《牛頓第一定理》教學設計及自制實驗設備的幫助 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學的基石，它的出現牛頓第一定理的誕生，是一個漫長的過程。 在學習過程中，人類認識運動與力關系的歷史是中學生應該重點學習的內容。 培養中學生發展嚴謹的邏輯推理能力，培養中學生敢于堅持真理、不迷信權威的精神和科學探究精神，懂得科學研究過程的艱辛，領悟實驗加推理的科學研究方法。 為了實現這一目標，筆者借助日常物品制作了一些實驗裝置，供中學生自主探索和教師演示。 本文重點介紹本課的教學設計以及自制實驗設備的使用。 [關鍵詞] 牛頓第一定理； 教學設計； 自制實驗設備； 數學教學設計 一、背景分析 1、教材的地位和作用 本章知識屬于動力學知識，是研究力與運動的關系，只有了解了動力學知識，才能確定物體的位置。根據作用在物體上的力來確定物體，而速率變化規律可以為控制物體的運動創造條件。 牛頓運動三定理是動力學的核心內容。 本課教學內容“牛頓第一運動定理”是牛頓數學的基石。 伽利略的思維方式和對運動與力關系研究的杰出貢獻，進而闡述了牛頓第一定理和物體慣性概念的內容。 為后續研究牛頓運動定理奠定基礎。
2、學業情況分析 中學階段的中學生已經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。 中學階段，中學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。 這個時期的中學生好奇心強、求知欲強，對化學實驗及其所展現的各種現象產生濃厚的興趣，并會形成探究其本質的欲望。 但就學習習慣而言，主動性不強，被動接受學習次之。 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系，知道其主要推理過程和推論； （2）理解牛頓第一定理的內容和意義； （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象。 知道質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系，培養嚴謹的邏輯推理能力； （2）了解伽利略關于運動與力關系的思考方式，感受理想實驗是科學研究的重要方式。 3.情感、態度和價值觀：培養中學生勇于堅持真理，不相信權威和科學探究； 了解科學研究過程的艱辛，了解實驗和推理的科學研究方法。 三、重點難點 重點： 1、通過參與實驗研究，強化中學生分析論證的能力 2、牛頓第一定理與慣性難點：力與運動的關系，中學生獲得了一種來自生活經歷的經驗誤區，認為本質被現象掩蓋了。 錯誤地認為物體的運動是力的結果。
4.教學方法分析 以適當的問題為紐帶，為中學生創造自主探索的空間，引導中學生通過猜測與假設、設計與論證、歸納與分析、討論為基礎，給出發揮中學生主體作用，提高學習水平。 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象，提出力與運動是相關的，可以有效引入話題，培養中學生的愛國主義精神。 （二）探索階段 亞里士多德觀察生活現象： 情況：在平坦的道路上，人乘坐傘車行走，車可以移動，當人停止用力時，貨車就會停下來。 下雨時，樹根動； 風停了，樹根也停了。 當斧頭敲擊釘子時，力一撤去，釘子就會移動，力一撤去，釘子就會停止。 這種現象的共同點是：物體只有在力較強時才運動，當力撤去時，運動就停止。 （中學生自己可以總結）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？ 中學生想了想后回答道。 因為這部分知識在小學就已經學過，所以中學生得出這樣的看法是錯誤的，但很多中學生卻不知道為什么。
追問：你能舉一個反例來證明亞里士多德是錯的嗎？ 中學生回答思路：踢橄欖球、推書包。 “當力被移除后，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。 對中學生進行表揚和評價。 歷史上，亞里士多德的觀點仍然維持并統治了人們的思想近兩千多年，直到三百年前伽利略才強調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：聯系實際、歷史回顧 學習階段：關鍵知識、案例分析 應用階段：課堂實踐、促進理解 推導階段：情境引入、現象發現 知識鞏固階段：分配任務、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，引導中學生邊演示邊思考。 演示說明：設置一個向上的斜角，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，結果會怎樣？ 班主任通過一系列的問題引發了同學們的思考。
通過實驗發現，它無法上升到原來的水平，這是由于摩擦的緣故。 科學推理：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，只能繼續沿水平面移動。 因為現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”。 引用的案例學生比較了亞里士多德和伽利略的研究方法。 班主任總結：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方法——理想實驗。 理想實驗的概念被中學生解讀為：“以可靠事實為基礎，忽略次要激勵，將實驗情境合理??外推至理想狀態，從而澄清自然現象本質的虛假表象”。 通過這個實驗讓中學生認識到一個規律的發現并不是一帆風順的，不是最初的認識是對的，而是人類不斷探索才能產生什么，并了解科學研究過程的艱辛和科研成果的艱辛。科學家們的努力和心血。 同時，許多科學家贊揚亞里士多德和伽利略，引導中學生正確認識亞里士多德和伽利略對科學發展的貢獻。
與伽利略同時代的波蘭科學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容及意義，運動的物體會繼續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上，系統地總結了熱的知識，闡明了力與運動的關系，構造了牛頓第一定理。 （三）學習階段 牛頓第一定理 中學生應認識到牛頓第一運動定理是理想實驗總結出來的規律，是借助邏輯思維分析事物的產物，不能直接用實驗來驗證。 牛頓第一定理的內容：所有物體始終保持原來的勻速直線運動狀態或靜止狀態，直到有外力促使它改變這些狀態。 （一）牛頓第一運動定理的內容分析： A.描述了物體不受外力作用時的運動規律（物體的運動不需要力來維持） 牛頓第一定理描述了當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處于勻速直線運動狀態或靜止狀態。 （ B.澄清了力的科學定義（力是改變物體運動狀態的原因）力是物體之間的相互作用，它是改變物體運動狀態的原因，即形成加速度牛頓第一定律內容及意義，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或靜止狀態的性質稱為慣性。
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），讓中學生用力吹兩個小球，讓中學生觀察哪個更容易吹。 （一定是塑料球更容易吹，說明質量更大，慣性更大） 場合：相撲； 擊劍。 （加強對慣性大小的理解） （四）應用階段 【例】當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）總結階段 1．力與運動關系的歷史思想與研究； 2、伽利略關于力與運動關系的研究方法； 3、牛頓第一定理的內容和意義； 4.慣性以及如何運用慣性知識解決實際問題。 讓中學生自己總結，不僅是總結知識，更重要的是總結數學中的思維方式。 這可以幫助中學生建立自己的知識體系，理清知識脈絡，養成良好的學習習慣。 （6）鞏固階段做什么：第72頁練習和評價 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，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、板書設計牛頓第一定理 研究方法：牛頓第一定理 觀察 觀察內容： 慣性推測：實驗慣性的大小只與質量有關 演繹與推理：光盤制成的卡車：生產用品：一些廢棄的光學光盤； 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； 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