《牛頓第一定律》一節的教學設計

牛英申 關廣菊 李新鄉

摘要:在高中物理教學中,猜想與假設是在證據不足的情況下,學生嘗試依據有限的線索、條件和知識經驗,充分發揮直覺、想象等思維,運用科學的方法,對發現的問題提出創造性的解釋或推測。通過猜想與假設訓練,可以使學生獲得科學的探究方法,進而在教學中全面有效地開展探究學習活動,轉變學生的學習方式,培養學生的科學探究能力。

關鍵詞:探究;猜想與假設;問題

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2009)7(S)-0029-4

1 教學任務分析

牛頓在《自然哲學的數學原理》一書中提出了三條定律,這三條定律統稱牛頓運動定律,并以牛頓運動定律作為力學理論建立起了牛頓力學。因此,“牛頓運動定律”是力學知識的核心內容。

牛頓第一定律是在實驗基礎上,以邏輯思維的方式推理出來的。它揭示了力不是維持物體運動的原因,而是改變物體運動的原因,為進一步探究力和運動間的定量關系指明了方向。牛頓第一定律的實質是:“它給出了一個不受力或所受合力為零的物體或物體系,這個系統不存在運動狀態的改變,即這個系統不存在加速度。我們知道物理學中所研究的問題都是相對的,即以一定的物體或物體系作參照物的,而牛頓第一定律就給出了這樣一個沒有加速度的參照物系——慣性系。”[1]慣性系為牛頓第一、二定律提供了使用的參考范圍。

牛頓第一定律破除了近兩千年來亞里士多德的錯誤,改變了人類的自然觀和世界觀,導致了牛頓第二定律的得出,并使牛頓以新的視角看待引力,進而令人信服地表明:天上和人間服從同樣的力學。與此同時,它本身還包含著力、慣性和參考系這些概念,成為物理學理論的支柱和基石。在牛頓定律的建立過程中使用的控制變量法、理想實驗等科學研究方法,伽利略與牛頓等科學家自身的創造性思維品質和敢于質疑、堅持真理的獻身精神,又是過程與方法、情感態度與價值觀教育的優秀素材,因此,它是力學教學的重點內容。

在人民教育出版社出版的普通高中課程標準實驗教科書物理必修1中,牛頓第一定律是第四章第一節的內容。第一、二章的內容是運動的描述,但沒有討論物體做這種或那種運動的原因;第三章的內容是相互作用。當這三章學完以后,我們就會意識到力和運動之間可能存在某種關系——牛頓運動定律,這既能加深學生對運動和力知識的理解,又為進一步學習功能關系和曲線運動鋪平了道路。因此,可以說牛頓第一定律在教材中起了承前啟后的重要作用。

另外,“牛頓第一定律”在此還具有雙重性。第一,它屬初、高中知識的結合點;第二,它屬運動學和力學的結合點。

2 學生學習心理分析

在初中,學生已經知道了牛頓第一定律的相關內容。隨著時間的推移,高一學生已擁有了一定的邏輯推理能力、科學想象能力及不成熟的實驗操作能力,但是往往由于他們對身邊的生活現象只是從直接經驗得出直覺結論,缺乏理性的思考,對力是維持物體運動的原因還是改變物體運動狀態的原因,容易產生片面、不恰當的認識。同時,牛頓第一定律是無法用實驗進行驗證的,只能在實驗的基礎上,進行理論推導,這對學生來說是比較抽象的,學生可能會在理解上有一定的困難。

新教材首先陳述了伽利略研究運動和力的關系的思想方法及卓越貢獻,而后講述了牛頓第一定律的內容和物體慣性的概念。針對本節課內容,教材密切聯系生活的實際情況,讓學生從生活入手,對發生在身邊的物理現象或發現的問題進行猜想,讓學生經歷人類認識“運動和力”關系的推理過程,以促進學生猜想與假設能力的提高。希望通過對教材的學習達成正確認識力和運動關系的目的,進而理解科學研究中常用的理想實驗方法,把握解決動力學問題的基本思路和方法的目的。

3 教學目標

3.1 知識與技能

3.1.1 理解牛頓第一定律。

3.1.2 了解人類探索力和運動關系的過程。

3.1.3 知道慣性的概念,并能用慣性解釋一些生活中的現象。

3.2 過程與方法

3.2.1 在探究力和運動關系的過程中,進一步學習控制變量法,培養猜想與假設能力。

3.2.2 在用伽利略斜面實驗研究力和運動關系的過程中,學習理想實驗這種科學研究方法。

3.3 情感、態度與價值觀

3.3.1 在學習牛頓第一定律建立的過程中,學習伽利略與牛頓等科學家的創造性思維品質和敢于質疑、堅持真理的獻身精神。

3.3.2 在研究生活中對慣性的利用及預防過程中,樹立將所學知識應用于生產和生活實踐的意識。

4 教學重點難點

4.1 教學重點:牛頓第一定律。

4.2 教學難點:力和運動關系的得出。

5 教學過程

5.1 導入新課

前面我們學習了運動的描述及物體間的相互作用,但并沒有進一步討論物體為什么做這種或那種運動,要想討論這個問題就需知道力和運動的關系,這一節我們就研究這個問題。

板書:第一節 牛頓第一定律

教學設計說明 開門見山,闡述課題。

5.2 創設情境,提出問題

教師邊講邊演示:放在講桌上的物理書,它是靜止的,持續對它施加推力,它就運動;不施加推力,它就靜止。根據上面的實驗現象你想到了什么?發現了什么問題?

教學設計說明 根據新課程的精神,從學生身邊發生的現象中,讓學生發現感興趣的問題,進而提出可供探究的問題,從而激發學生的學習興趣。

5.3 猜想與假設

學生可能想到的問題:人推小車,小車運動,不推車就靜止等現象。

學生可能發現:對物體持續施加力,物體就運動;停止施加力,物體就停止。

引導學生對上面的回答進行討論,提出猜想①:力是維持物體運動的原因嗎?

古希臘的亞里士多德也從生活現象中推測出了相同的結論。對這個結論有不同意見嗎?

教學設計說明 學生對力和運動關系片面的、不恰當的認識是本節課學生學習心理的關鍵點。同時,對亞里士多德的功績應給予肯定。

讓學生先思考在日常生活中是否觀察到過不同的現象,然后結合自己已有的生活經驗在小組內進行討論,最后小組派代表發言。

學生可能認為不對。理由為:自行車蹬一段時間后停止蹬車,自行車會滑行一段距離;冰面上踢出去的冰塊,腳不對其施加力仍能運動很遠等等。

引導學生提出猜想②:力不是維持物體運動的原因。

教學設計說明 學生通過對身邊的物理現象進行分析、推理,改變根據直接經驗得出直覺結論的錯誤認識,發現問題的實質,充分鍛煉學生的創造思維能力。

讓學生共同分析、討論“水平路面上,小車運動一段距離后,變為靜止的原因是什么呢?”

引導學生提出猜想③:運動小車停下來的原因是小車受到摩擦力的作用。(學生想到小車變為靜止的原因可能是重力、速度等,引導學生一一排除)。

教學設計說明 學生通過對問題原因的大膽的推測,充分鍛煉學生的創造思維能力。

5.4 實驗探究

5.4.1 教師讓學生自己設計一個實驗方案來驗證“運動小車停下來的原因是小車受到摩擦力的作用”,可由學生在小組內討論解決,然后由小組代表發言。

板書:控制變量法

在學生回答實驗方案的過程中,如果沒有注意到控制到達水平面時小車的速度,教師需要有意識地引導學生發現影響小車運動距離的還有另外一個因素——小車的運動速度。并進一步提出研究的問題:當受到多個因素的影響時,應采用什么方法來研究,怎樣控制才能使小車的速度一樣大呢;如果學生已經注意到,就詢問為什么要控制小車的速度,這種實驗的研究方法是什么?

讓學生仔細檢查桌子上的實驗器材,并思考運用這些器材能否達到實驗目的?如果可以,就以小組為單位進行實驗來驗證猜想。

5.4.2 提出問題:如果換用棉布(摩擦力小些)軌道,小車運動的距離會怎么樣?

學生提出猜想④:如果換用棉布軌道,小車運動的距離變大。

讓學生仔細檢查桌子上的實驗器材,運用這些器材能否驗證猜想④,如果可以,就以小組為單位進行實驗驗證猜想。

5.4.3 提出問題:如果換用木板(摩擦力更小)軌道,小車運動的距離會怎么樣?

學生提出猜想⑤:換用木板軌道,小車運動的距離更大。

讓學生仔細檢查實驗器材,運用這些器材能否驗證猜想⑤,如果可以,就以小組為單位進行實驗驗證猜想。

5.4.4 提出問題:如果換用玻璃板(更光滑)軌道,會有什么現象發生呢?

學生提出猜想⑥:小車在玻璃板上的運動距離比在木板上運動距離大。

繼續提出問題:如果水平軌道絕對光滑且足夠長,即沒有摩擦力或摩擦力為零,小車的運動將會是什么樣呢?

學生提出猜想⑦:如果摩擦力變為零,小車會在平面上一直運動下去。

由于絕對光滑的材料是不存在的,而且也不能通過實驗來驗證,我們只能在原先實驗的基礎之上進行推理。因此,這個實驗只能是理想化的。

教學設計說明 通過對比實驗,找出問題的本質——物體的運動不需要力來維持,鍛煉學生的猜想與假設能力。

隨著科學技術在教育上的應用,我們可以應用電腦技術模擬這個實驗來驗證大家的猜想。教師用多媒體演示這個實驗。(在演示的過程中提問:小球從一個斜面沖向另一斜面,達到同一水平高度才會返回。如果另一斜面變成水平,那么小球還會達到同一水平面嗎?還會做往返運動嗎?它的運動會是什么樣的呢?學生可能的回答:小車會一直沿水平面運動下去。)

根據觀察的現象得出結論:力不是維持物體運動的原因,而是改變物體運動狀態的原因。

這就是著名的伽利略理想斜面實驗。伽利略設計的理想斜面實驗以可靠的事實為基礎,把實驗與邏輯推理和諧地結合在一起,指出力不是維持物體運動的原因,而恰恰是改變物體運動狀態的原因,推翻了亞里士多德近兩千年的錯誤觀點。同時,伽利略的理想實驗——這種科學探究的方法有力地推動了科學的發展。

教學設計說明 通過觀察伽利略的理想實驗,啟發學生在研究科學問題時大膽的猜想與假設對科學研究具有重要的作用。

在此之后,笛卡爾又進一步的補充:除非物體受到外力作用,物體將永遠保持其靜止或運動狀態,永遠不會使自己沿曲線運動,而只會保持在直線上運動。

5.5 得出結論:牛頓第一定律

牛頓在前人的基礎之上,進一步進行總結,得出力學的一條基本定律。

5.5.1內容

一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態。

5.5.2理解定律應注意的問題

(1)沒有受到外力的作用時(實際問題中,物體不受力的情況是沒有的;物體受平衡力時,或者說合力為零時的情況跟不受力的情況是相同的),物體保持原來的運動狀態。

(2)力不是維持物體運動的原因,力是改變物體運動狀態的原因,是產生加速度的原因。

牛頓在前人的基礎上,以獨特的視角建立了牛頓定律,為經典力學建立了理論基礎。

5.6 應用牛頓第一定律解決實際問題,加深對定律的理解

5.6.1 教師提出問題:一帆船在纖繩的牽引下勻速前進,當纖繩牽引力減小時,帆船的速度也隨之減小的原因是什么?引導學生運用牛頓第一定律來解釋這種現象。

5.6.2 教師提出問題:火車在長直水平軌道上勻速行使,門窗緊閉的車廂內有一人向上跳起,發現仍落回原處,原因是什么?引導學生運用牛頓第一定律來解釋這種現象。

5.7 在應用牛頓第一定律的過程中發現慣性

5.7.1 教師提出問題:如果突然抽出墊在鋼筆帽下的紙條,會有什么現象發生?

引導學生提出猜想⑧:鋼筆帽可能會傾倒;可能會……。然后讓學生親自實驗操作,驗證自己的猜想。

5.7.2 教師提出問題:一木塊豎在勻速運動的小車上,當小車突然碰到障礙物時,會有什么現象發生?

引導學生提出猜想⑨:木塊可能會向前傾倒;可能會……。然后教師通過演示實驗驗證學生的猜想。

教學設計說明 充分發揮學生的發散思維能力,通過自己的親身體驗培養猜想與假設能力。

請學生再例舉一些生活中的慣性現象,如:汽車突然啟動或突然停止時發生的現象等實例,并從中發現了什么?

發現物體具有一種性質:物體都有保持原來的運動狀態的性質。

由牛頓第一定律知道,物體具有保持原來勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質,我們就把這種性質叫做慣性。因此,牛頓第一定律又叫慣性定律。

教學設計說明 聯系生活實際,理解任何物體在任何情況下都具有的性質——慣性。

提出問題:我們改變靜止的書本的運動狀態與改變靜止的滿盒粉筆的運動狀態所施加的力是不同的實例說明了什么?學生歸納出不同物體的慣性大小不同。

5.8 質量是物體慣性的唯一量度

讓學生觀看一段視頻(質量不同的兩輛玩具車在一根被壓縮彈簧的作用下運動的現象,如圖1),思考與討論“慣性的大小與什么因素有關”。

學生分析與討論:在受力相同的條件下,質量大的物體速度變化小,運動狀態難改變,慣性大;質量小的物體運動速度變化大,運動狀態容易改變,慣性小。從實例可看出,運動狀態變化的難易程度只與質量有關,即在受力相同的條件下,決定運動狀態變化難易程度唯一因素就是物體的質量。

教學設計說明 通過分析與討論實例理解質量是慣性的唯一量度。

5.9 應用慣性解釋日常生活現象

讓學生運用牛頓第一定律解釋生活中的現象,如:洗衣機甩干衣服;拍打衣服可除去灰塵;使勁甩手可把手上的水甩掉;撞擊錘柄可以使錘頭緊套在把上;摩托車飛躍斷橋;汽車司機駕車時必須系上安全帶等等。

6 板書設計

牛頓第一定律

教學設計說明 板書設計是教學中不可缺少的部分,是備課、授課中的一個重要環節。

參考文獻:

[1]孫麗媛,徐恩生,羅洪超.牛頓第一定律的實質地位和作用.沈陽航空工業學院學報:22.2

(欄目編輯鄧 磊)