4.1 牛顿第一定律(教案)

§4.1 牛顿第一定律（教案）一、教学目标1．在物理知识方面学习牛顿第一定律的内容，正确理解力跟物体运动的关系，掌握惯性的概念．2．对客观事物的正确认识需要人们经过由表及里，由片面到全面长时间的认识过程．通过本节的学习要让学生建立起正确的认识论的观点，同时体会到人们认识世界的长期性和艰巨性．3．物理实验是科学研究的方法，对实际问题做出合理的抽象，进行理想实验的研究正是伽利略得到力与物体运动正确关系的基础．我们要学习这种科学抽象的方法，并把它用到今后的物理研究中去．二、重点、难点分析1．本节的重点是正确认识物体运动跟力的关系，在物体不受力的情况下，应保持匀速直线运动状态或静止状态．通过对牛顿第一定律的学习，加深对惯性概念的理解．2．生活常识使人们对力和运动的关系形成了不正确的认识，通过教学要让学生们克服传统观念，形成正确的认识，需要下一定的功夫．三、教具1．说明伽利略理想实验的装置，自制导轨和小球．2．说明物体在不受阻力下做匀速直线运动的气垫导轨和滑块．3．演示惯性的小车和木块．四、主要教学过程(一)引入新课介绍本章的地位：在第一章我们学习了物体在静止或匀速直线运动状态下的受力问题，这时物体处于平衡状态，所受的力为平衡力．这部分内容在物理学中叫做静力学．第二章研究了物体在直线上的运动，包括匀速运动和变速运动．在变速运动中重点讨论了匀变速直线运动．这部分内容在物体学中属于运动学．在前边两章知识的基础上，我们在第三章里来研究运动和力的关系．这部分知识的基础是牛顿第一定律和第二定律．这部分内容在物理中属于动力学．学习动力学的知识后，可以在知道物体受力情况后确定物体的运动状态；在知道物体的运动状态的情况下，可以确定它的受力情况．动力学的知识在科学研究和生产实际中有着非常广泛的应用，如研究交通工具的速度问题，天体的运动问题等．我们从牛顿第一定律开始．(二)教学过程设计板书：一、牛顿第一定律实验：在桌上放着一本物理书，它是静止的，怎样才能让它运动起来呢？要用力去推它．从这个例子可以看出物体要运动，需要对它施加力的作用．力是使物体运动的原因吗？这是一个运动和力的关系问题．这个问题在2000多年前人们就对它进行了研究，下面我们来回顾一下历史．一、历史上人类对运动与力的关系的认识2000多年前，古希腊哲学家亚里斯多德根据当时人们对运动和力的关系的认识提出一个观点：必须有力作用在物体上，物体才能运动．这种观点的提出是很自然的．我们从周围的事情出发，如当拉着玩具小车前进的时候，给人的直接体验是：只有用力拉小车，小车才会前进；停止用力了，小车就会停下来；用力大的时候，小车就运动得快些；用力小的时候，小车就运动得慢些；往哪个方向用力，玩具小车就向那个方向运动等等，好像没有力的作用，物体运动不可能维持，力决定着物体运动的快慢，还决定物体运动的方向。

人们的直观感觉虽然是外界事物的真实反映，但它具有片面性和表面性，根据直接观察所得出的直觉的结论不是常常可靠的，因为它们有时会引到错误的线索上去，然而人们不能毁灭了直觉的观点还是凭直觉来看问题，错误直觉印象在人脑中有很深的潜意识，形成思维定势．因此亚里士多德的观点统治了人们的思维两千多年。

直到17世纪，意大利科学家伽利略才指出这种说法是错误的，他分析到：运动的车停下来是由于摩擦力的原因，运动物体减速的原因是摩擦力．伽利略提出了自己的看法，他指出：物体一旦具有某一速度，没有加速和减速的原因，这个速度将保持不变．这里所指的减速的原因就是摩擦力．为了证实结论的正确，他设计了一个理想实验：实验：伽利略曾注意到，当一个球从一个斜面上滚下而又滚上第二个斜面时，球在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等。

伽利略断定高度上的这一微小差别是由摩擦而产生的。

如果能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等。

然后他猜想，在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜度多么小，球在第二个斜面上总要达到相同的高度。

最后，如果第二个斜面的倾斜度完全消除了，那么球从第一个斜面上滚下来之后，将以恒定的速度在无限长的平面上永远不停地运动下去，如图4—1所示。

这个实验是无法实现的，因为永远也无法将摩擦完全消除，也没有而得到的结论，却打破了自亚里士多德以来长时期的错误观念，为近代力学的建立奠定了基础。

图4—1伽利略的理想实验是在可靠事实的基础上进行抽象思维的一种科学推理，科学研究中的一种重要方法，在自然科学的研究中有着重要的作用，它可以深刻揭示自然规律，被爱因斯坦誉为“是人类思想史上最伟大的成就之一”，伽利略也之无愧地成为动力学的创始人，实验科学的奠基人。

法国科学家笛卡尔补充和完善了伽利略的论点，提出了惯性定律：如果没有其它原因，运动的物体将继续以同一速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向．伽利略和笛卡尔对物体的运动作了准确的描述，但是没有指明原因是什么，这个原因跟运动的关系是什么．牛顿总结了前人的经验，指出了加速和减速的原因是什么，并指出了这个原因跟运动的关系，这就是牛顿第一定律．二、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，直到有外力迫使它改变这种状态为止。

2.理解：（1）明确了惯性的概念：定律的前半句话“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态”，揭示了物体所具有的一个重要的属性—惯性，即物体保持匀速直线运动状态或静止状态的性质，牛顿第一定律指出一切物体在任何情况下都具有惯性.因此牛顿第一定律又叫惯性定律.（2）揭示了力和运动的关系：定律的后半句话“除非作用在它上面的力迫使它改变这种运动状态”，实质上是揭示了力和运动的关系，即力是改变物体运动状态的原因，而不是维持物体运动的原因.（3）反映了物体不受外力时的运动状态：匀速直线运动或静止（即原来运动的保持其速度不变；原来静止的保持静止）.不受外力作用的物体是不存在的，但物体所受外力的合力为零与不受外力在效果上是等效的，这就使牛顿第一定律具有了实际意义.（4）牛顿第一定律是物体不受外力作用时的运动定律，所描述的物体不受外力的状态是一种理想化的状态，因为不受外力作用的物体是不存在的，所以牛顿第一定律不能用实验验证，其正确性可通过由它推导出的结论与实验事实完全一致而得到证明。

定律的实际应用场合是物体所受合外力为零，物体在某方向上不受外力或在某方向上受平衡力作用时，该方向上保持静止或匀速直线运动状态的情况是普遍存在的。

三、惯性：1、定义：物体具有的保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质2.理解：①普遍性：一切物体都具有惯性，惯性是物体的固有属性。

②无关性：任何物体在任何情况下都具有惯性，惯性的大小只由物体本身的特征决定，与物体的运动状态及是否受力无关。

③唯一性：质量是惯性大小的唯一量度。

④不可克服性：惯性是不能被克服的，但可以利用惯性做事或防止惯性的不良影响。

⑤表现形式：ⅰ：在不受力情况下，惯性表现出“保持”原来的运动状态，当物体原来静止时，它一直“想”保持这种静止状态；当物体运动时，它一直想从那一时刻的速度做匀速直线运动。

有“惰性”的意思。

⑥惯性不是一种力：ⅰ惯性是物体保持原来运动状态的性质，是物体本身的属性，而力是物体对物体的作用，ⅱ惯性的大小决定于物体本身质量的大小，力的大小决定于物体之间相互作用的强弱。

ⅲ力是改变物体运动状态的原因，而惯性却是要保持原来的运动状态不变。

⑺不要把惯性概念与惯性定律相混淆。

惯性是万物皆有的保持原运动状态的一种属性，惯性定律则是物体不受外力作用时的运动定律，当有力作用时，物体运动状态必定改变。

ⅰ惯性是物体固有的、基本的属性，而惯性定律则是涉及物体运动的一条动力学规律。

ⅱ惯性与物体是否受力及物体的运动状态无关，物体不受外力时惯性表现为物体保持匀速直线运动状态或静止状态，受外力时惯性表现为物体运动状态改变的难易程度不同；而牛顿第一定律则是有条件的，其成立的条件是物体不受外力的作用。

ⅲ惯性的大小决定于物体的质量，而牛顿第一定律所描述的物体的匀速直线运动状态或静止状态，则决定于物体是否受力，决定于是否有力迫使它改变这种状态。

四、惯性参考系和非惯性参考系本节教材的“科学漫步”栏目介绍了惯性参考系和非惯性参考系。

从不同的参考系进行观察，对同一事件可以得出不同的认识。

当我们以地面为参考系时，可以运用牛顿定律来考虑问题，我们称这种“牛顿定律能够适用的参考系”为惯性参考系。

当我们以做变速运动的起重机为参考系时，则不能直接应用牛顿定律来处理问题，我们称这种系统为非惯性参考系。

非惯性参考系不仅限于变速升降系统，我们再举两个常见的例子：在加速前进的车厢中的观察者，看到一个光滑小球会自动地加速后退，而没有发现它受到产生加速度的力；在转动圆盘上的观察者，看到光滑小球会自动离心而去，并没有发现使它远离圆心的力。

人们为了使牛顿定律也能应用于非惯性参考系而引入了“惯性力”的概念。

它不是由于物体间的相互作用而产生的力，而是为了描述非惯性参考系的变速运动的性质而引入的假想的力。

例如，前进中的车辆骤然停止时，在惯性参考系中的观察者看来，车厢中的乘客没有受到外力，而由于惯性仍然向前运动；但车内乘客却觉得自己好像受到一个力，使自己向前倒去，这个力就是“惯性力”。

为了与“惯性力”相区别，我们把物体间相互作用的力称为“牛顿力”。

在非惯性参考系中用牛顿定律处理问题时，不但要考虑“牛顿力”，还要考虑“惯性力”。

亚里士多德简介亚里士多德（前384—前322年），古希腊斯吉塔拉人，世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家之一。

公元前367年仲夏的一天，一个穿着讲究的青年来到雅典柏拉图学园，拜柏拉图为师。

他的到来在学生中引起了一阵骚动。

他态度温和、举止文雅、彬彬有礼，是个地道的富家贵族子弟。

更使同学们惊奇的是，这位年仅十七岁的青年上知天文、下知地理、博古通今、才华横溢，连他的老师柏拉图也惊叹不已。

他就是后来对欧洲文化产生深远影响的大思想家亚里士多德。

亚里士多德出生于显赫的家庭，他的父亲是马其顿国王的御医。

受父亲的影响，他从小就对医学、解剖学、生物学很感兴趣。

在柏拉图学园，他勤奋学习，博览群书。

虽然亚里士多德敬佩柏拉图，但从不盲目崇拜，他常常对老师的观点提出异议。

柏拉图认为人的理念才是最真实的存在，我们看见的事物是我们脑子里的想象的模仿。

当时所有的学生都当作真理，没有人怀疑过他。

亚里士多德向老师提出了疑问：“一本实实在在存在的书，看得见，摸得着，怎么就不是真实的呢？” 别的同学都嘲笑他说：“你怎么能怀疑老师的观点呢？要知道老师是绝对正确的，你这样做对老师非常的不尊敬！”亚里士多德摇了摇头，坚定地说：“我爱我师，但我更爱真理”。

但这并不代表他不爱他老师。

在柏拉图学园，亚里士多德一学就是二十年，直到柏拉图死后，才离开雅典。