| 标题 | 《牛顿第一定律》一节的教学设计 |
| 范文 | 牛英申 关广菊 李新乡 摘要:在高中物理教学中,猜想与假设是在证据不足的情况下,学生尝试依据有限的线索、条件和知识经验,充分发挥直觉、想象等思维,运用科学的方法,对发现的问题提出创造性的解释或推测。通过猜想与假设训练,可以使学生获得科学的探究方法,进而在教学中全面有效地开展探究学习活动,转变学生的学习方式,培养学生的科学探究能力。 关键词:探究;猜想与假设;问题 中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2009)7(S)-0029-4 1 教学任务分析 牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中提出了三条定律,这三条定律统称牛顿运动定律,并以牛顿运动定律作为力学理论建立起了牛顿力学。因此,“牛顿运动定律”是力学知识的核心内容。 牛顿第一定律是在实验基础上,以逻辑思维的方式推理出来的。它揭示了力不是维持物体运动的原因,而是改变物体运动的原因,为进一步探究力和运动间的定量关系指明了方向。牛顿第一定律的实质是:“它给出了一个不受力或所受合力为零的物体或物体系,这个系统不存在运动状态的改变,即这个系统不存在加速度。我们知道物理学中所研究的问题都是相对的,即以一定的物体或物体系作参照物的,而牛顿第一定律就给出了这样一个没有加速度的参照物系——惯性系。”[1]惯性系为牛顿第一、二定律提供了使用的参考范围。 牛顿第一定律破除了近两千年来亚里士多德的错误,改变了人类的自然观和世界观,导致了牛顿第二定律的得出,并使牛顿以新的视角看待引力,进而令人信服地表明:天上和人间服从同样的力学。与此同时,它本身还包含着力、惯性和参考系这些概念,成为物理学理论的支柱和基石。在牛顿定律的建立过程中使用的控制变量法、理想实验等科学研究方法,伽利略与牛顿等科学家自身的创造性思维品质和敢于质疑、坚持真理的献身精神,又是过程与方法、情感态度与价值观教育的优秀素材,因此,它是力学教学的重点内容。 在人民教育出版社出版的普通高中课程标准实验教科书物理必修1中,牛顿第一定律是第四章第一节的内容。第一、二章的内容是运动的描述,但没有讨论物体做这种或那种运动的原因;第三章的内容是相互作用。当这三章学完以后,我们就会意识到力和运动之间可能存在某种关系——牛顿运动定律,这既能加深学生对运动和力知识的理解,又为进一步学习功能关系和曲线运动铺平了道路。因此,可以说牛顿第一定律在教材中起了承前启后的重要作用。 另外,“牛顿第一定律”在此还具有双重性。第一,它属初、高中知识的结合点;第二,它属运动学和力学的结合点。 2 学生学习心理分析 在初中,学生已经知道了牛顿第一定律的相关内容。随着时间的推移,高一学生已拥有了一定的逻辑推理能力、科学想象能力及不成熟的实验操作能力,但是往往由于他们对身边的生活现象只是从直接经验得出直觉结论,缺乏理性的思考,对力是维持物体运动的原因还是改变物体运动状态的原因,容易产生片面、不恰当的认识。同时,牛顿第一定律是无法用实验进行验证的,只能在实验的基础上,进行理论推导,这对学生来说是比较抽象的,学生可能会在理解上有一定的困难。 新教材首先陈述了伽利略研究运动和力的关系的思想方法及卓越贡献,而后讲述了牛顿第一定律的内容和物体惯性的概念。针对本节课内容,教材密切联系生活的实际情况,让学生从生活入手,对发生在身边的物理现象或发现的问题进行猜想,让学生经历人类认识“运动和力”关系的推理过程,以促进学生猜想与假设能力的提高。希望通过对教材的学习达成正确认识力和运动关系的目的,进而理解科学研究中常用的理想实验方法,把握解决动力学问题的基本思路和方法的目的。 3 教学目标 3.1 知识与技能 3.1.1 理解牛顿第一定律。 3.1.2 了解人类探索力和运动关系的过程。 3.1.3 知道惯性的概念,并能用惯性解释一些生活中的现象。 3.2 过程与方法 3.2.1 在探究力和运动关系的过程中,进一步学习控制变量法,培养猜想与假设能力。 3.2.2 在用伽利略斜面实验研究力和运动关系的过程中,学习理想实验这种科学研究方法。 3.3 情感、态度与价值观 3.3.1 在学习牛顿第一定律建立的过程中,学习伽利略与牛顿等科学家的创造性思维品质和敢于质疑、坚持真理的献身精神。 3.3.2 在研究生活中对惯性的利用及预防过程中,树立将所学知识应用于生产和生活实践的意识。 4 教学重点难点 4.1 教学重点:牛顿第一定律。 4.2 教学难点:力和运动关系的得出。 5 教学过程 5.1 导入新课 前面我们学习了运动的描述及物体间的相互作用,但并没有进一步讨论物体为什么做这种或那种运动,要想讨论这个问题就需知道力和运动的关系,这一节我们就研究这个问题。 板书:第一节 牛顿第一定律 教学设计说明 开门见山,阐述课题。 5.2 创设情境,提出问题 教师边讲边演示:放在讲桌上的物理书,它是静止的,持续对它施加推力,它就运动;不施加推力,它就静止。根据上面的实验现象你想到了什么?发现了什么问题? 教学设计说明 根据新课程的精神,从学生身边发生的现象中,让学生发现感兴趣的问题,进而提出可供探究的问题,从而激发学生的学习兴趣。 5.3 猜想与假设 学生可能想到的问题:人推小车,小车运动,不推车就静止等现象。 学生可能发现:对物体持续施加力,物体就运动;停止施加力,物体就停止。 引导学生对上面的回答进行讨论,提出猜想①:力是维持物体运动的原因吗? 古希腊的亚里士多德也从生活现象中推测出了相同的结论。对这个结论有不同意见吗? 教学设计说明 学生对力和运动关系片面的、不恰当的认识是本节课学生学习心理的关键点。同时,对亚里士多德的功绩应给予肯定。 让学生先思考在日常生活中是否观察到过不同的现象,然后结合自己已有的生活经验在小组内进行讨论,最后小组派代表发言。 学生可能认为不对。理由为:自行车蹬一段时间后停止蹬车,自行车会滑行一段距离;冰面上踢出去的冰块,脚不对其施加力仍能运动很远等等。 引导学生提出猜想②:力不是维持物体运动的原因。 教学设计说明 学生通过对身边的物理现象进行分析、推理,改变根据直接经验得出直觉结论的错误认识,发现问题的实质,充分锻炼学生的创造思维能力。 让学生共同分析、讨论“水平路面上,小车运动一段距离后,变为静止的原因是什么呢?” 引导学生提出猜想③:运动小车停下来的原因是小车受到摩擦力的作用。(学生想到小车变为静止的原因可能是重力、速度等,引导学生一一排除)。 教学设计说明 学生通过对问题原因的大胆的推测,充分锻炼学生的创造思维能力。 5.4 实验探究 5.4.1 教师让学生自己设计一个实验方案来验证“运动小车停下来的原因是小车受到摩擦力的作用”,可由学生在小组内讨论解决,然后由小组代表发言。 板书:控制变量法 在学生回答实验方案的过程中,如果没有注意到控制到达水平面时小车的速度,教师需要有意识地引导学生发现影响小车运动距离的还有另外一个因素——小车的运动速度。并进一步提出研究的问题:当受到多个因素的影响时,应采用什么方法来研究,怎样控制才能使小车的速度一样大呢;如果学生已经注意到,就询问为什么要控制小车的速度,这种实验的研究方法是什么? 让学生仔细检查桌子上的实验器材,并思考运用这些器材能否达到实验目的?如果可以,就以小组为单位进行实验来验证猜想。 5.4.2 提出问题:如果换用棉布(摩擦力小些)轨道,小车运动的距离会怎么样? 学生提出猜想④:如果换用棉布轨道,小车运动的距离变大。 让学生仔细检查桌子上的实验器材,运用这些器材能否验证猜想④,如果可以,就以小组为单位进行实验验证猜想。 5.4.3 提出问题:如果换用木板(摩擦力更小)轨道,小车运动的距离会怎么样? 学生提出猜想⑤:换用木板轨道,小车运动的距离更大。 让学生仔细检查实验器材,运用这些器材能否验证猜想⑤,如果可以,就以小组为单位进行实验验证猜想。 5.4.4 提出问题:如果换用玻璃板(更光滑)轨道,会有什么现象发生呢? 学生提出猜想⑥:小车在玻璃板上的运动距离比在木板上运动距离大。 继续提出问题:如果水平轨道绝对光滑且足够长,即没有摩擦力或摩擦力为零,小车的运动将会是什么样呢? 学生提出猜想⑦:如果摩擦力变为零,小车会在平面上一直运动下去。 由于绝对光滑的材料是不存在的,而且也不能通过实验来验证,我们只能在原先实验的基础之上进行推理。因此,这个实验只能是理想化的。 教学设计说明 通过对比实验,找出问题的本质——物体的运动不需要力来维持,锻炼学生的猜想与假设能力。 随着科学技术在教育上的应用,我们可以应用电脑技术模拟这个实验来验证大家的猜想。教师用多媒体演示这个实验。(在演示的过程中提问:小球从一个斜面冲向另一斜面,达到同一水平高度才会返回。如果另一斜面变成水平,那么小球还会达到同一水平面吗?还会做往返运动吗?它的运动会是什么样的呢?学生可能的回答:小车会一直沿水平面运动下去。) 根据观察的现象得出结论: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。 这就是著名的伽利略理想斜面实验。伽利略设计的理想斜面实验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,指出力不是维持物体运动的原因,而恰恰是改变物体运动状态的原因,推翻了亚里士多德近两千年的错误观点。同时,伽利略的理想实验——这种科学探究的方法有力地推动了科学的发展。 教学设计说明 通过观察伽利略的理想实验,启发学生在研究科学问题时大胆的猜想与假设对科学研究具有重要的作用。 在此之后,笛卡尔又进一步的补充:除非物体受到外力作用,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,而只会保持在直线上运动。 5.5 得出结论:牛顿第一定律 牛顿在前人的基础之上,进一步进行总结,得出力学的一条基本定律。 5.5.1内容 一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。 5.5.2理解定律应注意的问题 (1)没有受到外力的作用时(实际问题中,物体不受力的情况是没有的;物体受平衡力时,或者说合力为零时的情况跟不受力的情况是相同的),物体保持原来的运动状态。 (2)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,是产生加速度的原因。 牛顿在前人的基础上,以独特的视角建立了牛顿定律,为经典力学建立了理论基础。 5.6 应用牛顿第一定律解决实际问题,加深对定律的理解 5.6.1 教师提出问题:一帆船在纤绳的牵引下匀速前进,当纤绳牵引力减小时,帆船的速度也随之减小的原因是什么?引导学生运用牛顿第一定律来解释这种现象。 5.6.2 教师提出问题:火车在长直水平轨道上匀速行使,门窗紧闭的车厢内有一人向上跳起,发现仍落回原处,原因是什么?引导学生运用牛顿第一定律来解释这种现象。 5.7 在应用牛顿第一定律的过程中发现惯性 5.7.1 教师提出问题:如果突然抽出垫在钢笔帽下的纸条,会有什么现象发生? 引导学生提出猜想⑧:钢笔帽可能会倾倒;可能会……。然后让学生亲自实验操作,验证自己的猜想。 5.7.2 教师提出问题:一木块竖在匀速运动的小车上,当小车突然碰到障碍物时,会有什么现象发生? 引导学生提出猜想⑨:木块可能会向前倾倒;可能会……。然后教师通过演示实验验证学生的猜想。 教学设计说明 充分发挥学生的发散思维能力,通过自己的亲身体验培养猜想与假设能力。 请学生再例举一些生活中的惯性现象,如:汽车突然启动或突然停止时发生的现象等实例,并从中发现了什么? 发现物体具有一种性质:物体都有保持原来的运动状态的性质。 由牛顿第一定律知道,物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质,我们就把这种性质叫做惯性。因此,牛顿第一定律又叫惯性定律。 教学设计说明 联系生活实际,理解任何物体在任何情况下都具有的性质——惯性。 提出问题:我们改变静止的书本的运动状态与改变静止的满盒粉笔的运动状态所施加的力是不同的实例说明了什么?学生归纳出不同物体的惯性大小不同。 5.8 质量是物体惯性的唯一量度 让学生观看一段视频(质量不同的两辆玩具车在一根被压缩弹簧的作用下运动的现象,如图1),思考与讨论“惯性的大小与什么因素有关”。 学生分析与讨论:在受力相同的条件下,质量大的物体速度变化小,运动状态难改变,惯性大;质量小的物体运动速度变化大,运动状态容易改变,惯性小。从实例可看出,运动状态变化的难易程度只与质量有关,即在受力相同的条件下,决定运动状态变化难易程度唯一因素就是物体的质量。 教学设计说明 通过分析与讨论实例理解质量是惯性的唯一量度。 5.9 应用惯性解释日常生活现象 让学生运用牛顿第一定律解释生活中的现象,如:洗衣机甩干衣服;拍打衣服可除去灰尘;使劲甩手可把手上的水甩掉;撞击锤柄可以使锤头紧套在把上;摩托车飞跃断桥;汽车司机驾车时必须系上安全带等等。 6 板书设计 牛顿第一定律 教学设计说明 板书设计是教学中不可缺少的部分,是备课、授课中的一个重要环节。 参考文献: [1]孙丽媛,徐恩生,罗洪超.牛顿第一定律的实质地位和作用.沈阳航空工业学院学报:22.2 (栏目编辑邓 磊) |
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