资源简介

主题一 运动和力
第五节 牛顿运动定律及其应用 教学设计案例
课程内容 第五节 牛顿运动定律及其应用
课程类型 启发讲授课 课时 2 学时
教材内容分析 本节主要让学生通过实验，加深对牛顿第一定律的理解，知道质量是物体惯性大小的量度，能解释生活中有关的惯性现象。通过实验，了解加速度与物体所受合外力、物体质量的关系，理解牛顿第二定律；能运用牛顿第二定律进行简单计算，能用其解释生产、生活中的有关现象。通过实验，理解牛顿第三定律；能区别相互作用力与平衡力，能用其分析生产、生活中的有关问题。了解国际单位制中力学的基本物理量和基本单位。
学情分析 学生在初中就学习过牛顿第一定律和牛顿第三定律，没有学习过牛顿第二定律，因此牛顿第二定律是本节的重点内容。教师在进行教学时，应注意对理想实验、控制变量法、转换法等科学方法的介绍，通过演示实验与合作学习等方式，让学生深刻理解牛顿第二定律，并能应用其解决实际问题。
教学目标 1．理解牛顿运动定律，进一步形成力可使物体的形状和运动状态发生改变等物理观念，并能用其解释生产、生活中的相关运动现象，能运用牛顿第二定律进行简单计算，能解决简单的实际问题。了解国际单位制中力学的基本量和基本单位。
2．了解伽利略研究物体惯性时使用的理想实验方法，增强假设推理和质疑创新能力。了解总结牛顿第二定律时使用的转换法和控制变量法，增强科学论证素养。
3．通过对有关牛顿运动定律实验的观察，增强实验观察能力。通过课后实践活动，增强操作技能、技术运用、探究设计等核心素养。
4．了解我国在航空航天等领域的伟大成就，增强民族自豪感和家国情怀。通过对物体惯性的了解，增加安全意识，提高社会责任感。
教学重点 让学生了解理想实验方法、控制变量法，理解牛顿第二定律，了解作用力与反作用力的特点。
教学难点 牛顿第二定律的应用方法、作用力与反作用力的特点。
教学策略 让学生通过自主学习与合作学习了解新知识，形成新观念，提高实验观察能力，受到科学方法熏陶。
主要教法 启发式讲授、演示实验、组织合作学习
主要学法 观察演示实验、小组合作学习
教学资源 多媒体课件展示系统、导轨、气泵、光电门2个、数字计时器、挡光片、滑块、一端带定滑轮的滑道2个、质量相同的小车2个、小钩码（质量远小于小车的质量）3个、细绳、大夹子、刻度尺、与小车质量相等的砝码、力传感器2个、数据采集器、计算机等。
课堂实施
教学 环节 教学内容 教师活动 学生活动 设计意图
课前 准备 1. 伽利略是根据什么事实对亚里士多德有关力与运动关系的论断提出质疑的？ 2. 伽利略的对接斜面理想实验的内容是什么？ 3. 什么是理想实验方法？ 4. 通过“观察滑块在水平气垫导轨上的运动”演示实验能归纳出什么结论？ 5. 牛顿第一定律的内容是什么？ 6. 通过“研究加速度与外力的关系”演示实验能归纳出什么结论？什么是转换法？ 7. 通过“研究加速度与质量的关系”演示实验能归纳出什么结论？什么是控制变量法？ 8. 牛顿第二定律的内容是什么？如何用数学公式表达？ 9. 通过“用力传感器研究作用力与反作用力”演示实验能归纳出什么结论？作用力与反作用力有什么特点？ 10. 在国际单位制中，力学的基本单位有哪几个？ 1. 安排学生进行预习（阅读教材、观看老师提供的微课视频）。 2. 就学生提出的问题进行有针对性地备课，准备在课堂上学生讨论时给予指导。 对教材和教学视频进行学习和思考，并与同学讨论其中发现的问题，将疑问反馈给老师。 让学生通过课前自主学习，发现自己不理解的问题，准备到课堂上与同学讨论，与老师交流，解决疑问。
课堂 实施 新课引入 创设情境：“嫦娥四号”探测器于2018年12月8日在西昌卫星发射中心由“长征三号乙”运载火箭送入太空。2019年1月3日10时26分，成功软着陆于月球背面预定地点。 展示图片、提问： “嫦娥四号”是如何实现从地面飞向月球的？到达月球附近后，又是如何实现绕着月球旋转，并最终落到月球背面的？ 思考 激发学生学习动力，明确学习目标
新课教学 公元前4世纪，古希腊的哲学家亚里士多德在观察和直觉的基础上得出结论：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就保持静止。由于与人们在生产实践中观察到的情景基本相符，因此这个观念一直流传了近两千年，没有被人质疑过。 16世纪末，意大利物理学家伽利略对亚里士多德的论断表示了怀疑。他注意到，当一个球沿斜面向下滚动时，它的速度增大，而向上滚动时，它的速度减小。他由此猜想：当球沿水平面滚动时，它的速度应该不增不减。 讲述 倾听 通过历史回顾，让学生了解应有依据地提出质疑。
伽利略在实验时发现，当球在水平面上滚动时，球的速度越来越慢，最后停下来。伽利略认为，这是由于阻力的缘故，因为他还观察到，水平表面越光滑，球便会滚得越远。于是，他推断：若没有阻力，球将沿水平面永远滚下去。 伽利略为了说明他的思想，设计了一个对接斜面的理想实验：让小球沿一个光滑斜面从静止状态开始滚下，小球将滚上另一个斜面，由于没有摩擦，小球将上升到初始高度。减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上滚动仍会达到初始高度，因此它要滚得远些。继续减小第二个斜面的倾角，小球仍会为达到同一高度而滚得更远。如果第二个斜面改成水平面，小球将沿着水平面以恒定的速度持续运动下去。 讲述、展示图片 倾听、理解、记忆 让学生了解伽利略的对接斜面理想实验。
理想实验也叫假想实验或者思想实验，它以真实的科学实验为基础，以逻辑法则为依据，用思维来展开实验过程。它具有实际物理实验的一些特点，又不同于实际实验。它也是科学研究中常用的一种逻辑思维方法。 讲述 倾听 让学生了解理想实验方法
演示实验：“观察滑块在水平气垫导轨上的运动” 调节气垫导轨一侧的底脚螺丝，使导轨水平。给导轨送气，将滑块放在导轨中间，可观察到滑块静止在导轨上，如图1-5-3所示。再打开数字计数器的开关，选择“计时1”功能。用手轻推滑块，使其以一定的速度从导轨的一端向另一端运动，依次经过两个光电门。观察数字计时器上显示的滑块经过两个光电门的挡光时间。 进行演示实验、组织合作学习、提问： 在水平气垫导轨上静止的滑块和运动的滑块所受的外力各有哪些？滑块所受的合外力为多少？ 观察实验、小组合作、思考、讨论、回答： 滑块所受的外力都只有重力和支持力，合外力为零。 让学生增加对惯性的感性认识，引导学生分析物体运动状态不变的原因。
英国的物理学家牛顿在伽利略等人研究的基础上，根据自己的研究，系统地总结了力学规律，提出了三条运动定律。 一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。这就是牛顿第一定律。由于物体总保持原来运动状态的性质称为惯性，因此，牛顿第一定律又称为惯性定律。 讲述 倾听、记忆 让学生巩固牛顿第一定律。
一些刚学打篮球的同学在做“三步上篮”的动作时，通常会因用力过大而不能将球投进篮筐。篮球在被抛出以前，已经具有跟人相同的速度了，因此人只需将球向上抛出，球就会由于惯性，向前上方运动并落入篮筐了。 展示图片、讲述运用牛顿第一定律解释“三步上篮”现象。 倾听、思考 让学生了解牛顿第一定律的应用。
与本学习小组的同学讨论，在水平地面上玩滑板的人为什么能带着滑板腾空而起？与其他小组的同学交流。 组织学生合作学习 小组讨论、交流 引导学生运用牛顿第一定律解释生活中的现象。
让学生自主学习“安全带与安全气囊”等内容。 展示图片、巡视、答疑 阅读、讨论 让学生进一步了解牛顿第一定律的应用。
牛顿第一定律告诉我们，物体如果不受外力，它将保持原来的运动状态。由此可知，如果物体受到外力作用，物体的运动状态必将改变。 物体运动状态发生改变时，会产生加速度，因此也可以说，力是使物体产生加速度的原因。 人们在实践中发现，物体的加速度不仅与其所受外力有关，还与其质量有关。质量越大的物体，运动状态似乎越难以改变。那么，物体的加速度与外力、质量到底有什么定量关系？ 讲述物体运动状态改变过程中，加速度与外力、质量的关系。 倾听、理解、记忆 引导学生发现问题，准备继续探索。
演示实验：“研究加速度与外力的关系” 将两个一端带定滑轮的滑道并排放在水平桌面上，让带定滑轮的一端伸出桌外。取两辆质量相同的小车，对齐摆放在水平滑道上，小车的前端各系上一根细绳，绳的另一端跨过定滑轮用来挂钩码（钩码的质量远小于小车的质量）。小车的后端也分别系上细绳，用一只固定的夹子夹住小车后面的两根细绳，以便同时控制两辆小车的运动。 在第一辆小车的绳端挂1个钩码，在第二辆小车的绳端挂2个钩码。两辆小车在拉力作用下都将做匀加速直线运动，小车所受的水平拉力F的大小可以近似认为等于钩码所受的重力。 先标记出小车的初始位置，再打开夹子，让两辆小车同时从静止开始运动。经过一小段时间后，合上夹子，让它们同时停下。测量两辆小车的位移大小。 进行演示实验，测量两辆小车的位移，提问： 两辆小车的位移与其所受拉力的关系是什么？ 观察实验、思考其中的规律，回答： 两辆小车的位移与其所受拉力成正比。 让学生增加对加速度与外力关系的感性认识，并归纳出其中的规律。
通过合作学习，探索位移与加速度的关系，进而理解加速度与拉力的关系。 提问： 在匀变速直线运动中，若初速度为零，时间相同，则位移与加速度有什么关系？加速度与拉力有什么关系？ 回答： 位移与加速度成正比。 加速度与拉力也成正比。 引导学生推导小车的加速度与拉力的关系。
对不易直接观察和测量的微观物理量，人们常常采用转换观测对象的方法。通过转换，用某些容易观察和测量的量，代替不易观察和测量的量，这就是转换法。 讲述 倾听 让学生了解转换法。
演示实验：“研究加速度与质量的关系” 利用前面的实验装置继续实验。在两辆小车的绳端各挂一个钩码，使两辆小车所受的拉力相同。在第一辆小车上加放砝码，使其质量增大为原来的2倍。 先标记出小车的初始位置，再打开夹子，让两辆小车同时从静止开始运动。经过一小段时间后，合上夹子，让它们同时停下。测量两辆小车的位移大小。 进行演示实验，测量两辆小车的位移，提问： 两辆小车的位移与小车质量的关系是什么？由于位移与加速度成正比，因此可以得出小车的加速度与质量的关系是什么？ 观察实验、思考其中的规律，回答： 两辆小车的位移与其质量成反比。由于位移与加速度成正比，因此可以得出小车的加速度与质量成反比。 让学生增加对加速度与质量关系的感性认识，并归纳出其中的规律。
实验表明，质量大的物体运动状态难以改变，即物体的惯性大；质量小的物体运动状态容易改变，即物体的惯性小。因此，质量是物体惯性大小的量度。 讲述 倾听、记忆 让学生巩固对惯性的认识，了解质量是物体惯性大小的量度
【行为与责任】 列车的质量一般都非常大，即惯性非常大，要使高速行驶的列车停下来是很困难的，往往需要很长的路程来减速。如果在列车快到达时，有人抢行且发生了意外，停在了轨道上，则伤害就是不可避免的了。因此，为了避免伤害，在通过列车道口时，一定要遵守交通法规，听从交警的指挥。 讲述 理解、记忆 让学生增加遵守交通法规的自觉性。
【思维与方法】 控制变量法 控制变量法就是在有多个因素（变量）同时对结果起作用的过程中，通过控制实验条件（控制其他因素不变），逐个研究某一因素对结果的影响，然后加以综合的研究方法。 讲述 倾听、记忆 让学生了解控制变量这一重要的实验方法。
物体的加速度跟所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。这就是牛顿第二定律。通过选择合适的单位，牛顿第二定律可用数学公式表示为 综合归纳、讲述。 倾听、记忆 让学生了解牛顿第二定律及其数学形式。
【应用与拓展】 汽车ABS 以前的普通汽车，如果在高速运动时进行紧急制动，车轮会突然被制动器抱死，使前轮失去转向功能，而汽车由于惯性仍继续向前运动，则可能会发生侧滑，甚至侧翻。为防止这种情况的发生，人们发明了防抱死制动系统。汽车ABS可以自动地检测车轮是否在正常滚动，并在车轮滑动的时候释放制动器，即制动器对汽车进行断续制动，每分钟制动次数可达数千次，使汽车轮子处于滚动和滑动的交替状态。这样就可以帮助司机在紧急制动时更好地掌控汽车的运动状态，防止出现侧滑等失控情况。 组织学生自主学习、巡视、答疑 阅读、理解、讨论 让学生了解牛顿第二定律在生活中的应用。
示例 吊车要在10 s内将地面上的货物吊到10 m高的楼顶，货物的质量是2.0×103 kg，假设货物被匀加速吊起，问吊车缆绳对货物的拉力是多少？ 讲述、分析、解题全过程 观看、倾听、理解、记忆 让学生了解应用牛顿第二定律解决实际问题的形式和方法。
在吊车向上加速吊起货物时，缆绳对货物的拉力超过货物的重力，这种现象称为超重。与此相反，当吊车向下加速放下货物时，缆绳对货物的拉力将小于货物的重力，这种现象称为失重。 讲述 倾听、理解 让学生了解用牛顿第二定律解释超重和失重现象。
【行为与责任】 人们乘坐升降电梯或在游乐园中荡秋千、跳蹦床、玩滑梯、坐过山车时，都可体验到超重和失重的感觉。但有些活动产生的强烈超重和失重，对体弱或有心脏病的人来说是有危险的，因此要记得提醒他们不要参加那些活动。 讲述 倾听 提高学生的社会责任感。
【观察与体验】 用力传感器研究作用力与反作用力 将数字信息处理系统的两个力传感器、数据采集器和计算机连接好，打开力的相互作用数据采集软件。先用手逐一推、拉每个力传感器的测量端，检查并调节两个力传感器，使其测量端受力时，力随时间变化的图线都能实时、准确地显示在计算机屏幕上。 实验时，用两只手分别握住两个力传感器，将它们的测量端连接在一起。当两只手同时用力互拉时，两测量端各自受力的情况都实时地显示在屏幕上。 进行演示实验、提问： 由屏幕上显示的两个力传感器的受力图线可以得出，在任何时刻两个相互作用力是怎样的？ 观察、思考、讨论、回答： 任何时刻两个相互作用力都是大小相等、方向相反的。 增加学生对作用力与反作用力的感性认识。
大量实验表明：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。这就是牛顿第三定律。用公式可表示为 F = －F＇ 式中，F、F＇分别表示作用力和反作用力，负号表示它们的方向相反。 归纳、讲述 倾听、记忆 让学生了解牛顿第三定律。
作用力和反作用力总是成对出现，同时产生，同时消失。 作用力与反作用力总是属于同种性质的力。如：作用力是万有引力，反作用力也一定是万有引力；作用力是弹力，反作用力也是弹力；作用力是摩擦力，反作用力也是摩擦力。 作用力和反作用力总是分别作用在两个物体上，各自产生各自的作用效果，不能平衡，不能抵消。 讲述 倾听、记忆 让学生了解作用力与反作用力的特点。
人走路时，脚总是不断地向后蹬地，地面受到了向后的摩擦力，同时，脚也受到了向前的摩擦力，从而使人向前运动；骑自行车时，人用力地蹬踏板，使后轮转动，后轮对地面产生向后的摩擦力，地面对后轮产生向前的摩擦力，推动自行车前进；人在游泳时，主要是利用四肢向后推水，来获得水对人向前的推力。 讲述 倾听 让学生了解牛顿第三定律的应用。
当搭载着“嫦娥四号”探测器的火箭发射升空时，通过向后高速喷射燃料，获得了向前的推进力。探测器与火箭分离后，主要依靠惯性前进，但可利用携带的7 500 N变推力发动机，进行修正，校准航向。接近月球后，探测器使用变推力发动机进行近月制动，使其被月球的引力场捕获，成为一颗绕月卫星。之后通过变轨控制，使速度逐渐下降，最后在反推发动机和着陆缓冲机构的保护下，实现软着陆。 回应本节开始“情境与问题”中的问题。 倾听、理解 让学生进一步了解牛顿运动定律的应用。
国际单位制，规定了7个基本单位，分别是长度单位米（m）、时间单位秒（s）、质量单位千克（kg）、电流单位安（A）、热力学温度单位开（K）、物质的量单位摩尔（mol）、发光强度单位坎德拉（cd）。 由基本单位导出的单位称为导出单位。例如，根据速度公式，可推导出速度的单位是m/s；根据加速度公式，可推导出加速度的单位是m/s2；根据牛顿第二定律F = ma，可推导出力的单位N，即1 N＝1 kg·m/s2。 讲述 倾听、记忆 让学生了解国际单位制。
让学生通过自主学习，了解相对论及其应用简介、举世瞩目的中国航空航天技术等内容。 巡视、指导、答疑 阅读、讨论 了解相对论等内容，接受爱国主义教育
自由讨论 本节的主要内容讲完了，同学还有哪些疑问，自由提问，小组讨论，自由抢答。 组织学生自由提问、讨论，或回答问题。 向老师提出自己的疑问、回答同学的问题。 通过思想的碰撞，发展学生质疑创新的核心素养。
归纳总结 本节学习了牛顿第一、二、三定律及其应用，同时了解了理想实验法、转换法、控制变量法等科学方法，提高了社会责任感，受到了爱国主义教育等。 归纳总结本节所学内容。 倾听、记忆 帮助学生巩固所学。
课后 提升 书面作业
实践活动
板书 设计 略。
评价 反馈 本节课堂上学生回答问题得到的分数，学生作业批改后将评语及时反馈给学生。
教学 反思 反思本节是否让学生通过自主学习进行了预习？授课过程中是否考虑到新旧知识的衔接？是否注意由浅入深地进行引导？教学难点的处理方法是否恰当？是否调动了全体学生的学习积极性？是否采用了合作学习、探究学习的教学策略？是否给学生提供了思维方法指导？学生是否进行了动手实践活动？是否注重了学生正确价值观、爱国主义思想等的培养？思考自己的讲授、启发、提问、组织、指导、回答等方面有哪些需要改进的地方。
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