牛顿第一定律

《牛顿第一定律》教案

一、教学目标

1. 物理观念：知道伽利略实验及其推理过程，知道理想实验是科学研究的重要方法；理解牛顿第一定律的内容及意义；理解惯性的概念，会解释有关的惯性现象。

2. 科学思维：通过伽利略理想斜面实验的分析，体会“实验+科学推理”的科学研究方法；能运用牛顿第一定律和惯性概念解释生活中的相关现象。

3. 科学态度与责任：通过理解伽利略推翻亚里士多德观点的历史过程，体会科学发展的曲折性和科学家的探索精神。

二、教学重点与难点

重点：牛顿第一定律的内容及意义；惯性的概念及质量是惯性大小的唯一量度。

难点：伽利略理想斜面实验的推理过程；力与运动关系的正确理解（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）；运用惯性解释生活现象。

三、教学过程

（一）导入新课

通过展示冰壶比赛等图片，引导学生思考：冰壶离手后为什么还能继续运动？为什么冰壶最终会停下来？引出力和运动关系的研究课题。

（二）基础落实——必备知识全过关

1. 理想实验的魅力

（1）亚里士多德的观点：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就静止在某个地方。

（2）伽利略的理想斜面实验：

①理想实验：让一个小球沿斜面从静止状态开始向下运动，小球将冲上第二个斜面。如果没有摩擦，无论第二个斜面的倾角如何，小球所达到的高度与开始运动相同；若将第二个斜面放平，小球将运动下去。

②实验结论：伽利略通过理想斜面实验的推理得出力不是维持物体运动的原因。

（3）笛卡儿的观点：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，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。

2. 牛顿第一定律——不受力时物体的运动状态

（1）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。

（2）力和运动的关系：力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。

（3）不受力的物体是不存在的。牛顿第一定律所描述的状态是一种理想状态，它是利用逻辑思维进行分析的产物，不可能用实验直接验证。

3. 惯性与质量

（1）惯性：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就叫惯性。

（2）惯性的量度：描述物体惯性的物理量是它的质量。质量是物体惯性大小的唯一量度。

（3）质量只有大小，没有方向，是标量，符号是m，国际单位制中，质量的单位是千克，符号是kg。

4. 情境链接

请根据如图所示的情境说明汽车所处的状态，并对这种情境作出解释。

提示：第一辆车是行驶过程中突然刹车或减速，乘客下半身随车要停下，而上半身由于惯性，保持原来的运动状态，故乘客向前倾倒；第二辆车是突然启动或加速，乘客下半身随车要加速，而上半身由于惯性，保持原来的状态，故乘客向后倾倒。

5. 教材拓展

阅读教材第86页，思考：公路上行驶的汽车，速度越大时，刹车停下来所运动的距离也越长，这说明速度越大惯性就越大吗？

提示：不是。质量是惯性大小的唯一量度，汽车质量不变，惯性不变。由v²=2ax可知，在刹车加速度不变的情况下，刹车距离与初速度的二次方成正比，汽车速度越大，刹车距离越长。

6. 易错辨析

（1）伽利略认为力不是维持物体运动的原因。（正确）伽利略通过理想实验得出，物体的运动不需要力来维持，力不是维持物体运动的原因。

（2）笛卡儿认为若没有力的作用，物体的运动状态就不会改变。（正确）笛卡儿认为若没有力的作用，物体将保持原来的速度运动，物体的运动状态不变。

（3）牛顿第一定律是实验定律。（错误）牛顿第一定律是牛顿在前人结论基础上总结出来的，描述的是物体在不受力时的状态，是不可能在实验室完成的，故不是实验定律。

（4）由牛顿第一定律可知，当一个做匀加速直线运动的物体所受外力全部消失时，物体立刻停止运动。（错误）做匀加速直线运动的物体所受外力全部消失时，物体沿当时的速度做匀速直线运动。

（5）静止和匀速直线运动的物体没有惯性。（错误）一切物体都有惯性，惯性是物体的属性。

（6）物体的质量越大，惯性越大，运动状态越难改变。（正确）

（7）运动速度大的物体，不能很快停下来，是因为速度大时，惯性也大。（错误）物体的惯性大小仅与物体的质量有关，与其他因素都没关系。质量越大的物体，它的惯性越大。

（三）重难探究——能力素养全提升

探究点一：伽利略的理想斜面实验

1. 导学探究

验证“伽利略的理想斜面实验的描述中，由于摩擦作用导致小车停止”设计以下情境演示，让一个小车从同一斜面上同一高度处滑下，水平面上分别放置毛巾、木板和玻璃板，水平面与斜面平滑连接，小车行驶距离最大的是放置玻璃板的，其次是放置木板的，距离最小的是放置毛巾的。

结合上述现象讨论：

（1）如果水平面是“绝对光滑”的，小车的运动情况会怎样？这样得出的结论正确吗？

（2）这个结论说明了什么问题？

提示：（1）小车将一直运动下去；正确，这是在实验事实基础上推理得出的结论。（2）说明物体的运动不需要力来维持。

2. 知识归纳

伽利略的思想方法和意义：

（1）伽利略用“实验+科学推理”的方法推翻了亚里士多德的观点。伽利略的理想斜面实验虽然是理想实验，但这个实验反映了一种物理思想，它是建立在可靠的事实基础之上，以事实为依据，以抽象为指导，抓住主要因素，忽略次要因素，从而深刻揭示自然规律。

（2）第一次确立了物理实验在物理研究中的基础地位。

（3）揭示了力不是维持物体运动的原因。

特别提示：“理想实验”虽然在研究中有重大作用，但是它只是一种思维过程，只限于逻辑上的证明与反驳，不能用作检验认识正确与否的标准。

3. 典例剖析

【例题1】图1是伽利略利用斜面实验研究自由落体运动的示意图，图2是伽利略利用斜面实验说明力和运动的关系的示意图。下列说法正确的是（D）。

A.图1中甲、乙、丙、丁均是实验得到的现象

B.图1中甲、乙、丙、丁均是推理得到的运动情境

C.图2中伽利略通过实验观察到A处释放的小球运动到C处

D.图2的推理表明力不是维持物体运动的原因

解析：伽利略做图1的理想斜面实验时，由于受到当时实验条件的限制，只做了斜面倾角很小的实验，则只有图1甲是实验得到的现象，其他都是合理外推得出的结论，A、B错误；图2的理想斜面实验，通过推理得出若减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上仍然要达到原来的高度，C错误；由图2得出的结论是具有某一速度的物体如果不受力，它将以这一速度永远运动下去，表明了力不是维持物体运动的原因，D正确。

方法技巧：分清事实与推论的方法——（1）事实是真实发生的事情，在实验时我们可以亲眼观测到的现象。（2）推论是根据现象推测发生这件事的条件或会出现的结果。

对点演练1：伽利略对“运动和力的关系”和“自由落体运动”的研究，开创了科学实验和逻辑推理相结合的重要科学研究方法。图甲、图乙分别展示了这两项研究中实验和逻辑推理的过程，对这两项研究，下列说法正确的是（D）。

A.图甲的实验为理想实验，通过逻辑推理得出力是维持物体运动的原因

B.图甲中的实验，可以在实验室中真实呈现

C.图乙中先在倾角较小的斜面上进行实验，可“冲淡”重力，使速度的测量更容易

D.图乙中通过逐渐改变斜面的倾角，合理外推得出自由落体运动是匀变速运动

解析：图甲的实验为理想实验，通过逻辑推理得出物体的运动不需要力来维持的结论，A错误；完全没有摩擦阻力的斜面是不存在的，故图甲的实验不可能实际完成，B错误；由于当时用滴水法计时，自由落体的时间短，无法测量，伽利略设计了让铜球沿阻力很小、倾角很小的斜面滚下，来“冲淡”重力，而铜球在斜面上运动的加速度要比它自由落体的加速度小得多，所用时间长得多，容易测量，伽利略做了上百次实验，并通过抽象思维在实验结果上进行合理外推，得出自由落体运动的规律，C错误，D正确。

探究点二：对牛顿第一定律的理解

1. 导学探究

冰壶比赛中，运动员为了使冰壶到达某一固定位置会给冰壶一个速度，当速度略小时，队员会用力擦冰壶前进的路线，使其更加光滑，这样冰壶就可以滑得“更远”。

试结合上述现象讨论：

（1）冰壶行进过程中，速度越来越小是因为摩擦力的作用，说明运动和力是什么关系？

（2）如果后面把路径擦得绝对光滑，冰壶将会处于什么状态？

提示：（1）说明力是改变物体运动状态的原因。（2）冰壶原来是运动的，当合力为零时，冰壶将一直做匀速直线运动。

2. 知识归纳

（1）运动状态改变的三种情况：①速度方向不变，只有速度大小改变；②速度大小不变，只有速度方向改变；③速度大小和方向都改变。

（2）对牛顿第一定律的理解：

①明确了惯性的概念：一切物体在任何情况下都具有惯性。

②揭示了力与运动的关系：力是改变物体运动状态的原因，不是维持物体运动状态的原因。

③给出了物体不受力时的运动状态：静止或匀速直线运动。

④具有实际意义：物体不受外力和所受外力的合力为零在效果上等效。

3. 典例剖析

【例题2】复兴号高铁在某段水平轨道上匀速行驶，假设高铁上固定着盛满水的水杯。若突然发现水杯中的水向右洒出，则关于高铁在此种情况下的运动，下列描述正确的是（B）。

A.高铁一定匀速向左运动

B.高铁可能突然向左加速运动

C.高铁可能突然向左减速运动

D.高铁可能突然向右加速运动

解析：若高铁匀速向左运动，则水也匀速运动，速度相等，水不会从水杯中洒出，A错误；高铁突然向左加速，由于惯性，水还没有来得及加速，所以高铁向左的速度大于水向左的速度，可以出现图示情况，B正确；高铁突然向左减速，由于惯性，水还没有来得及减速，所以高铁向左的速度小于水向左的速度，水向左洒出，C错误；高铁突然向右加速，由于惯性，水还没有来得及加速，所以高铁向右的速度大于水向右的速度，水向左洒出，D错误。

方法技巧：巧用牛顿第一定律——（1）由“因”索“果”：在判断力与运动之间的关系时，一定要把握准牛顿第一定律的含义，即力是改变物体运动状态的原因，而不是维持物体运动状态的原因。（2）由“果”索“因”：如果物体的运动状态发生改变，则物体必然受到不为零的合力的作用，所以判断物体的运动状态是否改变以及如何改变，应分析物体的受力情况。（3）应用步骤：应用牛顿第一定律解释有关现象时，一要看物体原来的运动状态，二要看物体现在的受力情况及所受合力是否为零，最后判断由于物体具有惯性将会出现的现象。

对点演练2：在平直轨道上匀加速行驶的封闭车厢中，悬挂一个有滴管的盛水的容器，当滴管依次滴下三滴水时，三滴水落在车厢的地板上，下列说法正确的是（B）。

A.三滴水依次落在O点

B.三滴水依次落在同一位置上

C.三滴水依次落在O到A之间，而且后一滴比前一滴离O点近些

D.三滴水依次落在O到B之间，而且后一滴比前一滴离O点远些

解析：根据牛顿第一定律，可知三滴水离开容器时的速度和车厢速度相同，即在水平方向上水滴相对于车厢的初速度为零，在竖直方向上运动情况相同，落到车厢地板上所用的时间相同，在水平方向上水滴相对于车厢的加速度方向向左，所以在水平方向上水滴相对于车厢的位移方向向左，位移大小x=at²/2，所以三滴水依次落在同一位置上，故选B。

探究点三：对惯性的理解和应用

1. 导学探究

植树填土时，不需将铁铲铲土后移到树根部倒土入洞穴，只要在距树根不远处扬铲送土入洞穴即可，请解释其中的原理。

提示：扬铲送土时，铁铲和土都获得向前的速度，接着铁铲受手的作用变为静止，土因为惯性保持原运动状态而飞出铲面，落入洞穴。

2. 知识归纳

（1）惯性的“三性”：

普遍性：一切物体都具有惯性，惯性是物体的固有属性。

相关性：惯性仅与物体的质量有关，与物体的受力或运动情况等无关。

唯一性：质量是惯性大小的唯一量度。

（2）惯性与力无关：惯性不是力，而是物体本身固有的一种性质，因此物体“受到了惯性作用”“产生了惯性”“受到惯性力”等说法都是错误的；力是改变物体运动状态的原因，惯性是维持物体运动状态的原因。

（3）惯性的表现：不受力时，惯性表现为保持原来的匀速直线运动状态或静止状态，有“惰性”的意思；受力时，惯性表现为运动状态改变的难易程度。质量越大，惯性越大，运动状态越难改变。

特别提示：惯性和惯性定律的区别——惯性是一切物体所具有的一种性质，不需要附加限制条件；而惯性定律（牛顿第一定律）是一切物体在不受外力作用时，物体运动所遵循的规律。在惯性定律中所说的物体没有受到外力作用是一种理想情况。

3. 典例剖析

【例题3】某同学为了取出羽毛球筒中的羽毛球，一只手拿着羽毛球筒的中部，另一只手用力击打羽毛球筒的上端，则（B）。

A.该同学无法取出羽毛球

B.该同学利用了羽毛球的惯性

C.羽毛球筒向下运动过程中，羽毛球受到向上的摩擦力才会从上端出来

D.羽毛球会从羽毛球筒的下端出来

解析：该同学的做法利用了羽毛球的惯性，从羽毛球筒的上端取出羽毛球；羽毛球筒受力向下运动时，羽毛球受到向下的摩擦力，由于惯性作用，羽毛球相对于羽毛球筒向上运动，B正确。

方法技巧：解答惯性现象问题的思路——常见的惯性现象有两类，一是物体的某一部分受外力作用，二是相关联的两个物体受外力作用。思路：（1）明确所研究物体原来的运动状态。（2）当物体的某一部分或两个物体受外力作用时，这一部分或两个物体的运动状态的变化情况。（3）明确物体由于惯性或惯性的不同，物体要保持的运动状态，然后判断物体或物体之间会出现哪些现象。

对点演练3：（多选）下列关于惯性的说法正确的是（A、B）。

A.同一物体在地球上和在月球上的惯性一样大

B.乒乓球运动状态容易改变，是因为乒乓球的惯性小

C.人走路时没有惯性，被绊倒时有惯性

D.标枪运动员通过助跑提高成绩，说明助跑增大了标枪的惯性

解析：物体惯性的大小只取决于质量，同一物体在地球上和在月球上的质量相同，因而惯性一样大，A正确；乒乓球的质量较小，所以乒乓球的惯性较小，因而其运动状态容易改变，B正确；人无论是走路时还是被绊倒时，只要有质量就有惯性，C错误；标枪运动员通过助跑可以增大标枪飞出时的初速度，因而标枪飞得更远，提高了成绩，但标枪的质量未变，因而其惯性大小未变，D错误。

（四）学以致用——随堂检测全达标

1.（伽利略理想斜面实验）关于以下两个斜面实验的说法正确的是（B）。

A.牛顿使用图甲斜面进行实验，得出自由落体运动的规律

B.伽利略使用图甲斜面进行实验，得出自由落体运动的规律

C.牛顿使用图乙斜面进行实验，得出力不是维持物体运动的原因

D.伽利略使用图乙斜面进行实验，得出自由落体运动的规律

解析：图甲是伽利略为了便于计时，通过构建斜面，用来“冲淡”重力，利用逻辑推理，得出自由落体运动的规律，A错误，B正确；图乙是伽利略进行的理想斜面实验，通过逻辑推理，得出力不是维持物体运动的原因，C、D错误。

2.（运动状态的改变）下列事例中，物体的运动状态一定没有发生改变的是（A）。

A.降落伞在风力作用下，东偏南45°匀速下降

B.小朋友荡秋千

C.火车匀速转弯

D.物体沿斜面减速下滑

解析：降落伞在风力作用下，东偏南45°匀速下降，降落伞受力平衡，所以降落伞的运动状态一定没有发生改变，A正确；小朋友荡秋千，其速度大小和方向均在改变，所以运动状态发生改变，B错误；火车匀速转弯，其速度大小不变，但方向发生了变化，所以火车的运动状态发生改变，C错误；物体沿斜面减速下滑，速度大小变化，方向不变，所以物体的运动状态发生改变，D错误。

3.（对牛顿第一定律的理解）物理老师给同学们做了一个有趣的实验，用一根筷子穿透了一颗土豆，现在他一只手拿筷子，另一只手拿锤子敲击筷子上端，下列关于该演示实验的现象或原理正确的是（A）。

A.土豆会沿着筷子向上运动

B.土豆会沿着筷子向下运动

C.该实验原理是牛顿第三定律

D.土豆越大越难完成该实验

解析：该实验的原理是牛顿第一定律，即任何物体总要保持静止或匀速直线运动状态，除非有外力迫使它改变这种状态。当拿锤子敲击筷子上端时，筷子快速下降，土豆由于具有惯性，要保持原有的运动状态（静止），位置保持不变，筷子下降，则土豆相对筷子在向上运动，即土豆会沿着筷子向上运动，故A正确，B、C错误；土豆越大惯性越大，越容易完成该实验，故D错误。

4.（生活中的惯性现象）本组照片记录了一名骑车人因自行车前轮突然陷入一较深的水坑而倒地的过程。下列各选项是从物理的角度去解释此情境的，其中正确的是（D）。

A.这是因为水坑里的水对自行车前轮的阻力太大，而使人和车一起倒地的

B.因为自行车的前轮陷入水坑后，自行车还加速运动，所以人和车一起倒地

C.因为自行车的前轮陷入水坑后，自行车的惯性立即消失，而人由于惯性将保持原有的运动状态，故人向原来的运动方向倒下了

D.骑车人与自行车原来处于运动状态，车前轮陷入水坑后立刻静止，但人与车的后半部分由于惯性仍保持原来的运动状态，因此人和车倒地

解析：不是因为水坑里的水对自行车前轮的阻力太大，是前轮停止运动而使人和车一起倒地的，A错误；因为自行车的前轮陷入水坑后，自行车不能运动了，所以人和车一起倒地，B错误；惯性与质量有关，自行车的惯性不会消失，C错误；骑车人与自行车原来处于运动状态，车前轮陷入水坑后立刻静止，但人与车的后半部分由于惯性仍保持原来的运动状态，因此人和车倒地，D正确。

四、课堂小结

本节课学习了牛顿第一定律及惯性。伽利略通过理想斜面实验，运用“实验+科学推理”的方法，推翻了亚里士多德“力是维持物体运动的原因”的观点，得出力不是维持物体运动的原因。牛顿第一定律指出：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。力是改变物体运动状态的原因，而不是维持物体运动状态的原因。惯性是物体保持原来运动状态的性质，一切物体都有惯性，质量是惯性大小的唯一量度，与物体的运动状态和受力情况无关。

五、作业布置

1. 完成课后随堂检测相关习题。

2. 整理牛顿第一定律的内容及意义，比较亚里士多德、伽利略、笛卡儿、牛顿关于力和运动关系的观点。

3. 举出3个生活中与惯性有关的实例，并用惯性概念进行解释。

六、教学反思（供教师使用）

本节是动力学的基础，核心是建立“力是改变物体运动状态的原因”这一观念。教学中应通过伽利略理想斜面实验的推理过程，让学生体会“实验+科学推理”的科学研究方法，理解理想实验的意义。惯性概念的教学要强调质量是惯性大小的唯一量度，纠正学生“速度越大惯性越大”的错误认识。可结合汽车刹车、乘客前倾后仰等生活实例，帮助学生理解惯性现象，培养运用物理知识解释生活现象的能力。

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