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4.1牛顿第一定律 教学设计
一、核心素养目标
1.物理观念
（1）通过历史回顾与实验探究，准确理解牛顿第一定律的内涵，明确“力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因”，破除“力是维持运动的原因”的错误认知。
（2）掌握惯性的概念，理解惯性是物体的固有属性，明确惯性大小仅与物体质量有关，能结合生活实例解释惯性现象，建立“运动与力”的正确物理观念。
（3）能运用牛顿第一定律分析物体在不受力或受平衡力时的运动状态，区分“匀速直线运动”与“静止”的共性（运动状态不变），形成对运动和力关系的系统性认识。
2.科学思维
（1）经历“亚里士多德观点—伽利略实验—笛卡尔补充—牛顿总结”的逻辑历程，体会“理想实验”这一科学推理方法的精髓，培养抽象思维与逻辑推理能力。
（2）通过对“阻力对物体运动影响”实验的分析，运用控制变量法和归纳推理法得出实验结论，进而通过科学想象构建理想实验场景，提升科学论证能力。
（3）能运用惯性概念解释生活中的相关现象（如乘车安全、体育竞技），区分“惯性”与“力”的本质差异，避免“惯性力”等错误表述，培养严谨的科学思维。
3.科学探究
（1）参与“探究阻力对物体运动的影响”实验，能自主设计实验方案（控制初速度、改变阻力大小），选择合适的实验器材（斜面、小车、不同粗糙程度的平面），规范操作并记录实验数据。
（2）在实验过程中，能分析实验误差来源（如斜面倾角不稳定、平面粗糙程度不均匀），提出改进措施（如使用气垫导轨减小阻力），培养科学探究的严谨性与创新性。
（3）通过小组讨论“理想实验的合理性”，能基于实验事实进行科学推理，提出自己的见解，培养合作探究与表达交流的能力。
4.科学态度与社会责任
（1）通过了解牛顿第一定律的建立过程，认识到科学理论的形成是一个不断修正、完善的过程，体会科学家敢于质疑、勇于探索的精神，培养崇尚科学的态度。
（2）结合惯性在交通规则（如系安全带、限速行驶）、生产生活（如起重机吊装、航天器发射）中的应用，认识物理规律与安全生活、科技发展的紧密联系，增强安全意识与社会责任感。
（3）在实验探究与观点辩论中，养成尊重事实、严谨务实的科学习惯，乐于接受不同意见并基于证据修正自己的观点。
二、教学重难点
1.教学重点
（1）牛顿第一定律的理解：明确力与运动的关系（力是改变运动状态的原因，而非维持运动的原因）。
（2）惯性的概念及应用：理解惯性是物体的固有属性，能解释生活中的惯性现象。
（3）“探究阻力对物体运动的影响”实验的设计与推理过程，体会理想实验的科学方法。
2.教学难点
（1）破除“力是维持物体运动的原因”的前概念误区，理解“运动不需要力维持”的科学性。
（2）理想实验的科学推理过程：从“阻力越小，滑行越远”的实验事实，推理出“不受力时做匀速直线运动”的结论，突破实验条件的限制。
（3）区分“惯性”与“力”的本质差异，解释惯性现象时避免出现“物体受到惯性作用”等错误表述。
（4）运用牛顿第一定律分析物体在受平衡力时的运动状态（等效于不受力）。
三、教学环节
（一）情境导入：矛盾现象激发认知冲突
1.展示两组对比情境：①视频1：推箱子时，用力推箱子就运动，停止推箱子就静止；②视频2：冰球运动员击打冰球后，冰球在冰面上滑行很远才停下。
2.提出问题链：“为什么推箱子时箱子运动，不推就静止？”“冰球没有被持续推，为什么还能滑行很远？”“物体的运动到底需要力来维持吗？”
3.学生初步发言后，教师引导：“两千多年前，亚里士多德和伽利略就对这个问题有截然不同的看法，今天我们就沿着科学家的足迹，揭开力与运动的奥秘。”引出课题——牛顿第一定律。
设计意图：通过生活中看似矛盾的现象，激活学生的前概念（多数学生易认同“力维持运动”），制造认知冲突，激发探究力与运动关系的兴趣，为突破难点铺垫。
（二）历史回顾：梳理科学理论的形成历程
1.亚里士多德的观点：
（1）呈现观点：“必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止下来。”即“力是维持物体运动的原因”。
（2）分析合理性：结合“推箱子”等生活现象，说明亚里士多德的观点符合人们的直观感受，因此在两千多年里被广泛认同。
2.伽利略的质疑与实验：
（1）提出质疑：伽利略认为亚里士多德的观点忽略了“阻力”的作用，物体静止是因为受到阻力，而非没有力的作用。
（2）介绍“理想斜面实验”：①实验设计：让小球从左侧斜面的同一高度由静止滚下，观察小球在右侧不同粗糙程度斜面的上升高度；②实验现象：右侧斜面越光滑，小球上升的高度越接近左侧释放高度；③科学推理：若右侧斜面绝对光滑（无阻力），小球将上升到与左侧等高的位置；若将右侧斜面放平，小球将永远匀速运动下去。
（3）得出结论：物体的运动不需要力来维持，阻力是改变物体运动状态的原因。
3.笛卡尔的补充：笛卡尔在伽利略的基础上进一步指出，“如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向。”补充了“匀速直线运动”的方向性。
4.牛顿的总结：牛顿在伽利略、笛卡尔等人的研究基础上，结合自己的力学研究，总结出牛顿第一定律，标志着经典力学的诞生。
设计意图：通过梳理历史脉络，让学生体会科学理论的形成是“质疑—实验—推理—完善”的过程，理解理想实验的科学价值，同时为牛顿第一定律的学习构建知识背景。
（三）实验探究：探究阻力对物体运动的影响
1.实验目的：探究阻力大小对物体运动距离的影响，为推导牛顿第一定律提供实验依据。
2.实验器材：斜面、小车、毛巾、棉布、木板（三种表面粗糙程度不同的平面）、刻度尺、挡板。
3.实验设计：
（1）控制变量：为保证小车到达水平面时的初速度相同，必须让小车从斜面的同一高度由静止自由滑下（教师演示“不同高度滑下的差异”，强调控制变量的重要性）。
（2）改变变量：改变水平面的粗糙程度（毛巾最粗糙，棉布次之，木板最光滑），从而改变小车受到的阻力大小（阻力：毛巾>棉布>木板）。
（3）观察指标：小车在水平面上滑行的距离，滑行越远说明阻力对运动的影响越小。
4.实验过程：
（1）将毛巾铺在水平木板上，让小车从斜面顶端由静止滑下，记录小车滑行的距离；（2）更换棉布铺在水平木板上，重复上述操作；（3）撤去棉布，让小车在光滑木板上滑行，记录距离。
5.实验数据记录（示例）：
水平面材料 阻力大小（相对） 小车滑行距离（cm）
毛巾 最大 15
棉布 较大 35
木板 较小 80
6.实验分析与推理：
（1）实验结论：在初速度相同的情况下，水平面越光滑（阻力越小），小车滑行的距离越远，速度减小得越慢。
（2）科学推理：若水平面绝对光滑（阻力为零），小车将不受阻力作用，速度不会减小，将以恒定的初速度永远匀速直线运动下去。
7.误差分析：引导学生讨论，如“斜面倾角不稳定导致初速度不同”“平面粗糙程度不均匀影响滑行距离”“小车滑行时偏离直线导致测量误差”等，提出改进措施（如用气垫导轨代替水平面，减小阻力；用光电计时器测量速度等）。
（四）规律建构：理解牛顿第一定律与惯性
1.牛顿第一定律的表述与解读
（1）定律内容：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。
（2）关键词解读：
①“一切物体”：说明定律适用于宇宙中所有宏观物体（低速运动场景），具有普遍性。
②“总保持”：体现物体的“惯性”，即物体具有维持原有运动状态的性质。
③“匀速直线运动状态或静止状态”：这两种状态的共性是“运动状态不变”（速度大小和方向都不变），称为“平衡状态”。
④“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”：说明“力是改变物体运动状态的原因”，而非维持运动的原因，明确力与运动的关系。
（3）强调：牛顿第一定律是通过“实验+推理”得出的理想定律，无法用实验直接验证（现实中不存在绝对不受力的物体），但无数实验事实都支持其科学性。
2.惯性的概念与理解
（1）概念引入：从牛顿第一定律中的“总保持”引出惯性，即物体具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。因此，牛顿第一定律也叫惯性定律。
（2）惯性的本质：
①固有属性：惯性是物体本身固有的性质，一切物体在任何情况下都有惯性（静止的物体有惯性，运动的物体有惯性；受力的物体有惯性，不受力的物体也有惯性）。
②大小决定因素：惯性的大小仅与物体的质量有关，质量越大，惯性越大；质量越小，惯性越小。与物体的速度、受力情况、运动状态无关（如“高速行驶的汽车惯性大”是错误的，惯性大小只看质量）。
（3）惯性与力的区别：惯性是物体的属性，不是力，不能说“物体受到惯性”“惯性力”等，只能说“物体具有惯性”。
3.惯性现象的解释方法
（1）四步解释法：①明确研究对象原来的运动状态；②分析研究对象的某部分受力情况及运动状态变化；③分析研究对象的另一部分由于惯性保持原来的运动状态；④描述最终出现的现象。
（2）示例：解释“乘车时，刹车后人会向前倾”：①人和车原来一起向前运动；②刹车时，车受到阻力作用，运动状态改变（速度减小）；③人的脚随车身一起减速，而身体的上半部分由于惯性，保持原来的向前运动状态；④因此人会向前倾。
（五）新知应用：典型问题解析
1.力与运动关系的判断
例1：下列关于力与运动的说法，正确的是（）
A.物体不受力时一定静止
B.物体受力越大，运动速度越大
C.力是改变物体运动状态的原因
D.物体的运动需要力来维持
解析：根据牛顿第一定律，物体不受力时保持匀速直线运动或静止，A错误；力的大小影响加速度，而非速度大小，如用力推静止的大卡车，推力大但卡车速度不一定大，B错误；力是改变运动状态的原因，C正确；运动不需要力维持，D错误。答案：C。
2.惯性现象的解释
例2：请用惯性知识解释下列现象：（1）拍打衣服时，灰尘会脱落；（2）运动员跳远时，需要助跑；（3）锤头松了，将锤柄在硬物上撞击几下，锤头就紧套在锤柄上。
解析：（1）①衣服和灰尘原来一起静止；②拍打衣服时，衣服受到力的作用，运动状态改变（由静止变为运动）；③灰尘由于惯性，保持原来的静止状态；④因此灰尘从衣服上脱落。（2）①运动员助跑时，身体具有向前的速度；②起跳后，脚由于受到地面的作用力，运动状态改变，但身体由于惯性，保持原来的向前运动状态；③因此助跑能增加跳远的距离。（3）①锤柄和锤头原来一起向下运动；②锤柄撞击硬物时，受到阻力作用，运动状态改变（由运动变为静止）；③锤头由于惯性，保持原来的向下运动状态；④因此锤头紧套在锤柄上。
3.牛顿第一定律在平衡状态中的应用
例3：一个物体在水平方向受到两个大小相等、方向相反的力的作用，该物体的运动状态是（）
A.一定静止
B.一定做匀速直线运动
C.可能静止，也可能做匀速直线运动
D.一定做变速直线运动
解析：水平方向的两个力是平衡力，物体所受合力为零，等效于不受力。根据牛顿第一定律，物体将保持原来的运动状态——若原来静止，将继续静止；若原来运动，将以原来的速度做匀速直线运动。因此运动状态可能是静止或匀速直线运动。答案：C。
4.结合生活实际的综合应用
例4：交通规则中“严禁超速”“系安全带”的物理依据是什么？请结合牛顿第一定律和惯性知识分析。
解析：（1）“严禁超速”：①汽车的质量一定，惯性大小不变；②速度越大，汽车的运动状态越难改变（刹车时，由于惯性，汽车要保持原来的高速运动状态，滑行距离更远，易发生事故）；③因此超速会增加刹车距离，提高事故风险。（2）“系安全带”：①汽车刹车时，车身的运动状态突然改变（速度减小）；②乘车人的身体由于惯性，会保持原来的向前运动状态，若不系安全带，易撞向车窗或座椅；③安全带能对人施加力的作用，迫使人体改变运动状态，与车身一起减速，从而避免伤害，是利用力改变运动状态的原理。
（六）核心知识归纳：构建知识体系
1.力与运动的关系
（1）亚里士多德（错误）：力是维持物体运动的原因；
（2）伽利略（正确）：力是改变物体运动状态的原因，运动不需要力维持；
（3）牛顿第一定律（总结）：一切物体不受力时，总保持匀速直线运动或静止状态。
2.牛顿第一定律
（1）内容：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非力迫使它改变这种状态；
（2）性质：理想定律（实验+推理），适用于所有宏观物体；
（3）核心：力是改变运动状态的原因，而非维持运动的原因。
3.惯性
（1）定义：物体保持原有运动状态的性质（牛顿第一定律又称惯性定律）；
（2）本质：固有属性，一切物体在任何情况下都有惯性；
（3）大小：仅与质量有关（质量越大，惯性越大）；
（4）应用：解释生活现象（乘车安全、体育竞技），指导生产（如航天器对接）。
4.关键方法
（1）理想实验法：伽利略斜面实验的核心方法，基于实验事实推理理想情况；
（2）控制变量法：探究阻力对运动的影响时，控制小车初速度相同；
（3）惯性现象解释法：“原来状态→受力部分变化→惯性部分保持→最终现象”。
四、课堂练习
（一）基础巩固题
1.下列对牛顿第一定律的理解，正确的是（）
A.牛顿第一定律是通过实验直接得出的结论
B.物体不受力时，一定处于静止状态
C.物体的运动状态改变，一定受到了力的作用
D.物体受到力的作用，运动状态一定改变
2.关于惯性，下列说法正确的是（）
A.只有静止的物体才有惯性
B.物体的速度越大，惯性越大
C.质量越大的物体，惯性越大
D.物体受到的力越大，惯性越大
3.用绳子拉着小车在光滑的水平面上运动，若绳子突然断开，小车将（）
A.立即停止
B.继续做匀速直线运动
C.速度逐渐减小
D.速度逐渐增大
4.请用惯性知识解释：“扔出去的铅球，离开手后还能继续向前运动。”
（二）能力提升题
5.下列现象中，不能用惯性解释的是（）
A.短跑运动员到达终点后，不能立即停下来
B.熟透的苹果从树上落向地面
C.骑自行车时，紧急刹车后车还会向前滑行一段距离
D.拍打篮球时，篮球离开手后仍能在空中运动
6.如图所示（描述：在匀速直线行驶的火车车厢内，有一个小球从高处由静止释放），小球将落在（）
A.释放点的正下方
B.释放点的前方
C.释放点的后方
D.无法确定
7.一个物体在水平方向受到5N的拉力和5N的摩擦力，该物体的运动状态可能是（）
A.静止
B.匀速直线运动
C.加速直线运动
D.减速直线运动
E.静止或匀速直线运动
8.为什么在冰雪路面上行驶的汽车，轮胎上要安装防滑链？请结合牛顿第一定律和惯性知识分析。
（三）拓展创新题
9.航天员在太空中处于“失重”状态，他们的惯性会消失吗？请说明理由，并举例说明航天员在太空中如何利用惯性完成操作。
10.设计一个实验，探究“惯性大小与物体质量的关系”，要求：（1）写出实验器材；（2）简述实验步骤；（3）说明实验现象与结论；（4）分析实验中需要控制的变量。
五、练习答案与解析
（一）基础巩固题答案与解析
1.答案：C
解析：A错误，牛顿第一定律是“实验+推理”得出的理想定律，无法直接验证；B错误，物体不受力时可能静止或做匀速直线运动；C正确，力是改变运动状态的原因，运动状态改变一定受力；D错误，物体受平衡力时，运动状态不变（如匀速直线运动）。
2.答案：C
解析：惯性是物体的固有属性，一切物体都有惯性，A错误；惯性大小仅与质量有关，与速度、受力无关，B、D错误，C正确。
3.答案：B
解析：光滑水平面无阻力，绳子断开后小车不受力，根据牛顿第一定律，小车将保持原来的运动状态，继续做匀速直线运动，B正确。
4.答案：①铅球和手原来一起向前运动；②铅球离开手时，手的运动状态改变（停止向前推铅球）；③铅球由于惯性，保持原来的向前运动状态；④因此铅球离开手后还能继续向前运动。
（二）能力提升题答案与解析
5.答案：B
解析：A、C、D均利用惯性解释（物体保持原有运动状态）；B是由于重力作用，苹果下落，与惯性无关，B正确。
6.答案：A
解析：火车和小球原来一起做匀速直线运动，小球释放后，由于惯性，水平方向保持与火车相同的速度，竖直方向受重力下落，因此落在释放点的正下方，A正确。
7.答案：E
解析：拉力和摩擦力大小相等、方向相反，是一对平衡力，物体所受合力为零，等效于不受力。根据牛顿第一定律，物体将保持原来的运动状态——若原来静止则继续静止，若原来运动则做匀速直线运动，因此运动状态可能是静止或匀速直线运动，E正确。
8.答案：①冰雪路面光滑，汽车受到的阻力小，根据“阻力越小，运动状态越难改变”，汽车刹车时滑行距离远，易发生事故；②防滑链能增大轮胎与路面的粗糙程度，从而增大阻力；③阻力增大后，能更快改变汽车的运动状态（缩短刹车距离），避免因惯性导致的事故。核心是利用阻力改变运动状态，弥补冰雪路面阻力不足的问题。
（三）拓展创新题答案与解析
9.答案：航天员的惯性不会消失。理由：惯性是物体的固有属性，仅与质量有关，航天员的质量不变，惯性大小不变。太空中利用惯性的例子：①航天员在舱内移动时，推开舱壁后，由于惯性会匀速运动到目标位置；②航天器对接时，先让两航天器以相近的速度运动，利用惯性保持相对稳定，再进行精准对接；③抛出工具时，工具由于惯性会沿直线运动，航天员可根据反作用力调整自身位置。
10.答案：（1）实验器材：两个质量不同的小球（如乒乓球和铁球，质量差异大）、相同的斜面、刻度尺、挡板。（2）实验步骤：①将斜面固定，让乒乓球从斜面的同一高度由静止滚下，记录小球在水平面上滑行的距离；②换用铁球，从斜面的同一高度由静止滚下，记录滑行距离；③重复实验3次，取平均值。（3）实验现象：铁球（质量大）滑行的距离比乒乓球（质量小）远。实验结论：在初速度相同的情况下，质量越大的物体，惯性越大（滑行越远说明阻力对其运动状态的影响越小，惯性越大）。（4）控制变量：①斜面的倾角和高度（保证小球到达水平面的初速度相同）；②水平面的粗糙程度（保证阻力大小相同）；③小球的释放方式（均由静止释放）。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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