《牛顿第一定理》教学设计及自制实验设备的帮助 李明金 李明金 云南省昭通市南溪四中 【摘要】牛顿第一定理是牛顿数学的基石，它的出现牛顿第一定理的诞生，是一个漫长的过程。 在学习过程中，人类认识运动与力关系的历史是中学生应该重点学习的内容。 培养中学生发展严谨的逻辑推理能力，培养中学生敢于坚持真理、不迷信权威的精神和科学探究精神，懂得科学研究过程的艰辛，领悟实验加推理的科学研究方法。 为了实现这一目标，笔者借助日常物品制作了一些实验装置，供中学生自主探索和教师演示。 本文重点介绍本课的教学设计以及自制实验设备的使用。 [关键词] 牛顿第一定理； 教学设计； 自制实验设备； 数学教学设计 一、背景分析 1、教材的地位和作用 本章知识属于动力学知识，是研究力与运动的关系，只有了解了动力学知识，才能确定物体的位置。根据作用在物体上的力来确定物体，而速率变化规律可以为控制物体的运动创造条件。 牛顿运动三定理是动力学的核心内容。 本课教学内容“牛顿第一运动定理”是牛顿数学的基石。 伽利略的思维方式和对运动与力关系研究的杰出贡献，进而阐述了牛顿第一定理和物体惯性概念的内容。 为后续研究牛顿运动定理奠定基础。
2、学业情况分析 中学阶段的中学生已经对牛顿第一定理有了一定的了解，但对定理的理解并不深入。 中学阶段，中学生可以独立进行受力分析和运动分析。 具有一定的分析推理和逻辑思维能力。 这个时期的中学生好奇心强、求知欲强，对化学实验及其所展现的各种现象产生浓厚的兴趣，并会形成探究其本质的欲望。 但就学习习惯而言，主动性不强，被动接受学习次之。 客观分析 1、知识技能：（1）运用伽利略理想实验，了解运动与运动之间的关系，知道其主要推理过程和推论； （2）理解牛顿第一定理的内容和意义； （三）认识惯性，认识并理解解释日常生活中由惯性形成的简单现象。 知道质量是惯性大小的度量。 2、过程与方法：（1）通过分析运动与力的关系，培养严谨的逻辑推理能力； （2）了解伽利略关于运动与力关系的思考方式，感受理想实验是科学研究的重要方式。 3.情感、态度和价值观：培养中学生勇于坚持真理，不相信权威和科学探究； 了解科学研究过程的艰辛，了解实验和推理的科学研究方法。 三、重点难点 重点： 1、通过参与实验研究，强化中学生分析论证的能力 2、牛顿第一定理与惯性难点：力与运动的关系，中学生获得了一种来自生活经历的经验误区，认为本质被现象掩盖了。 错误地认为物体的运动是力的结果。
4.教学方法分析 以适当的问题为纽带，为中学生创造自主探索的空间，引导中学生通过猜测与假设、设计与论证、归纳与分析、讨论为基础，给出发挥中学生主体作用，提高学习水平。 积极性。 教具：气球、CD制作的卡车、伽利略理想实验演示器、铁球1个、细线铁块1个、细线塑料球1个《刀尖上的街舞-起飞和降落过程》航空母舰上的客机”。 拥有自己的军舰对于提高我军综合作战能力、维护国家安全、促进世界和平具有重要意义。 军舰的一举一动都牵动着中国人民的心。 通过潜艇上客机的起降以及生活中的许多体育现象，提出力与运动是相关的，可以有效引入话题，培养中学生的爱国主义精神。 （二）探索阶段 亚里士多德观察生活现象： 情况：在平坦的道路上，人乘坐伞车行走，车可以移动，当人停止用力时，货车就会停下来。 下雨时，树根动； 风停了，树根也停了。 当斧头敲击钉子时，力一撤去，钉子就会移动，力一撤去，钉子就会停止。 这种现象的共同点是：物体只有在力较强时才运动，当力撤去时，运动就停止。 （中学生自己可以总结）亚里士多德由此得出推论：力是维持物体运动的诱因。 问：通过观察生活直接得出的推论对吗？ 中学生想了想后回答道。 因为这部分知识在小学就已经学过，所以中学生得出这样的看法是错误的，但很多中学生却不知道为什么。
追问：你能举一个反例来证明亚里士多德是错的吗？ 中学生回答思路：踢橄榄球、推书包。 “当力被移除后，物体在停下来之前仍然可以移动很长的距离。” 问：物体停止的原因是因为缺乏力吗？ 答：不会，有摩擦。 问：如果没有摩擦力，物体会作什么运动？ 答：还在继续。 对中学生进行表扬和评价。 历史上，亚里士多德的观点仍然维持并统治了人们的思想近两千多年，直到三百年前伽利略才强调力不是使物体保持运动的原因，物体不需要力来运动。 伽利略猜想：如果没有摩擦阻力和流体阻力的影响，物体将在水平面上永远运动。 独立实验：气球车实验（小组实验） 探索阶段：联系实际、历史回顾 学习阶段：关键知识、案例分析 应用阶段：课堂实践、促进理解 推导阶段：情境引入、现象发现 知识巩固阶段：分配任务、分层提升、有气球和没有气球的动作对比？ 伽利略猜想能被证明吗？ 回顾伽利略如何证明他的猜想。 演示理想的斜面实验，引导中学生边演示边思考。 演示说明：设置一个向上的斜角，然后平滑地连接一个向下的斜角。 然后拿一个小球放在斜坡上的某个点上，当它从静止运动中出来时，它会冲向另一个斜坡。 班主任提出疑问：它能“冲”到哪里，能回到原来的高度吗？ 如果顺利的话，结果会怎样？ 班主任通过一系列的问题引发了同学们的思考。
通过实验发现，它无法上升到原来的水平，这是由于摩擦的缘故。 科学推理：如果没有摩擦力，物体就能升到原来的高度。 这是一个理想的实验情况，即小球总是能沿着光滑的斜坡上升到原来的高度。 这是逻辑上遵循的化学推论的合理外推。 减小第二斜面的夹角，夹角越小，球到达原始高度的距离就越长； 夹角越小，通过的距离越长。 之后，我们将进行科学推理。 如果最终变成水平面，小球所行的距离将无限长，只能继续沿水平面移动。 因为现实生活中不可能有绝对平滑的坡度，所以这个实验是一个“理想实验”。 引用的案例学生比较了亚里士多德和伽利略的研究方法。 班主任总结：伽利略的斜面实验不仅得到了推论，更重要的是提出了一个重要的化学方法——理想实验。 理想实验的概念被中学生解读为：“以可靠事实为基础，忽略次要激励，将实验情境合理外推至理想状态，从而澄清自然现象本质的虚假表象”。 通过这个实验让中学生认识到一个规律的发现并不是一帆风顺的，不是最初的认识是对的，而是人类不断探索才能产生什么，并了解科学研究过程的艰辛和科研成果的艰辛。科学家们的努力和心血。 同时，许多科学家赞扬亚里士多德和伽利略，引导中学生正确认识亚里士多德和伽利略对科学发展的贡献。
与伽利略同时代的波兰科学家笛卡尔补充并确立了伽利略的观点。 他想：如果没有其他原因牛顿第一定律内容及意义，运动的物体会继续以同样的速度沿直线运动，不会停下来。 不会偏离原来的方向。 由中学生来比较伽利略和笛卡尔的观点之间的差异。 他支持伽利略的观点，即力不是物体的运动，也指出了没有力时物体的运动。 后来，牛顿在伽利略等人的研究基础上，系统地总结了热的知识，阐明了力与运动的关系，构造了牛顿第一定理。 （三）学习阶段 牛顿第一定理 中学生应认识到牛顿第一运动定理是理想实验总结出来的规律，是借助逻辑思维分析事物的产物，不能直接用实验来验证。 牛顿第一定理的内容：所有物体始终保持原来的匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力促使它改变这些状态。 （一）牛顿第一运动定理的内容分析： A.描述了物体不受外力作用时的运动规律（物体的运动不需要力来维持） 牛顿第一定理描述了当物体受到外力作用时（物体的运动不需要力来维持）物体不受外力作用时，物体会保持原来的运动状态处于匀速直线运动状态或静止状态。 （ B.澄清了力的科学定义（力是改变物体运动状态的原因）力是物体之间的相互作用，它是改变物体运动状态的原因，即形成加速度牛顿第一定律内容及意义，而不是形成和维持物体运动的原因 (2)惯性的利用：物体保持其原始匀速直线运动状态或静止状态的性质称为惯性。
场景：车辆刹车观察车上人员； 跳高是运动员起跳后的动作。 视频(一)：香港最佳车手卸货； （固体有惯性）视频（二）：小猫摇动头上的水； (液体具有惯性)实验(3)：惯性炮； （二氧化碳有惯性）视频（4））：车辆碰撞演示（惯性的好与坏，以及安全教育）。 （3）惯性：实验：挂一个带有细铁丝的铁块和一个塑料球（大小和形状相同），让中学生用力吹两个小球，让中学生观察哪个更容易吹。 （一定是塑料球更容易吹，说明质量更大，惯性更大） 场合：相扑； 击剑。 （加强对惯性大小的理解） （四）应用阶段 【例】当热气球以一定的速度垂直上升到一定高度时，有物体从热气球中掉出。 物体离开热气球后，A.继续上升一定距离，然后下降B.立即下降c. 按原速率永远上升 D．上述说法不正确 （五）总结阶段 1．力与运动关系的历史思想与研究； 2、伽利略关于力与运动关系的研究方法； 3、牛顿第一定理的内容和意义； 4.惯性以及如何运用惯性知识解决实际问题。 让中学生自己总结，不仅是总结知识，更重要的是总结数学中的思维方式。 这可以帮助中学生建立自己的知识体系，理清知识脉络，养成良好的学习习惯。 （6）巩固阶段做什么：第72页练习和评价 第一、二、四课后思考：小明想去美国旅行，他想象自己挂在天上的一个大气球里。 因为月球的自转，只要他停留在空中，几个小时就可以到达目的地。 你认为这可能吗？ 6、板书设计牛顿第一定理 研究方法：牛顿第一定理 观察 观察内容： 惯性推测：实验惯性的大小只与质量有关 演绎与推理：光盘制成的卡车：生产用品：一些废弃的光学光盘； 装饰用废弃塑料管（光盘孔半径稍大）； 用过的A4纸； 胶带。 制作流程： 1、将塑料管切成2-3cm宽； 2、将A4纸剪成长条状，用胶带将塑料管固定在圆盘孔内； 3.将A4纸剪成小方纸，放在中央剪一些折痕，刚好能插入塑料管，用小方纸将塑料管和CD再次粘在一起。伽利略理想实验演示者：制作用品：3块木板； 2 个铰链； 1 个轨道（槽）； 几个钉子