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《牛顿第一定律》实验教学案例

牛顿第一定律是描述力和运动关系 ( http: / / www.21cnjy.com )的规律，它既是对力和运动关系的深刻描述，又为二力平衡的探究作了理论准备，表象是一滴水，事实是一片海。力和运动的正确关系隐藏在物理现象的背后，很容易被生活中的物理假象所掩盖。教材在内容上，先由与学生日常生活结合紧密的现象入手，提出亚里士多德的观点；然后阐述伽利略的理想实验；最后让学生通过自己的分析与论证得出并表述牛顿第一定律。这样设计的目的就是让学生通过自己的探究来反驳已有的生活经验，使他们留下深刻的印象。
[演示1]：教师在桌面上用手推动粉笔盒，从静止开始慢慢向前运动，撤去推力，粉笔盒立即静止。
师：在我做的这个实验中，同学们看到了什么现 ( http: / / www.21cnjy.com )象？ 生：粉笔盒受力后由静止变为运动，力消失后又静止了。 教师分析：其实在日常生活中也有许多类似的例子，（如同学推桌子），从表面现象上看，“必须有力作用在粉笔盒上，才能让粉笔盒运动，如果没有力的作用，它就要停下来”即：粉笔盒的运动需要力来维持。于是，在希腊哲学家亚里士多德就根据这些现象总结出“物体的运动需要力来维持”。这种观点在历史上曾被沿用了两千多年。但是沿用两千多年的是否就一定正确呢？我们来看看下面的这个实验：
[演示2]：在桌面上放一个小球，用力推它，小球滚动，手离开小球后，小球还滚动了一段距离才停下来。
师：这次的实验现象与前面实验现象有哪些不同的地方？
生A：小球在不受力的作用时仍移动了一段距离，最后受到阻力的的作用还是停下来了。
师：（带头鼓掌），真不错。从实验中我们可以 ( http: / / www.21cnjy.com )知道：“小球在没有受到力的作用时仍可以移动。”即：物体的运动不需要力来维持，力是改变物体运动状态的原因。这个结论是两千年后的科学家伽利略提出的。这与亚里士多德的观点相矛盾，那么，这里有两个相互矛盾的观点，到底哪个是正确的呢？应用什么办法呢？
生：用实验探究法来确定。
二、设计实验自主探究“阻力对物体运动的影响”
师：现在就根据你们桌面上给 ( http: / / www.21cnjy.com )的器材，四人一组，相互讨论，设计一个实验来探究“小车移动的距离与阻力大小有什么关系？”最先设计好的小组给同学们讲讲你们的实验方案。
小组A：让小车从斜面的同一高度自由下滑 ( http: / / www.21cnjy.com )，在水平桌面上铺上不同的毛巾，棉布，木板，看小车在不同的表面移动的距离，用小红旗标出小车的位置，根据小车的不同位置来判断什么表面对小车的阻力大或小。
师：考虑很仔细，还有其他小组要补充吗？
小组B：在实验过程中要用同一小车和同一斜面。
师：不错，补充得很完整。那么，用同一高度、同一小车和同一斜面的目的是什么呢？
生：这样可以保证小车在进入平面时的速度一样。
师：对，就是要让每次实验时小车在进入平面时的速度一样，这种实验方法叫什么呢？
生：控制变量法。
师：不错，控制小车进入水平面时的速 ( http: / / www.21cnjy.com )度相同，看小车在不同材料的水平表面移动的距离。现在就请同学们根据你们设计的实验方案，完成探究内容，并做好实验数据的记录。再根据三次实验的数据进行分析，进一步推理“在光滑水平面小车的运动情况会怎样？”每个小组的成员做好分工，每个同学都动起手来，一起来完成这次探究。
教师在学生实验过程中巡视各小组的实 ( http: / / www.21cnjy.com )验情况，对操作不当的小组进行引导，纠正实验中的错误操作。待各小组完成实验后，利用实物投影仪展示二至三个小组的记录表，引导学生对记录进行分析。并利用多媒体展示问题：
师：现在我们通过下面几个问题来看看你们在实验中收获到了什么？
问题一：三次实验，小车最终都静止，为什么？ 小组3：小车停下来是因为受到了阻力的作用。
师：对，小车因为受到了阻力，速度越来越小，最后停了下来。
问题二：三次实验，小车运动的距离不同，这说明什么问题？ 小组4：说明小车滑动的距离受阻力的影响。
师：不错，小车滑动的距离要受阻力的影响，那是怎样影响的呢，
问题三：小车运动距离的长短跟它受到的阻力有什么关系？
小组6：材料的表面越粗糙，产生的阻力越大，小车滑动的距离就越短。
师：很好，三次实验告诉我们，表面越光滑，阻力 ( http: / / www.21cnjy.com )就越小，而小车滑动的距离就越长。通过这三次实验，我们来想象一下，若表面更光滑，那么受到的阻力就更小，小车运动的距离又会是怎样的呢？
问题四：若使小车运动时受到的阻力进一步减小，小车运动的距离将变长还是变短？
小组2：若小车运动时受到的阻力进一步减小，小车运动的距离将变长。
师：好，根据上面的实验及推理的想象，你们还可以推理出什么结论呢？
问题五：小车在光滑的阻力为零的表面，将会怎样运动？ 生：将永远运动下去。
师：通过伽利略的实验和科学推理得出“运动的物体，如果受到的阻力为零时，它的速度将不会减慢，将以恒定不变的速度永远运动下去。”
师：后来，科学家迪卡儿在伽 ( http: / / www.21cnjy.com )利略的基础上进行了补充：如果运动物体不受任何力的作用，不仅速度大小不变，而且运动方向也不变，将沿原来的方向匀速运动下去。
师：最后，伟大的科学家牛 ( http: / / www.21cnjy.com )顿在前人的基础上进行补充：物体除了运动的以外，还有静止的，那么，静止的物体在没有受到外力作用时，保持什么状态呢？
生：。。。。。。
师：保持静止
师：现在我们来根据几位科学家的研究成 ( http: / / www.21cnjy.com )果进行一下概括（引导学生归纳）： 一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持静止状态或匀速直线运动状态。
师：这就是牛顿第一定律。是实验加推理得 ( http: / / www.21cnjy.com )出的结论。现在，同学们用两分钟的时间来记一记它的内容，并想想牛顿第一定律实用于什么范围？有什么条件？会出现什么样的结果？
生A：范围是：一切物体。
师：对，不管是固体、气体，还是液体，是静止的还是运动的，所有的物体都包括。
师：条件又是什么呢？ 生B：在不受外力作用时。
师：不受外力什么时会出现什么样结果呢？ 生C：静止或匀速直线运动。
教师进一步挖掘教材，让学生深刻理解牛顿第一定律。 师：现在有一物体在做匀速直线运动，要让它继续运动，需要对它用力吗？ 生：不需要
师：这说明什么呢？
生：物体的运动不需要力维持。
师：若我要让它停下来，需要怎样做呢？ 生：对它施加力
师：原来运动的物体受到力的作用后， ( http: / / www.21cnjy.com )就静止了，这又说明了什么呢？ 生：力是改变物体运动状态的原因。 师：这次实验使我们明白：（1）物体的运动不需要力来维持，力是改变物体运动状态的原因；(2)任何一个规律的探索并不是一蹴而就的,而是一个逐步完善的过程；(3)不要迷信权威,要敢于向权威挑战.
三、小结：
1、牛顿第一定律的内容：一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持静止状态或匀速直线运动状态。
2、“牛顿第一定律”表达的是物体不受外力时的运动规律。
3、物体的运动不需要力来维持。
4、“牛顿第一定律”不是实验定律，而是在实验的基础上推理概括出来的。

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