1. 牛顿第一定律优秀教学实录

《牛顿第一定律》教学设计

夏祖荣

一、

教学设计思路

“牛顿第一定律”是学生在初中学习过的内容，在高中阶段没有得到应有的重视，有的老师甚至一带而过，这直接导致了部分学生对牛顿第一定律的理解出现偏差。对于力和运动的关系认识，不少学生虽然能一字不错的背出牛顿第一定律的内容，但在分析实际问题时，一些直觉带来的错误观点就会不时冒出来，比如看到物体在运动，就认为它一定受到力的作用，一旦撤去外力，运动的物体就会停下来等等。为了消除学生脑海中的错误前概念，必须加强初高中的教学衔接，帮助学生初步建立科学概念。初中教材停留在认识的层次：牛顿第一运动定律揭示物体不受力时的运动规律。高中教材突出牛顿第一定律的建立过程，在实验设计上“重演”了伽利略理想斜面实验，突出科学推理的重要作用。在对定律内容的表述上，高中教材具有更丰富的内涵，它强调了力是改变物体运动状态的原因，突出了牛顿第一定律的独立性，也为牛顿第二定律做了一定的铺垫，以便在学生头脑里建构一个系统的、完整的动力学理论。

“对话·体悟”式教学以问题为引领，要求学主动参与，涉及教师与学生的关系以及教学对话，主要是指学生基于原本生活经验及学习基础，在主题交互中，情感、思维和行为自觉地融入教学活动中，实现认识和情感的全面参与①。本设计紧紧围绕牛顿第一定律的产生过程，让学生作为研究力和运动关系的“参与者”，经历问题解决的过程，在该过程中体会科学方法、锻炼思维能力、提升物理核心素养，以期更好地达成课堂教学目标。

牛顿第一定律是牛顿力学的基石，本节课的重点是牛顿第一定律的得出，正确形成惯性概念是教学的难点。

二、教学过程

（一）新课引入

撕纸游戏。

【投影】猜一猜：

1.一张纸已剪成三截，但未完全剪断。如果迅速用力撕两边，纸会断成几截？

2.如果在中间的纸下面夹一个夹子，然后迅速撕两边，纸会断成几截？

【学生活动】学生体验撕纸游戏。

【教师引导】怎样解释撕纸游戏呢？其实这个游戏中蕴含了一个古老的话题——力与运动的关系。我们用力撕纸，纸断开开始运动。那么力和运动之间有怎样的关系呢？带着问题我们一起来回顾一下前人对力和运动关系的探究历程。

设计意图：小游戏的设置能引起学生探求物理知识的兴趣，同时为惯性的学习埋下伏笔。

（二）新课教学

1.历史的回顾

演示：用力推木块，木块就会运动，而撤去外力，木块就会停下来。

【教师】生活直觉告诉我们：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。这就是亚里士多德关于力和运动的观点，即力是维持物体运动的原因。你是否同意这一观点？

请举例说明。

【学生】如果把木块换成小车，给小车施加一个外力，撤去外力后，小车要继续运动一段时间才停下来，说明小车的运动并不需要力来维持，亚里士多德的观点是错误的。

【教师】撤去外力后，木块很快停下来，小车运动一段时间才停下，是什么原因造成的？

【学生】物块和小车所受的摩擦阻力不同。

【教师】运动的物体如果不受阻力，将会怎么运动？

【学生】一直运动下去。

设计意图：用学生熟悉的生活现象引入亚里士多德的观点，并让学生自己举例来反驳他的观点，分析得出导致物体停下的原因，恰恰是摩擦阻力的存在，引起学生对直觉经验的反思。

【教师】今天我们很容易发现亚里士多德的观点是错误的，但在当时，他的观点比较符合人们的日常经验，统治了人类思想将近2000年。直到300多年前，伽利略通过自己的观察和思考，对亚里士多德的观点提出了大胆的质疑，伽利略的观点是什么？

【学生】伽利略认为，在水平面上运动的物体之所以会停下来，是因为受到摩擦阻力的缘故。

【教师】伽利略的伟大之处在于他认识到摩擦阻力对于运动的影响，为了证明自己的观点，伽利略设计了著名的理想斜面实验。

图1

【教师】投影展示理想斜面意图，引导学生思考：在A斜面某一特定位置处释放小球，小球在B斜面上会冲到原来的高度吗？

【学生】小球不会冲到原来的高度，因为存在摩擦力。

【教师】如果斜面光滑，结果怎样？

【学生】小球沿着光滑的斜面会上升到原来的高度。

【教师】如果斜面的摩擦力越小，小球上升的高度就越接近原来的水平高度，这是实验事实，依据这一实验事实，我们可以做出科学推理：如果摩擦力非常小，甚至没有摩擦，小球将会非常接近甚至到达原来的高度。

【教师】继续减小B斜面的倾角，小球又将运动到哪里？

【学生】小球仍会上升到原来的高度，但走过的路程更远了。

【教师】如果把B斜面变成水平，且无限长，小球又会怎么运动？

【学生】小球还想要达到原来的高度，只能沿着水平面永远滚下去。

【教师】让我们来演示伽利略斜面实验，体验理想实验的魅力。

【教师】这个实验能说明力和运动有什么样的关系？

【学生】物体的运动不需要力来维持。

【教师】伽利略理想斜面实验以可靠的事实为基础，抓住事物的本质，忽略次要因素，展开合理的想象，深刻的揭示了自然规律，这是科学研究中一种重要的方法。只要我们勤于思考，善于想象，我们也可能有了不起的发现！

设计意图：在伽利略所处的时代，没有摩擦的条件是难以实现的，因此无法通过实验验证，而他大胆质疑权威，提出假设，进行实验并合理外推，从而得出结论，体现了科学家的创造性思维。伽利略理想斜面实验，对于培养学生的科学思维、提升实验探究能力有着重要意义。

【教师】伽利略的实验得到爱因斯坦的高度评价，为什么我们没有把他的观点称之为“伽利略定律”呢？我们来看与伽利略同一时代的法国科学家笛卡尔的总结。

【学生】笛卡儿指出：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。

【教师】牛顿在这些前人研究的基础上总结出力和运动的一条基本规律，叫牛顿第一定律。

【教师】关于力和运动的关系，前人的观点不尽相同，但他们对待科学的态度都是值得我们学习的。亚里士多德的观点是错误的，但他有没有贡献呢？

【学生】亚里士多德开创了力和运动关系的研究课题，我们要学习他乐于探究的科学精神。

【教师】伽利略有什么伟大之处？

【学生】伽利略在权威面前敢于质疑，并且创立了“理想实验+科学推理“”的研究方法。

设计意图：力和运动的关系是一个看似简单却蕴含深刻思想方法的课题，人类用了上千年的时间才逐渐弄清楚。在讨论中，学生不仅获得了物理知识，更能感受到科学结论的得出绝不是一蹴而就的，充满着艰辛，并体悟科学之美。

2.牛顿第一定律

【教师】牛顿第一定律又叫惯性定律，它的内容是什么？

【学生】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。

【教师】同学们在初中已经学习过牛顿第一定律，回忆一下初中教材是如何表述牛顿第一定律的？

【学生】一切物体在在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。

【教师】高中为什么还要继续学习牛顿第一定律？对比一下这两种表述，大家对牛顿第一定律还有什么进一步的理解和体会呢？

设计意图：牛顿第一定律是初高中知识的衔接点，也是运动学和动力学的结合点，起到承前启后的重要作用。通过回忆初中所有的内容，并且思考高中继续学习牛顿第一定律的意义，引起进一步学习的兴趣。

【教师】牛顿第一定律的前半句告诉我们什么？

【学生】表明了物体的运动不需要力来维持，揭示了物体在不受外力时的运动状态。

【教师】“总”表明什么？

【学生】每个物体都要保持静止或匀速直线运动状态。

【教师】每个物体都具有的性质，当然是物体的固有属性，就像每个物体都具有质量一样，牛顿把它称之为惯性，因此牛顿第一定律又称之为惯性定律。

【教师】牛顿第一定律还有一句话——直到有外力迫使它改变这种状态为止，请问力的作用是什么？

【学生】力不是维持物体运动的原因，力是改变物体运动状态的原因。

【教师】“运动状态”改变是指什么？包含哪几种情况？

【学生】“运动状态”改变是指速度发生改变，包括三种情况：

（1）

速度的方向不变，只有大小变化；

（2）

速度的大小不变，只有方向变化；

（3）

速度的大小和方向都发生变化。

【教师】牛顿第一定律纠正了力是维持物体运动的原因的错误观点，正确揭示了力和运动的关系。那么，牛顿第一定律可以用实验直接验证吗？

【学生】牛顿第一定律所描述的物体不受外力的状态，无法用实验直接验证。

【教师】牛顿第一定律虽然无法用实验直接验证，但生活中一些事例可以帮助我们理解牛顿第一定律。让我们观看一段冰壶比赛的视频。

【教师】冰壶在冰面上运动时受到的阻力很小，可以近似看作匀速直线运动。完全理想的情况是难以实现的，但是我们可以在气垫导轨上做一个近似的实验。

图2 【教师】调节轨道水平，使滑块悬浮在气垫导轨上，在导轨的一端给滑块一个初速度，测量滑块依次通过两个光电门的速度。请大家观察光电计时器的示数，有什么发现？说明了什么？

【学生】滑块通过两个光电门的时间几乎相同，说明滑块在水平方向几乎不受外力的情况下做匀速直线运动。

【教师】滑块在气垫导轨上运动时受到的阻力很小，可以认为滑块受力平衡，相当于不受外力，这就间接验证了牛顿第一定律。

设计意图：现代技术为我们提供了阻力很小的设备，借助气垫导轨进行演示实验，模拟了在近似光滑的情况下物体的运动状态，具有较强的视觉冲击力，有助于学生深刻理解牛顿第一定律。

3.惯性及其大小

【教师】牛顿第一定律又叫惯性定律，什么是惯性？

【学生】物体有保持原来运动状态不变的性质，叫惯性。

【教师】牛顿认为惯性是所有物体都具有的属性，我们来做一个演示实验。在烧杯上面放置一个硬纸板，纸板上放一个鸡蛋，用直尺快速击打纸板，注意观察现象。

【学生】鸡蛋落入杯子里了！

【教师】这个实验说明固体具有惯性，那么液体和气体有没有惯性呢？

【演示实验】①扎破水球的瞬间水的状态；②用手轻拍小桶，有烟圈冒出。

【教师】惯性是一切物体的固有属性，惯性可通俗的理解为物体“抵抗”自身运动状态变化的“本领”，不同的物体，这种“本领”是不一样的。那么，物体这种“抵抗”运动状态变化的“本领”大小跟什么因素有关？

【教师】我们来做一个游戏，同学们拿起课本用力吹垂下的封面，然后用手

提着封面用力吹垂下的课本。你有什么发现？

【学生】惯性的大小与物体的质量有关。

设计意图：“吹气”游戏小中见大，人人都能参与，让学生感受身边的现象，学生很容易得出影响惯性大小的因素是质量。

【教师】下面再用实验来验证大家的想法。

【演示实验】（如图）两个质量不同的玩具小车，用绳系好，中间放一个弹簧，剪断绳子，观察小车运动状态的变化情况。

图3 【学生】实验表明，在受力相同的情况下，质量大的物体，惯性大，物体的运动状态较难改变。

【教师】质量是惯性大小的唯一量度。请思考：

问题1：物体是不是只有在静止或匀速直线运动状态下才有惯性？

【学生】物体在任何状态下都具有惯性。

问题2：速度大的物体停下来比较难，所以速度大的物体惯性大？

【学生】在相同情况下，速度大的物体停下来比较难，反映的是速度大的物体停下来所用的时间长，与惯性无关。

问题3：“惯性”是不是就是“惯性定律”？

【学生】“惯性”是物体的固有属性，“惯性定律”是指牛顿第一定律，是物体不受外力时所遵守的一条规律。

问题4：惯性是一种特殊的力吗？当物体受力和不受力时，惯性的表现方式有什么不同？

【学生】惯性不是力，当物体不受力时，惯性表现为保持原来的运动状态不变，当物体受到外力作用时，惯性表现为改变运动状态的难易程度，物体惯性越大，它的运动状态越难改变。

【教师】惯性是一切物体的固有属性，与物体是否受到外力、物体是否运动均没有关系，质量才是惯性大小的唯一量度。

【讨论】在匀速直线行驶的火车上，竖直向上抛出一个小球，小球将落在哪里？

设计意图：通过设置一系列的问题串，让学生在问题的牵引下形成认知冲突，初步排除学生头脑中关于惯性的错误前概念的负面影响，加深对惯性的理解。教学实践表明，让学生在一节课内掌握惯性的概念并非易事，还需要在后续的教学中有针对性的纠正学生可能的错误认识。

【教师】初中阶段，把质量定义为物体所含物质的多少，学习了惯性后，对质量的概念我们如何理解？

【学生】可以从惯性的角度认识质量——质量是惯性大小的量度。

设计意图：物理核心素养，注重学生物理观念的行成，物理观念是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华。以“质量”概念教学为例，高中物理必修1比初中物理上了一个台阶，在这里提出如何理解质量，为今后质量概念的不断深化和丰富埋下伏笔。

【教师】怎样解释撕纸游戏？

【学生】没有夹子,中间纸条惯性很小,静止状态易改变。由于撕开纸条的力左右有差异,所以撕成两截。有夹子,增大了中间的质量,增大了惯性。当迅速撕开两边时,中间仍保持静止状态,所以撕成三截。

设计意图：收尾呼应，学生用惯性知识解决实际问题，真正做到学以致用。

4.课堂小结

牛顿第一定律的内容是什么？学过牛顿第一定律后，你能给“力”下个定义吗？你又是如何理解惯性的？

设计意图：通过课堂小结，学生建立起有关牛顿第一定律的完整的知识体系。

三、教学后记

新一轮课程改革，要求课堂教学以贯彻物理核心素养为导向，以形成物理观念、培养科学思维和培育科学态度与责任为核心，全面培养学生的核心素养②。“牛顿第一定律”是初高中物理衔接教学的一个重要课题，蕴含丰富的情感态度价值观素材，应加以充分利用。

本节课的重点是理想斜面实验的探究推理过程以及对牛顿第一定律的理解。伽利略理想实验不仅仅是告诉我们一个结论，更重要的是传授我们研究物理的思维方法。回顾物理学史，目的是让学生体悟科学探究的曲折和艰辛，激发学生追求科学，勇于创新的情感。本节课围绕牛顿第一定律的产生过程，通过设置问题串，将牛顿第一定律建立过程的关键问题展示给学生。对于牛顿第一定律的理解，通过学生回忆初中所学知识，挖掘定律的丰富内涵，并借助气垫导轨近似验证。惯性概念的教学，设计了具有生活化的演示实验，如高速摄影机拍摄的扎破水球瞬间水的运动状态，生动的展示了液体的惯性。惯性和质量的关系是教学的难点，“吹气”游戏简单易操作，小实验却能说明大问题。

课堂教学是师生共同构建的过程，本节课在教学设计时，注重以学生为主体，尊重学生原有的知识和经验，从学生的认知规律出发，创设可探究的问题情景，让学生做到“口动、心动、手动”，在认真冲突中不断构建自己的知识结构，在相互启发和交流中体悟科学方法，提高思维品质，提升学科素养。