：
为了消除摩擦力的影响，我们在木板下面垫了一个小木块，当小车没有拉力时让它在木板上匀速运动．
师：
这个同学的想法很好，这样小车受到的绳子的拉力就等于小车受到的合力，下面请组3的同学代表发言．
组3生1：
前面两组的同学设计实验时都是物体的初速度为零，我们可以利用气垫导轨设计一个更为一般的方法，让导轨倾斜不同的角度，滑块所受的力就是重力的分力，让滑块滑过轨道中间的两个光电门，记录经过光电门的速度和两个光电门的距离，根据公式x=（v2－v02）/2a可以求出加速度的大小，从而可以得到加速度和力的关系．
师：
好的，在进行实验之前还应该先设计自己的实验表格来记录一下自己的实验数据．那么你是怎样设计表格使你的实验数据得以记录的呢?
生1：
水平面长木板与小车，车后用绳控制小车运动，两车质量相同．表格设计如下：
参考表格
小车l
小车2
次数
拉车砝码（s）
位移x1／cm
拉车砝码（s）
位移x2／cm
1
2
3
4
5
生2：
用一辆小车，测量加速度
次数
拉车砝码（g）
加速度a1
拉车砝码（e）
加速度a2
1
2
3
4
5
师：
好，现在大家就根据自己设计的方案进行实验，把数据填人设计的表格内．
学生进行实验，老师巡回指导，帮助实力较弱的小组完成实验
师：
现在请各小组简要进行一下实验报告．
组1生1：
我们根据课本上的参考案例进行了实验，因为已知小车的加速度和位移成正比，通过验证位移和受力之间的关系，即可得出加速度和受力的关系．
师：
实验数据是怎样进行处理的呢?
组1生2：
我用的是位移和对应力的比值．
组1生3：
通过我们的讨论，我们发现用作图的方法能更好地表示位移（即加速度）和力的关系．关系图表如图4—2—3所示；可得在研究物体质量不变的情况下，物体的加速度与物体所受的外力成正比．
组2生：
我们通过处理小车后面的纸带，计算出小车的加速度，通过作图验证了小车的加速度和物体所受的合力成正比．组3生：
我们用气垫导轨作出的加速度和所受力的关系图象，实验结论是图象非常接近一条过原点的直线．
师：
大家做得都非常好，那么你们在实验中遇到的困难是什么呢?
能不能想出办法来克服?
组1生：
当拉小车的砝码的质量较大时，绳子容易打滑，从而影响了位移的测量．我们用松香涂抹在绳子上，效果不错．
组2生：
我们在做实验时发现了这样一个问题，即当砝码的质量和小车的质量差不多时，a—F图象不能再是一条直线，而是发生了弯曲．
师：
这组同学的问题非常好，实际上砝码和盘的重力并不严格等于小车受到的拉力，简单证明如下：
设砝码及盘的质量为m，小车的质量为M，则分别对它们进行受力分析，对小车，受拉力和摩擦力，对砝码和盘，受重力和拉力，那么它们之间的关系是什么呢?
如果相等，根据物体受合力为零则物体做匀速运动，而实际上砝码及盘实际的运动应该是做加速运动，所以说重力和拉力并不相等，而是应该重力大于拉力，而我们在实验中认为二者相等，所以实验的误差有一部分来源于此．控制的方法就是尽可能地使砝码和盘的质量远小于小车及砝码的质量，具体的分析方法我们将在下一节学到．
组3生：
虽然用气垫导轨做实验结果比较精确，但实验数据处理比较复杂．
师：
我们可以用计算机进行数据处理，使数据处理变得简单化，大家在课下讨论一下看如何用数据处理软件处理实验中得到的数据．
师：
以上我们是通过控制物体的质量不变来探究物体的加速度与物体所受力之间的关系，下面同学们继续做实验，通过控制物体所受的力不变来探究物体的加速度和质量的关系．
二、加速度与质量的关系
学生进行实验，老师巡回指导，帮助实力较弱的小组实现实验
由于和以上的实验方法非常类似，所以可以直接让学生得出结论．
师：
大家得出的结论是什么?
生：
物体加速度在物体受力不变时，和物体的质量成反比．
师：
这时候我们应该怎样通过图象来验证问题呢?
生：
我们如果作a—M图象则图象是曲线，我们可以作a—1／M图象来解决这个问题，物体的加速度和质量成反比，所以a—1／M图象应该是一条过原点的直线．
三、由实验结果得出的结论
师：
通过大家的实验，排除误差的影响，大家讨论总结一下加速度和物体所受的力以及物体质量之间的关系．
[分组讨论]
生1：
我们可以得出这样的结论：
物体的加速度和物体所受的力成正比，和物体的质量成反比．
生2：
应该是和物体所受的合力成正比．
生3：
我想力是矢量，加速度也是矢量，加速度的方向应该和物体所受力的方向相同．
师：
（总结）大家的发言非常好，那么我们得出的结论是不是一个定理性的结论呢?
仅靠少量的实验是不行的，应该通过更为精确的实验和更多次的实验进行证明，不过我们大家在现有水平下能够得出这个结论是非常了不起的，这是我们下节课要学的牛顿第二定律的内容．
[课堂训练]
在水平路面上，一个大人推一辆重车，一个小孩推一辆轻车，各自做匀加速运动（阻力不计）．甲、乙两同学在一起议论，甲同学说：
大人推力大，小孩推力小，因此重车的加速度大．乙同学说，重车质量大，轻车质量小，因此轻车的加速度大．你认为他们的说法是否正确?
请简述理由．
答：
甲、乙两同学的结论和理由都不全面和充分，物体的加速度决定于物体所受的合外力和物体的质量．大人的推力虽然大，但车的质量也大，因此重车的加速度也不一定就大．小车的质量小，但是小孩的推力也小，因而轻车的加速度也不一定大．判断谁的加速度大，必须看各自的质量和合外力．
[小结]
本节我们学习了：
1．力是物体产生加速度的原因．
2．用控制变量法探究物体的加速度与合外力、质量的关系；设计实验的方法．
3．物体的质量一定时，合外力越大，物体的加速度也越大；合外力一定时，物体的质量越大，其加速度越小，且合外力的方向与加速度的方向始终一致．
4．实验数据的处理方法．
作业：
1．完成实验报告．
2．设计一种方案，测量自行车启动时的平均加速度
与加速度有关的因素
1．物体受的合外力2．物体的质量
实验方法
控制变量法
实验过程与结论
物体的质量一定时，合外力越大，物体的加速度也越大
合外力一定时，物体的质量越大，其加速度越小
板书设计:
牛顿第二定律
教学目标：
知识与技能
1．掌握牛顿第二定律的文字内容和数学公式．
2.理解公式中各物理量的意义及相互关系．
3．知道在国际单位制中力的单位“牛顿”是怎样定义的．
4．会用牛顿第二定律的公式进行有关的计算．
过程与方法
1．通过对上节课实验结论的总结，归纳得到物体的加速度跟它的质量及所受外力的关系，进而总结出牛顿第二定律，体会大师的做法与勇气．
2．培养学生的概括能力和分析推理能力．
情感态度与价值观
1．渗透物理学研究方法的教育．
2．认识到由实验归纳总结物理规律是物理学研究的重要方法．
3．通过牛顿第二定律的应用能深切感受到科学源于生活并服务于生活，激发学生学习物理的兴趣．
教学重点、难点：
教学重点
牛顿第二定律的特点．
教学难点
1．牛顿第二定律的理解．
2．理解k＝1时，F=ma．
教学方法：
探究、讲授、讨论、练习
教学手段：
教具准备
多媒体课件
课时安排：
新授课（2课时）
教学过程
升级会员 