高中物理人教版 (新课标)必修15 牛顿第三定律教案及反思

3.1《牛顿第三定律》教学设计

三维目标

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.通过实验加深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               

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               

1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1：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1：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？

图4－1－1

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E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来维持.

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：伽利略受教堂内吊灯摆动的启发，运用逻辑思维的方法进行分析，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，用一根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”.

图4－1－2

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，而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.

［布置作业］

教材第75页问题与练习.

［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.

板书设计

1  牛顿第一定律

活动与探究

1.一切物体在任何状态下都具有惯性，惯性是物体固有的特性，所以惯性的大小对我们日常的生活和生产的影响不可忽视.我们也按照需要采取了各种措施去增大或减小惯性的影响，请以“惯性的影响与利用”为题写一篇课题汇报.

2.请设计小实验或小制作，验证物体是具有惯性的.