伽利略的理想实验与牛顿第一定律

课题：§4-1伽利略的理想实验与牛顿第一定律

一、教材分析

牛顿运动定律是整个力学体系的基石，而牛顿第一定律又是这个“基石”中的“基石”，它定性地揭示了力和运动的关系，提出惯性的概念，为定量研究力和运动的关系拉开了序幕。

高中教材与初中相比，主要有四方面的不同。

一是定律内容深浅不同：初中教材叙述为“一切物体在没有受到外力作用的时候，总是保持静止状态或匀速直线运动状态”；高中教材叙述为“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”。高中教材中的表述具有更为丰富的内涵，它强调了力是改变物体运动状态的原因，突出了第一定律的独立性和重要意义，也为学习牛顿第二定律做了一定的铺垫。

二是惯性的认识层次不同：初中强调一切物体都有惯性，高中侧重惯性与质量的关系。

三是实验的设计、探究及思维深度不同：初中为斜面小车实验；高中为伽利略理想实验，突出了理想实验这种科学方法的价值所在。

四是情感、态度、价值观的体现不同：初中对牛顿第一定律建立的历史一语带过，高中教材回顾了历史，让学生体会一个规律的获得是一代又一代人努力的结果，能够激发学生追求科学，勇于创新的情感。

二、学情分析

经过初中的学习，学生初步知道了牛顿第一定律的内容和惯性的概念，但是缺乏对牛顿第一定律建立历史的了解，对内容也是一知半解。

学生对于“质量是惯性唯一的量度”更是缺乏认识，凭借自己的生活经验，认为速度也是惯性的量度。教师要在课堂上充分引导，配合实验、结合生活事例来澄清概念。

教学实践表明，学生在头脑中建立正确的力和运动关系的过程，并非一帆风顺，常常形成与亚里士多德相似的观点，且根深蒂固。处理具体的实际问题时，一些直觉的错误观点不时冒出来，存在着严重的"口是心非"问题。

三、教学重难点

1．教学重点：通过回顾历史探究过程理解牛顿第一定律；惯性的理解。

2．教学难点：力和运动的关系；惯性和质量的关系。

四、教学活动设计

（一）创设游戏，引入课题

吹书游戏

将物理书翻开一页，用手拿处书，让一这一页纸竖直下垂，用嘴对这一页纸吹气并观察现象；然后将刚才下垂的一页纸捏在手上，让物理书的剩余部分自由下垂，象开始那样对下垂部分吹气。比较这两种情况，哪一种更容易吹动？

请大家想一想：为什么是这样一个结果呢？怎样解释我们的游戏呢？其实，在我们的游戏中还涉及到一个古老的话题──力和运动：用力吹气，书的下垂部分会运动起来。运动和力之间到底有什么关系呢？带着这些问题，我们一起来体验古人的探究过程，学习古人的探究方法，进一步理解论述运动和力关系的牛顿第一定律。

（二）回顾历史，探究定律

1．情景设问，经验猜想

演示实验1：（人教版）

将小车由斜面的某一高度下滑，小车在水平上运动一段距离后停下

然后再举生活实例：马拉车则车前进，不再拉，前进的车会停下来；人象推车则车前进，不再推，前进的车会停下来；踢球，球沿草地向前滚动，不再踢，滚动的球会慢慢停下来。

思考：生活实例告诉我们运动和力之间有什么关系呢？

最早提出这个问题并给出经验猜想的是古希腊学者亚里士多德。

他根据生活生产经验猜想：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止在一个地方。运动需要力维持。

他的观点来自实际经验，还能用实际经验验证，所以被人们广泛接受，并维持了近两千年。

设问：我们现在知道，他的观点是错误的。物体会停止运动不是因为没有力来维持，而是受到了摩擦阻力的作用。那么他有贡献吗？

亚里士多德的贡献：开创了一个新的研究领域。

首先质疑并深入研究的是十六世纪的伽利略。

2．质疑假设，科学猜想

演示实验2：（人教版）

在实验1的基础上，让小车每次都从斜面的同一高度处下滑，分别滑上毛巾表面，木板表面和玻璃表面，观察比较小车运动的情况。

提问：（1）小车为什么每次在水平面上滑行都会停下来？（因为受到摩擦阻力）（2）为什么在木板上滑行得较远，在玻璃上能滑行得更远？

（因为在玻璃表面摩擦阻力更小）

结论：如果小车在水平面不受阻力，将在水平面一直运动下去，永远不会停止。

在伽利略之前，人们还没有意识到摩擦力这种无形的力，伽利略是第一个意识到摩擦力的人。

过渡：伽利略设计了一个双斜面实验。

3．实验探究，得出结论

（1）双斜面实验（粤教版）

左斜面固定，右斜面倾角可变。实验中我们设定小球始终从左斜面定位卡处由静止释放。

①固定右斜面，改变小球所受的摩擦，观察小球上升的最大高度怎样变化。重复一次。

思考：

1．小球所受摩擦阻力的大小与小球上升的最大高度之间有什么关系？

2．摩擦阻力的大小与释放点到上升的最高点的高度差是什么关系？

3．如果没有摩擦，小球会上升到多高的地方？

②减小右斜面倾角，观察小球沿斜面运动的最远距离怎样变化。重复一次。

思考：

1．减小右斜面倾角，小球沿斜面运动的最远距离如何变化？

2．如果没有摩擦，减小右斜面倾角，沿斜面滚动的最远距离怎样变化？小球将上升到多高的地方？

③将右斜面放平，释放小球，观察小球的运动。

思考：

1．如果水平木板足够长，小球会停下来吗？

2．如果没有摩擦，水平木板足够长，小球将滚到哪里去呢？

实验事实逻辑推理（无摩擦，右斜

面足够长）

右斜面固定摩擦越小,球滚得越高球将滚上原来的高度

减小右倾角球沿斜面滚得越远球沿斜面滚得越远，一直

滚到原来的高度

放平右斜面球滚得最远球将一直滚动下去

过渡：现在通过动画来模拟没有摩擦阻力时小球的运动。我们为动画配了一段话剧。

（2）动画模拟

过渡：伽利略的双斜面实验是一个理想实验。

（3）理想实验的魅力：（粤教版）

实验（事实）+逻辑推理

通过可靠的实验事实，加上合理的逻辑推理，得出规律的一种方法。

理想实验的魅力：实验不能实现的地方，思维向前一步。

这种方法非常了不起！爱因斯坦是这样评价的：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开端。这个评价实事求是，从亚里士多德到伽利略，经历了2000多年，物理学徘徊不前；从伽利略到爱因斯坦，只经历300多年，物理学的大厦初步建立，大师辈出。这都得益于伽利略首创的实验研究方法。

过渡：通过双斜面理想实验，伽利略得出了结论。

（4）伽利略：若没有摩擦阻力，沿水平面滚动的球将永远滚动下去。运动不需要力维持。

回顾、思考：

①静止的车、足球为什么运动起来？

②运动的车、足球为什么会停下来？

③力和运动之间有什么关系？

力是改变物体运动状态的原因。

设问：运动状态是用什么物理量描述？

车由静止变为运动，受到了推、拉力；由运动变为静止，受到了摩擦阻力。足球由静止变为运动，受到了脚的力；由运动变为静止，受到了草地的摩擦阻力。

过渡：与伽利略同时代的法国科学家笛卡尔对他的观点进行了补充。

4．补充完善，形成定律（人教版）

（1）笛卡尔的补充：除非物体受到力的作用，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。这应成为一个原理，它是人类整个自然观的基础。

笛卡尔补充了物体不受力时保持静止状态或匀速直线运动状态。

过渡： 1642年，伽利略逝世，1643年牛顿在英国诞生。牛顿是人类历史上最伟大的科学家之一。主要贡献有发明了微积分，发现了万有引力定律和经典力学，设计并制造了第一架反射式望远镜等等。

牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中提出了三条运动定律。牛顿把伽利略、笛卡尔的正确结论总结成为牛顿第一定律，它是牛顿物理学的基石。

（2）牛顿第一定律：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。

过渡：现在我们来理解定律。

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（三）理解定律，了解惯性

思考：牛顿第一定律中论述的运动和力的关系是怎样的？

1．运动和力的关系：力是改变物体运动状态的原因。

物体不受力，保持匀速直线运动状态或静止状态；运动状态变化，物体一定受到力的作用。

思考：物体不受力时“总保持匀速直线运动状态或静止状态”，这能不能通过实验验证呢？

不能。由于不受力作用的物体是不存在的。许多阻力很小的现象可以帮助我们理解牛顿第一定律。

2．阻力很小的现象：冰壶

从视频可以看出，冰壶在一段时间内速度的大小和方向几乎不变，直到碰上另一个冰壶。

结论：没有外力作用在物体上是一种理想状态，生活中物体所受外力的合力为零的现象可以等同物体不受外力作用。

思考：定律中还论述了什么呢？

3．惯性：

①概念：物体保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质。

设问：一切物体都有惯性。做变速运动的物体有惯性吗？

当物体做变速运动时，由于惯性，物体会抵抗速度的改变，从而使速度的改变需要一段时间。比如汽车紧急刹车时不会立即停下来，而是继续向前滑行一段距离。

运动的物体的惯性表现为总想保持这个速度做匀速直线运动，而静止的物体的惯性表现为总想保持静止状态不动

生活小笑话：在公共汽车上，由于汽车刹车，一男士站立不稳，向前撞到一女士，男士连忙向女士解释：“对不起，这是惯性”，该女士听后大怒，：“你这个流氓，原来你一惯都是这样的”，男士听后百口难辩，很无奈。请你帮这位男士从物理学角度更详细地解释一下。

应用惯性解释生活现象：（1）用铁铲向车厢内送沙子的现象（2）司机和前排的乘客为什么要系安全带？

②一切物体有惯性，有抵抗运动状态变化的“本领”。

物体惯性大，“本领”大，运动状态难改变；物体惯性小，“本领”小，运动状态易改变。

比如：打乒乓球时，球被拍子轻轻一挡就弹回去了，说明乒乓球的运动状态容易改变，保持原来运动状态的本领小，也就是惯性小。追问：如果此时飞过来的是一个铅球，你能用球拍挡回去吗？（很难挡回去，其实根本就不敢挡）为什么？

因为铅球的运动状态很难改变，惯性大。

归纳：你能由这些生活实例得出，惯性的大小与什么有关？（质量）

过渡：战斗机在进入战斗状态时要抛掉副油箱，解释原因。

③惯性与质量：质量是惯性大小的唯一量度。

质量越大，物体的惯性越大；质量越小，物体的惯性越小。

过渡：请解释课前吹书的游戏。

（五）课堂总结，课外探究

1．了解了运动和力关系的探究过程。

在探究过程中，亚里士多德是开拓者。伽利略首创了理想实验方法；笛卡尔补充了伽利略的观点；牛顿提出了惯性、力、惯性参考系的概念。

2．体会了理想实验的魅力：实验（事实）+逻辑推理

3．深入理解了牛顿第一定律，知道了质量是惯性大小的量度。

4．后来爱因斯坦等科学家又进一步发展了牛顿第一定律。没有哪一个定律是终极真理，物理学的大厦永不封顶，还等待你们为它添砖加瓦！

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伽利略的理想实验与牛顿第一定律教学反思

佛冈中学黄善初

一、做好实验是关键，通过实验，既能为学生提供生动具体的感性形象，又能培养学生的实验观察能力及实事求是的科学态度。该实验是让同一小车从同一高度沿斜面滑下，分别滑到铺有毛巾、棉布和光滑木板的平面上，做该实验之前，应让学生思考两个问题：一是为什么要用同一小车从同一高度沿斜面滑下？二是毛巾、棉布、木板这些不同表面对同一小车的摩擦阻力有何影响？并指明让学生观察的内容，这样学生对该实验的目的、方法及注意的问题就会十分清楚，也就能把握关键抓住要害，结合实验，学生就会兴趣盎然，形象深刻，记忆牢固，思维活跃，取得实效。

二、想象推理是桥梁，学生通过实验直接得到的只是具体的感性认识，要上升为理性认识，还需要教师的启发引导，通过学生的想象、思维，加以推理来实现，从而使学生的思维能力得以培。实验结果是表面越光滑，小车速度改变的就越缓慢，它运动的距离就越长，教师在这直接经验的基础上，层层深入，提出问题，引导学生思考解决。若表面逐渐光滑，直到没有摩擦时，小车速度的改变及前进的距离将如何？学生会很顺利地得出，若表面绝对光滑，阻力为零时，小车将以恒定不变的速度永远运动下去，这就是伽利略的观点。教师再进一步提问，小车不受阻力，速度大小不变，方向会改变吗？学生也会肯定方向不变，这也就是法国科学家笛卡儿对伽利略结论的补充发展。牛顿在前人研究成果的基础上，对运动的物体不受外力以及静止的物体不受外力这两种情况作了总结概括，得出牛顿第一定律，这样的过程就是引导学生想象推理的过程。然后说明该定律是在大量事实基础上，经过实验，并接受住了实践的检验。对定律中“没有受到外力作用”的实际含义作何理解给予解释，实现难点的突破。这样的教学过程，我认为具有如下几个方面的作用，首先，符合学生的认识规律，以直接经验为基础，阶梯上升、逐渐深化，使认识从感性上升到理性，体现了对学生思维能力的培养。其次，真实地反映了知识产生发展的历史过程，人类对知识的创造和发展，都需要付长期的艰辛劳动，从而培养学生进行创造发明远大理想和坚定不移的意志品质。第三，培养了学生“真理来源于实践，实践是检验真理唯一标准”的辩证唯物主义思想。第四，更重要是突出地体现了解决物理问题的思路和方法。物理

学中很多的概念和规律都是在对物理事实的分析概括中得出的。学会这种方法将受益终身。总之，这样的教学程序把传授知识、培养能力、进行情感思想教育有机地结合起来，效果良好.

三、关于惯性现象的解释，对理解掌握牛顿第一定律起着深化的作用。物体都有惯性，在日常生活中物体惯性的表现，我们会经常遇到。例如，物体抛出后能继续飞行，是物体惯性的表现。物体在飞行过程中速度大小及方向会发生改变，是由于物体受到重力及空气阻力作用的结果。客车突然加速或减速时，乘客身体要向后或前倾。对此类现象进行解释，就把理论与实际紧密联系起来，既解释了实际现象，又深化了对理论的理解。树立了理论联系实际的良好学风。

综上所述，在牛顿第一定律的教学中，尽管所包含的知识点比较单一，其中却包含着深刻而丰富的教学思想及方法。作为物理教师要深入挖掘教材，发挥教学的综合效益，取得最佳教学效果。

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