學(xué)習(xí)案例——“牛頓第一定理”
一、教學(xué)目標(biāo)
知識技能：了解牛頓第一定理的內(nèi)容和意義； 了解力和運(yùn)動之間的關(guān)系。
過程與方法：了解理想實驗是科學(xué)研究的重要方法。
情感心態(tài)與價值觀：通過理想斜坡的教學(xué)感受理想實驗的魅力。
2、教學(xué)難點
教學(xué)重點：通過回顧歷史探究的過程來理解牛頓第一定理； 對慣性的理解。
教學(xué)難點：力與運(yùn)動的關(guān)系； 慣性和質(zhì)量之間的關(guān)系。
三、教學(xué)方法
討論法、啟發(fā)法、解釋法
四、教學(xué)過程
(1)導(dǎo)出新課程
撕紙游戲
猜一下：
1. 一張紙已被切成兩片，但未完全切割。 如果快速有力地撕下兩側(cè)，紙張會碎成多少片？
2. 現(xiàn)在將紙切成三塊，但不要完全切開。 如果你快速而用力地撕開紙張的兩側(cè)，紙張會被分成多少碎片？
不做，先猜一下。
3、如果在中間的紙下面放一個夾子，然后將兩側(cè)快速撕下，紙會碎成多少片？
請大家想一想：為什么會出現(xiàn)這樣的結(jié)果呢？ 如何解釋我們的游戲？ 盡管如此，我們的游戲仍然涉及一個老話題——力量和動作：用力撕紙，紙條破裂并向上移動。 運(yùn)動和力之間有什么關(guān)系？ 帶著這個問題，我們就上去體驗古人的探究過程，學(xué)習(xí)古人的探究方法，進(jìn)一步理解解釋運(yùn)動與力關(guān)系的牛頓第一定理。
（二）新課教學(xué)
1.情境聯(lián)覺、經(jīng)驗推測
在人類歷史的長河中，運(yùn)動與力量齊頭并進(jìn)，始終與人們的生活生產(chǎn)息息相關(guān)。 例如：馬車向前行駛，不再拉動，前進(jìn)的車就會停下來； 人如雨傘車前行牛頓第一定律教學(xué)，不再推，前進(jìn)的車就會停下來； 打球時，球沿著草地向前滾動，不再踢球，滾動的球會逐漸停止。
問：運(yùn)動和力之間有什么關(guān)系？
最先提出這個問題并給出實證推測的是古埃及學(xué)者亞里士多德。
他根據(jù)生活和生產(chǎn)經(jīng)驗推測：物體上必定有力作用，物體才能運(yùn)動； 如果沒有力的作用，物體就會靜止在一處。 運(yùn)動需要力量來維持。
他的觀點來源于實踐經(jīng)驗，可以被實踐經(jīng)驗所驗證，因此被人們廣泛接受，并維持了近兩千多年。
聯(lián)覺：我們現(xiàn)在知道他錯了。 那么他有貢獻(xiàn)嗎？
亞里士多德的貢獻(xiàn)：創(chuàng)建了一個新的研究領(lǐng)域。
最先提出指控并深入研究的是十六世紀(jì)的伽利略。 他看著球滾動。
2. 指責(zé)假設(shè)、科學(xué)猜測
當(dāng)球滾上斜坡時，其速度減小；當(dāng)球向下滾動時，速度減小。 他由此推論：當(dāng)球沿水平面滾動時，其速度既不增加也不減少。 實際觀察的結(jié)果是：球沿著水平面滾動的速度越來越慢，最后停了下來。
①現(xiàn)象：球沿水平面滾動的速度越來越慢，最后停了下來。
根據(jù)亞里士多德的說法，球因為缺乏力量而停止。 伽利略從這一現(xiàn)象出發(fā)，批評了亞里士多德的觀點。
②問：球滾動停止的原因是因為力量不足嗎？
聯(lián)覺：球停下來的原因是什么？
在伽利略之前，人們并沒有意識到無形的摩擦力，而伽利略是第一個認(rèn)識到摩擦力的人。
他改變水平面的粗糙度，發(fā)現(xiàn)：水平面越光滑，球滾得越遠(yuǎn)。 所以，他推測這是摩擦阻力的結(jié)果。
推論：球滾動停止，是摩擦阻力的結(jié)果。
③假設(shè)：如果沒有摩擦阻力，沿水平面滾動的球?qū)⑷绾芜\(yùn)動？
④ 猜想：如果沒有摩擦阻力，球?qū)⒂肋h(yuǎn)滾動。
過渡：伽利略設(shè)計了一個雙斜率實驗。
3.實驗研究、推論
(1)雙斜率實驗
左斜面固定，右斜面夾角可變。 實驗中，我們將球設(shè)置為始終從左側(cè)斜坡上的定位卡上釋放。
①固定右側(cè)斜面牛頓第一定律教學(xué)，改變球的摩擦力，觀察球的最大高度如何變化。 重復(fù)。
思維：
1、球的摩擦阻力與球的最大高度之間有什么關(guān)系？
2、摩擦阻力的大小與釋放點到上升最低點的高度差有什么關(guān)系？
3. 如果沒有摩擦力，球會升到多高？
②減小右側(cè)斜坡之間的角度，觀察球沿斜坡移動的最遠(yuǎn)距離如何變化。 重復(fù)。
思維：
1、如果減小右斜面的夾角，小球沿斜面移動的最遠(yuǎn)距離會如何變化？
2、如果沒有摩擦力，右側(cè)斜坡的角度減小，沿斜坡滾動的最遠(yuǎn)距離會如何變化？ 球會升到多高？
③將右斜面放平，釋放球，觀察球的運(yùn)動情況。
思維：
1. 如果水平木板足夠長，球會停下來嗎？
2. 如果沒有摩擦力，水平木板足夠長，球會滾到哪里？
過渡：伽利略的雙斜率實驗是一個理想的實驗。
（二）理想實驗的魅力：
實驗（事實）+邏輯推理
一種通過可靠的實驗事實并結(jié)合合理的邏輯推理推導(dǎo)出定律的方法。
理想實驗的魅力：在實驗無法實現(xiàn)的地方，思維前進(jìn)了一步。
這些技能都非常了不起！ 愛因斯坦評論說：伽利略的發(fā)現(xiàn)和他所應(yīng)用的科學(xué)推理是人類思想史上最偉大的成就之一，標(biāo)志著化學(xué)的真正開始。 本評價實事求是。 從亞里士多德到伽利略，兩千多年過去了，數(shù)學(xué)停滯不前； 從伽利略到愛因斯坦，僅僅只有三百多年的時間。 數(shù)學(xué)的大廈已初步建成，大師輩出。 這都要?dú)w功于伽利略首創(chuàng)的實驗研究方法。
過渡：伽利略從雙斜率理想實驗中得出了他的推論。
(3)伽利略：如果沒有摩擦阻力，沿水平面滾動的球?qū)⒂肋h(yuǎn)滾動。 運(yùn)動不需要力量來維持。
回顧并思考：
① 為什么靜止的汽車和足球會向上移動？
② 跑車和足球為什么會停下來？
③ 力與運(yùn)動的關(guān)系是什么？
力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因。
聯(lián)覺：用什么數(shù)學(xué)量來描述運(yùn)動狀態(tài)？
當(dāng)汽車由靜止變?yōu)檫\(yùn)動時，受到推、拉； 從運(yùn)動到靜止，都會遇到摩擦阻力。 籃球由靜止變?yōu)檫\(yùn)動，受到腳部的力量； 從動到靜，遇到草的摩擦阻力。
過渡：伽利略得到了與伽利略同時代的波蘭科學(xué)家笛卡爾的補(bǔ)充。
4.補(bǔ)充建立、生成定理
（1）笛卡爾補(bǔ)充：除非物體受到力的作用，否則物體將始終保持靜止或運(yùn)動的狀態(tài)，永遠(yuǎn)不會使自己沿曲線運(yùn)動，而只保持直線運(yùn)動。 這應(yīng)該是一個原則，是人類整個自然概念的基礎(chǔ)。
笛卡爾補(bǔ)充說，當(dāng)物體不受力時，它保持靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。
過渡：伽利略于 1642 年去世，牛頓于 1643 年出生于美國。牛頓是人類歷史上最偉大的科學(xué)家之一。 他的主要貢獻(xiàn)包括微積分的發(fā)明、萬有引力定律和經(jīng)典熱力學(xué)的發(fā)現(xiàn)、第一臺反射望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計和制造等。
牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)的物理原理》一書中闡述了三個運(yùn)動定律。牛頓將伽利略和笛卡爾的正確推論總結(jié)為牛頓第一定理，該定理是牛頓數(shù)學(xué)的基石。
（2）牛頓第一定理：所有物體始終保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它前面的力促使它改變這些狀態(tài)。
過渡：現(xiàn)在讓我們理解這個定理。
（三）鞏固提高
思考：牛頓第一定理中描述的運(yùn)動和力之間的關(guān)系是什么？
1、運(yùn)動與力的關(guān)系：力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的誘因。
2、阻力很小的現(xiàn)象：冰球
從視頻中可以看出，冰球的速度和方向在一段時間內(nèi)幾乎保持不變，直到撞到另一個冰球。
思考：定理還解釋了什么？
3、慣性：
①概念：物體保持其原始勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)。
聯(lián)覺：所有物體都有慣性。 運(yùn)動的物體有慣性嗎？
當(dāng)物體變速運(yùn)動時，由于慣性，物體對速度變化感到阻力，需要一段時間才能改變速度。 例如，車輛緊急剎車時，不會立即停止，而是繼續(xù)向前滑行一定距離。
②一切物體都具有慣性，具有抵抗運(yùn)動狀態(tài)變化的“能力”。
慣性大的物體“功力”大，運(yùn)動狀態(tài)難以改變； 慣性小的物體，“功力”小，運(yùn)動狀態(tài)容易改變。
思考和推測：與物體的慣性有關(guān)的因素有哪些？
（四）總結(jié)作業(yè)
1.理解探索運(yùn)動與力之間關(guān)系的過程。
在探究過程中，亞里士多德是開拓者。 伽利略開創(chuàng)了理想實驗方法； 笛卡爾補(bǔ)充了伽利略的觀點； 牛頓提出了慣性、力和慣性參考系的概念。
2.感受理想實驗的魅力：實驗（事實）+邏輯推理
3.深入理解牛頓第一定理，知道質(zhì)量是慣性的量度。
4、后來愛因斯坦等科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)展了牛頓第一定理。 沒有定理就是真理，化學(xué)的大廈永遠(yuǎn)不會封頂，等待大家為其添磚加瓦！
課外探索：有人說劉謙的螺母魔法顛覆了牛頓第一定理：螺絲無需外力即可移動。 你怎么認(rèn)為？ 請在百度搜索“劉謙堅果魔術(shù)揭秘”，了解劉謙堅果魔術(shù)的原理。
5、黑板設(shè)計
牛頓第一定理
一、歷史回顧
2.第一定理的探索實驗
3.慣性定理
六、教學(xué)反思