4.1 伽利略的理想实验与牛顿第一定律 教案（粤教版必修1）
三维目标
知识与技能
1.知道伽利略“理想实验”的装置，了解伽利略以事实实验为基础，将实验与逻辑推理相结合的思想方法.
2.知道运动不需要力来维持，力是改变物体运动状态的原因.
3.掌握牛顿第一定律.
4.理解惯性的概念，能具体解释惯性现象，知道惯性只跟质量有关.
过程与方法
1.针对学生对运动的片面认识“物体运动必须有力的作用”实行先破后立的方法.
2.学生亲身体会以实际实验为基础，将实验与逻辑推理相结合得出结论（运动不需要力来维持）的思想方法.
3.观察惯性现象并进行解释.
情感态度与价值观
1.通过对理想实验的推理，体会科学家进行科学研究时的理想实验法.
2.通过对惯性现象的观察及解释，领会物理与生活的联系.
教学重点 1.理解牛顿第一定律.
2.解释惯性现象.
教学难点 学生从“物体运动必须有力的作用”转变到“运动并不需要力来维持”.
教学方法 探究式、启发式.
教学用具 多媒体课件
气垫导轨装置、伽利略针和单摆实验装置.
课时安排 1课时
教学过程
导入新课
师 请同学们阅读下面的材料.
重新习惯地球上的生活
据报道，俄罗斯有一位航天员，在太空停留了7个月后回到地球，记者问他回来后有什么特别的感受，他深有感慨地说：“需要重新习惯地球上的生活.”
他举了几个例子：他们从发射场被送回饭店用餐时，拿起勺子喝汤，会觉得拿的不是一把很轻的勺子，而是一台又大又沉的熨斗；想喝水，拿起杯子喝了几口，手就不自觉地松开了，结果杯子落在地上摔坏了……
这是什么原因呢？因为太空可以看成是一个不受力的环境，在那里拿任何物体都不费劲.航天员在飞船中拿起一个“重物”跟捡起一小片纸屑一样轻松；航天员把水杯、钢笔、纸、照相机等各种物体随手一放，它们就安稳地“浮”在空中；同伴要借用物品，你只需将物品向对方轻轻一推，物体就径直向他“飞”去……航天员在太空中生活较长时间后，习惯了不受力的环境，当他们回到地球上时，仍然保留着太空中的习惯动作，于是就闹了一些小笑话.
不过，在这位航天员的感受中，却蕴含着一个深刻的物理道理，那就是运动和力的关系.
推进新课
师 人类从远古时代就不断地探讨力和运动的关系问题.
师 静止在水平面上的物体，用力去推，物体的运动状态怎样变化?一段时间后撤掉该力，物体的运动状态又如何？
生 静止在水平面上的物体，用大小不同的力去推;当推力较小时，物体保持静止；当推力足以克服阻力时，物体运动；一段时间后撤走该力时，物体速度越来越慢，最终停下来.
师 根据以上的例子，思考“运动一定需要力来维持吗”？四人为一组讨论交流自己的看法.
(学生活动：讨论并交流看法.5分钟后各组派一个代表发言)
组1：需要.因为用力推物体它才能运动，而撤走了这个力物体最终会停下，所以，运动必须用力来维持.
组2：不一定，按照生1的说法，运动一定需要力来维持的话，撤走了力，物体应该立刻停下才对.
组3：例如出手的保龄球，已经没有再受到手的推力，但仍然向前运动，因此物体的运动不一定需要力的作用.
师 同学们的结论都源于我们对生活的感性认识，谁的观点才是正确的呢？我们都知道，撤走对物体施加的力以后，物体确实需要运动一段距离才能停下.那么我们用什么办法可以增大这个距离呢？并猜想一下，什么情况下这个距离会是最大的呢？
生 减小摩擦的方法；当摩擦越小时，停下前经过的距离就会越大；当摩擦力最小，也就是达到理想状况——光滑的时候，它永远都不会停下来，这时的距离是无限大的.
师 撤走外力后物体会停下，是因为有摩擦力的影响，若消除了摩擦力的影响，物体是不是就有可能永远地运动下去呢？伽利略关于“力与运动”的问题，构思出理想实验来进行探究.
一、伽利略的理想实验
师 伽利略对于“运动与力的关系”，构思出如图4-1-1所示的“理想实验”.将轨道弯曲成曲线ABC的形状，在轨道的一边释放一颗钢珠，如果不存在摩擦力，钢珠将上升到哪里？
图4-1-1
生 不存在摩擦力，钢珠将上升到与A点相同高度的C点.
师 若将轨道的倾角减小，弯曲成曲线ABD或曲线ABE，小球最高将上升到哪个位置？路程是增大还是减小？
生 同样上升到与A点同高度的D点或E点，路程增大了.
师 假如将轨道弯曲成一侧水平及曲线ABF的形状，这时会发生什么情况呢？
生 由于BF是水平的，钢珠就再也达不到原来的高度，如果不存在摩擦力，将永远运动下去.
(教师用多媒体课件模拟这一物理过程)
师 伽利略根据“理想实验”断言：小球应该以恒定的速率永远运动下去.由此可推断，在水平面上做匀速运动的物体并不需要用外力来维持.
师 理想实验，是科学研究中的一种重要的方法.它突出了事物的本质特征，能达到现实科学实验无法达到的极度简化和纯化的程度.它不仅可以充分发挥理性思维的逻辑力量，还可以让思维超越当时的科学技术水平，在想象的广阔天地里自由驰骋.
师 演示实验
把滑块放到气垫导轨上面，调整气垫导轨水平，滑块与导轨间形成气层，从而使滑块与导轨间的摩擦变得很小.推一下滑块，请观察滑块的运动是什么运动.
生 近似匀速直线运动.
师 阅读本章与本节的引言部分，了解人类对“力与运动”的认识过程并总结各代表人物对“力与运动”所持的观点.
生 人类从远古时代起就不断地探讨力和运动的关系.
古希腊哲学家亚里士多德的观点：力是维持物体运动的原因；
意大利科学家伽利略的观点：运动并不需要力来维持.
师 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，而且标志着物理学真正的开端.这个发现告诉我们，根据直接观察所得出的直觉的结论常常不是可靠的，因为它们有时候会引到错误的线索上去.
二、牛顿第一定律
师 伽利略对物体不受外力时的运动作了准确的描述，但他们并没有明确指出运动和力之间的关系是什么.牛顿在前人工作的基础上，根据自己的研究，系统地总结了力和运动的关系，于1687年发表了他的著作——《自然哲学的数学原理》，提出了三条运动定律，奠定了经典力学的基础.其中，牛顿第一定律是：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.
师 引导学生理解：
(1)物体不受外力时，运动状态保持静止或匀速直线运动状态,说明力不是维持物体运动的原因；
(2)外力的作用是迫使物体改变原来的运动状态，说明力是改变物体运动状态的原因；
(3)一切物体都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,所以牛顿第一定律又叫做惯性定律.
师 惯性能解释日常生活中的许多现象.例如：当汽车启动时，车上的乘客会向后倾斜，为什么？
生 因为汽车已经开始前进，乘客的下半身受到汽车的作用而随车前进，由于惯性的作用，其上半身仍然保持静止状态，所以车上的乘客会向后倾斜.
师 当汽车刹车时，车上的乘客会向前倾斜，为什么？
生 因为汽车刹车时，乘客的下半身受到汽车的作用而随车减速，由于惯性的作用，其上半身仍然保持原来的速度前进，所以车上的乘客会向前倾斜.
课堂交流
师 现代汽车中，通常有安全带、安全气囊和头枕等设备，从惯性的角度说明它们有什么作用.
参考答案:当紧急刹车时，车虽然停下了，人却因惯性仍然向前，而安全带、安全气囊和头枕等设备会给人阻力，保护人的安全和减少伤害.
读一读
安全带与安全气囊
现代汽车的设计十分重视安全，安全带和安全气囊就是保护乘员人身安全的两个重要装置.
道路交通事故多种多样，其中对车内人员造成伤害的，大多是由于运动中的车辆与其他物体（车辆或障碍物）发生碰撞.从力学观点看，运动的车辆受到碰撞突然停止，但车内人员因惯性仍以碰撞前的速度向前运动，结果在车内甚至冲出车外与刚性物体发生第二次碰撞，因而造成伤害.设置安全带和安全气囊的目的就是尽量避免或减轻第二次碰撞对车内人员的伤害.
安全带是20世纪60年代初发明的.经过40多年的发展，现在的安全带均由强度极大的合成纤维制成，带有自锁功能的卷收器，采用对乘员的肩部和腰部同时实现约束的V形三点式设计.系上安全带后，卷收器自动将其收紧，一旦车辆紧急制动、发生碰撞甚至翻滚，安全带因乘员身体的前冲而发生猛烈的拉伸，卷收器的自锁功能便立即发挥作用，瞬间卡住安全带，使乘员紧贴座椅，避免第二次碰撞.
安全气囊是安全带的辅助设施，于1990年问世.在车辆发生碰撞的瞬间，控制模块会对碰撞的严重程度立即作出判断，若确认安全带已不能承受，便在1/100 s内使气囊充气，让乘员的头、胸部与较为柔软有弹性的气囊接触，减轻伤害.最新式的汽车还安装了防侧撞气囊，今后可能在汽车其他位置上也会装上安全气囊.
有关机构的统计数据表明，在所有可能致命的车祸中，如果正确使用安全带，可以挽救约45%的生命；如果同时使用安全气囊，这一比例将上升到60%.
讨论与交流
师 运动的火车比运动的自行车停下来要困难得多，能运用牛顿第一定律来解释其原因吗？推动一辆汽车比推动一辆自行车要困难得多.物体的惯性与什么因素有关？
生1 不能用牛顿第一定律来解释.
生2 物体的惯性与质量有关，与物体的速度有关.比如运动的汽车，质量越大，速度越快，要停下来就越困难.
生3 物体的惯性与速度无关，因为惯性是指物体保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质.汽车的惯性的大小，是看它保持静止或保持某一速度的能力的大小.只要速度有所改变，运动状态就改变了，并不一定要从运动到静止.
师 引导学生总结：
1.一切物体都有惯性，在任何状态下都有惯性；
2.惯性是物体的固有性质；
3.物体的惯性只与质量有关.
课堂交流
1.多媒体课件展示：
有一部小说中有这样的一段描述：“火车在千分之五的坡度下坡行驶，速度越来越大，突然一匹马受惊，冲上铁轨.火车风驰电掣般驶来，惯性越来越大，难以刹车……”试分析小说在描述中的科学性错误.
参考答案:物体的惯性只与质量有关，火车的速度越来越大，但惯性保持不变.
2.空军歼击机的质量比运输机、轰炸机的质量小得多，而且在空战中还要抛掉副油箱，为什么？
参考答案:减小歼击机的质量，减小惯性，增加其在战斗中的灵活性.
师 惯性的大小在实际中是经常要考虑的.当我们要求物体的运动状态不易改变时，应该尽可能增大物体的质量.电动抽水机和水泵都固定在很重的机座上，就是要增大它们的质量，以尽量减少它们的振动或避免因意外的碰撞而移位.
实践与拓展
师 伽利略受教堂内吊灯摆动的启发，构思出“伽利略针和单摆实验”.
实验装置如教材图4-1-3所示.一端连着小钢球的细绳悬挂在支架上，将摆球拉向一边，由静止开始释放小球，摆球会摆动到另一边，用水平长尺标记其高度.用一根针改变小球的悬点（如教材图4-1-4所示的点O1）,请同学们猜想一下，小球摆到另外一边时，最高将上升到什么位置?
学生先进行猜想，然后教师演示实验.
实验现象:摆球能上升到与释放时一样高度的位置.
师 用针再次改变小球的悬点（如教材图4-1-4所示的点O2），小球摆到另外一边时，还能上升到与释放时一样高度的位置吗?
学生先进行猜想，然后教师演示实验.
结论：摆球还能上升到原来的高度.
用针多次改变小球的悬点，重复实验，都能得到相同的结论.
师 想一想，伽利略是怎样通过“伽利略针和单摆实验”构思出“理想实验”的？
（学生讨论与交流）
生 “伽利略针和单摆实验”中的小球受到的空气阻力可以忽略，则小球只受到重力和绳子的拉力（与速度方向垂直），小球能上升到原来的高度；而理想实验中的小球也可忽略空气阻力，而曲面是光滑的，没有摩擦，所以小球只受重力和支持力（与速度方向垂直）.两实验中小球受到的外力可以类比，所以可以认为理想实验中的小球也能上升到原来的高度.
师 伽利略的“理想实验”是一个假想的实验，但它是以可靠的事实为基础，把实验与逻辑推理和谐地结合在一起，其科学探究的方法有力地推动了科学的发展.
课堂小结
通过本节的学习，我们知道了：
1.伽利略对力和运动的研究方法——理想实验.
2.牛顿第一运动定律的内容及应用.
3.惯性的理解及应用.
布置作业
课后练习
板书设计
第一节 伽利略的理想实验与牛顿第一定律
牛顿第一定律
惯性
内容(或
定义)
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
物体保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质叫做惯性
说明
(1)物体不受外力时，运动状态保持静止或匀速直线运动；说明力不是维持物体运动的原因；
(2)外力的作用是迫使物体改变原来的运动状态，说明力是改变物体运动状态的原因；
(3)一切物体都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
(1)一切物体在任何状态下都有惯性；
(2)惯性是物体的固有性质；
(3)物体的惯性只与质量有关
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