探究物体不受力时怎样运动

1．目标
知识与技能
⑴知道牛顿第一定律，并能用语言表述。
⑵理解什么是惯性。
过程与方法
⑶经历“探究物体不受力时怎样运动”的过程，认识伽利略“理想实验”的科学方法，进一步培养学生科学探究的能力。
⑷通过实验和观察活动，体验一切物体都有惯性。
情感态度与价值观
⑸通过探究物体不受力时怎样运动，形成实事求是、不迷信权威、尊重自然规律的科学态度。
⑹通过学习惯性的应用，感受到科学就在身边。
2．教材说明
本节主要内容有：科学探究——物体不受力时怎样运动，牛顿第一定律，惯性及其应用。
牛顿第一定律和惯性是全章的重点和难点，为让学生学好这些知识，并有充足的时间进行科学探究，建议本节用2课时，第1课时通过科学探究建立牛顿第一定律，第2课时巩固牛顿第一定律，学习惯性的知识。
本节教材的编写思路：教材首先介绍亚里士多德的观点，容易引起学生“共鸣”，也符合人们认识“运动和力的关系”的一般规律：要建立牛顿第一定律，必先突破头脑中错误的前概念。针对亚里士多德的观点，教材提出问题：“物体的运动一定需要力来维持吗？”接下来，按照科学探究的一般程序，对“物体不受力时怎样运动”展开探究，在教材图9-24所示实验的基础上，经过科学推理，得出结论：运动物体如果不受力的作用，将以恒定的速度运动下去。通过以上科学探究，学生对“理想实验”法有了感性认识，“金钥匙”栏目作为“点睛”之笔，明确阐述了这一科学方法，对学生进行科学思想和科学方法的教育。在此基础上，教材介绍了伽利略的研究成果，并否定亚里士多德的观点，最后给出了牛顿第一定律。牛顿第一定律让人们进一步认识到：一切物体都有惯性。教材通过“活动1”中两个有趣的小实验，使学生感知：物体无论运动还是静止都有惯性，惯性是物体的属性。然后教材引导学生分析生活中的惯性现象，使学生认识到人们既可以利用惯性，又要注意防范惯性造成的危害。
本节重点：“理想实验”法，牛顿第一定律和惯性。
本节教学难点：牛顿第一定律与学生的生活经验是不符的，而且该规律不是从实验中直接得出，而是在实验的基础上通过推理概括出来的，需要一定的想象能力，因此，让学生确信牛顿第一定律并理解其内涵，是本节教学的难点。
3．教学建议
从全章的知识结构体系来看，本节课是一个转折，本章的前两节主要探讨“运动”，后两节将研究“运动和力的关系”。所以教师要重视本节课的引入，通过引入使学生明确后面几节课的研究方向，同时激发学生探究“运动和力的关系”的兴趣。以下几种引入方式可供参考。
实验引入：把木块放在讲桌上，用手推着它运动，放手后木块停下。然后把铁球放在讲桌上，推着它运动，放手后铁球继续前进。让学生尝试解释看到的现象，或者提出疑问。两个现象可能会引出互相矛盾的两种观点：没有力，物体将不能运动；没有力，物体仍可以运动。教师对学生的回答不置可否，让他们自由、开放地发表各自的看法，意在使学生对“运动和力的关系”发生兴趣。在学生讨论乃至争辩的基础上，教师引导：运动和力的关系是牛顿力学的核心内容，从本节课开始我们来探究这个问题：第三节探究物体不受力时怎样运动，第四节研究物体受力时怎样运动。
视频引入：用大屏幕播放神舟号飞船发射升空和宇航员在太空活动的视频资料，以激发学生的兴趣，画面最后定格在宇航员“太空行走”的场景，从画面上可以看到宇航员和飞船之间用一条“绳子”相连。教师告诉学生：宇航员在太空“行走”时处于失重状态，可以看作不受重力作用。然后提出问题：这条“绳子”起什么作用？让学生讨论猜测。在学生发言的基础上，教师引入课题。
也可以根据知识体系引入：前两节我们研究了“运动”，上一章学习了“力”的基本知识，生活经验告诉我们，物体如何运动与其受力情况是密切相关的，例如地面上滚动的足球由于受到阻力的作用而停下来，列车启动时需要巨大的牵引力等，从本节课开始，我们就来研究运动和力的关系。
●提出问题
明确本节的课题后，介绍亚里士多德的观点，可以把他的论断事先写在小黑板上，或用字幕投出，让学生观看思考，然后提出问题：运动的物体如果不受力的作用，将会停下来、还是继续运动？如果运动，又将怎样运动？
●猜想与假设
针对上述问题，让学生提出自己的猜想；或者让学生阅读教材图9-23，问学生：同意哪种观点？自己的看法是怎样的？
●制定计划与设计实验
先让学生按照教材9-24进行实验，待做完实验、得出结论后，再结合“金钥匙”栏目，反思讨论为什么要这样设计实验，体会实验的设计思想。
此法的优点是直截了当，方便易行，由感性认识上升到理性认识，知识和方法都能得到落实；但是不利于培养学生设计实验的能力，不能充分发挥学生的积极性、主动性和创造性。
为了让学生经历设计实验的过程，加深对“理想实验”法的理解，还可以采用下面的教学方法。
样运动？
学生设计的实验可能五花八门，但一般都能体现“理想实验”法的设计思想。
●进行实验与收集证据
让学生观察教材图9-24，讨论回答：实验时要注意什么问题？（三次实验时，要把小车放在斜面的同一高度，并让其自行滑下。）
明确了实验方法，让学生分组实验，观察记录，分析比较。
该实验的效果一般比较明显。如果实验室没有那么多小车，可以用铁棒或废电池代替；若用其他物品代替水平轨道上的三种材料，要尽量使它们表面的粗糙程度有明显的区别。
●分析论证
学生实验后，可提出如下问题，让学生思考：
⑴小车在三种水平面上开始运动的速度是否相同？
⑵小车在三种水平面上运动的距离是否相同？小车在哪种水平面上速度减小得最快？在哪种水平面上速度减小得最慢？你认为造成这些现象的原因是什么？
⑶由此推测：假设小车受到的阻力为零，它将怎样运动？
学生结合实验记录，分析思考，相互交流，得出结论。
让学生把实验结论填写在教材上：水平面越光滑，小车受到的阻力越小，小车的速度减小得越慢，小车运动的距离就越远。假如水平面对小车完全没有摩擦，小车将以恒定的速度运动下去。
学生得出结论后，回扣本节课开始所提出的问题，让学生明确回答：物体的运动一定需要力来维持吗？运动的物体如果不受力的作用，将怎样运动？
然后让学生阅读“金钥匙”栏目中的内容，反思实验过程，体会“理想实验”的科学方法。
教师可以适当介绍“理想实验”法的意义和物理学史的知识，用科学思想来熏陶学生。如：理想实验是实验与思维的完美结合，它以真实的科学实验为基础，经过合理推理，将研究对象加以“纯化（理想化）”，略去无关或次要因素的影响，概括出事物的本质规律。然后指出，“理想实验”法是伽利略开创的研究物理的重要方法，伽利略曾做了类似教材图9-2的实验（见本章课程资源图9-15），经过分析推理提出：物体的运动不需要力来维持，否定了亚里士多德流行了2000多年的错误观点。在爱因斯坦和英费尔德合著的《物理学的进化》一书中，曾这样评论伽利略的贡献：“伽利略的发现以及他所运用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”教师最后说明（过渡）：伽利略的工作是开拓性的，牛顿集前人之大成，总结了伽利略等科学家的研究成果，概括出牛顿第一定律。
让学生阅读教材中牛顿第一定律的内容，提醒学生注意琢磨定律的含义。
牛顿第一定律语言严谨，内涵深刻，让学生透彻理解实属不易。为帮助学生理解牛顿第一定律，可以采取以下两种方法。
方法1.找关键词
让学生找定律中的关键词，并用笔标出来，然后说说它的含义。应多找几个学生发言，学生说不全面，教师可以补充，例如：
⑴“一切物体”说明该规律适合于所有物体，具有普遍意义。
⑵“没有受到外力作用”是定律的条件，要注意没有外力的作用是指物体不受任何力，不是某个力。如马拉车，车前进；马不拉，车停下。有人认为“车停下是因为没有受到外力作用”，这是错误的。此时车只是不受马的拉力，但还受到地面对它的阻力，正是阻力使车停下来。
⑶“匀速直线运动状态”“静止状态”实质是物体保持原来的运动状态不变，即原来静止的物体继续静止，原来运动的物体保持原来的速度大小和方向不变做匀速直线运动。“或”字说明物体只能处于其中一种状态，究竟处于哪种状态，由原来的运动状态决定。另外，没有力的作用物体可以做“匀速直线运动”，这说明物体的运动不需要力维持，即力不是维持物体运动的原因。
最后可以让学生复述牛顿第一定律，比一比，看谁记得快，说得准。
方法2.做练习题
可让学生做做下面的练习，在应用中理解牛顿第一定律。
⑴关于“物体不受外力时怎样运动”，下列说法错误的是（ ）。
A.运动的物体将做匀速直线运动
B.静止的物体永远保持静止
C.一切物体都将归于静止
D.一切物体都将保持原来的运动状态不变
⑵设想一下：当你骑自行车在公路上行驶时，突然不受任何力的作用（包括重力、阻力和其他物体的作用力），将会（ ）。
A.保持匀速直线运动，一直飞出地球
B.马上停下
C.运动一段距离后慢慢停下
D.以上均不符合你的想像
⑶宇航员在太空“行走”时，没有空气阻力，又处于失重状态，可以看作不受外力作用。每当宇航员出舱活动时，总要用一条“绳子”跟飞船相连。试运用牛顿第一定律分析，这条“绳子”有什么作用？
⑷小明说：“亚里士多德的观点与我们的生活经验相符，好像是正确的。”小红说：“教科书上说，他的观点是错误的！”请分析，为什么说亚里士多德的观点是错误的？
参考答案
⑴C ⑵A ⑶如果没有这条“绳子”，宇航员出舱后一旦处于运动状态，将一直运动下去，很难停下或再回来。有了这条“绳子”，可以防止以上现象的发生。 ⑷亚里士多德认为“运动者皆被推动”，没有力的作用，物体便会归于静止。亚里士多德在分析生活中的现象时，只考虑物体受到的推力，而忽视了摩擦阻力，其实物体停下的原因不是“没有力的作用”，而是受到了阻力的缘故，如果运动的物体不受任何外力的作用，将保持匀速直线运动状态，不会停下。
惯性
关于惯性，可以由牛顿第一定律引入，也可以通过小实验或日常现象引入，还也可以利用一些有趣的问题引入。前面两种引入方式容易明白，下面主要介绍问题引入。
教师：我们知道，地球在不停地自转，毛泽东主席在一首诗中说“坐地日行八万里”，的确如此，我们所在的地区，地面向东移动的速度达几百米每秒（教师事先可利用“cosθ×465m/s”计算出具体数值，θ为你所在地区的纬度）。按说，当我们竖直向上跳起来落回地面时，地面一定转过了一段很大的距离，自己就不会落在原地。事实是这样吗？
找几个学生到前台试跳一下。
“为什么跳起后总是落回原地？”学生非常好奇。
教师指出：这种现象与惯性有关。什么是惯性呢？牛顿第一定律告诉我们，一切物体在不受外力作用时，总保持原来的运动状态不变。这说明所有物体都有“保持原来的静止状态或匀速直线运动状态的性质”，物体的这种性质叫惯性（可板书惯性的定义）。因此牛顿第一定律也叫惯性定律。
知道了什么是惯性，可以让学生尝试解释：为什么当我们竖直向上跳起后，总是落回原地？如果学生回答有困难，也可以由教师讲解。参考答案为：起跳前人是随地球一起运动的，起跳后，由于惯性，人还保持原来的运动状态，即人与地面一起向东运动，所以落回原地。
“活动1”的目的是：让学生通过亲自实验，体会惯性的存在。其中实验A使学生意识到静止的物体有惯性，实验B说明运动的物体有惯性。
教师还可以补充其他有趣的惯性实验。如果实验条件有限，也可以用下面的实验代替：⑴把笔帽或半截粉笔竖立在桌边光滑的纸条上，迅速抽出纸条（图1），笔帽或粉笔会随纸条一起运动吗？⑵把小球放在书本上（图2），拉书本和小球一起运动，当书本突然停止运动时，小球会怎样？

图1 图2
教学时可以先让学生看书，了解实验的操作方法（或教师介绍操作方法），然后让学生动手实验，最后讨论、交流、汇报，解释看到的现象。学生解释时，教师提醒学生注意：首先明确研究对象，其次说明物体（研究对象）原来的运动状态，最后根据惯性解释发生的现象。经过一两次提示，学生就能有条理地阐述惯性现象的来龙去脉。
通过“活动1”，最终使学生认识到：惯性是物体的普遍属性。为了让学生透彻理解这句话的含义，可作如下说明：
⑴惯性是物体的属性，不是“外加”的，更不是一种力。我们通常说物体本身“具有”惯性，而不能说物体“受到惯性的作用”，更不能说“惯性大于（或小于）阻力”等。
⑵一切物体都有惯性。上面的实验A表明静止的物体有惯性，实验B说明运动的物体有惯性。根据牛顿第一定律，物体不受时，将保持原来的运动状态不变，说明不受力的物体有惯性；当物体受到外力时，仍然具有惯性，此时惯性表现为外力不容易改变物体的运动状态。所以一切物体在任何状况下都具有惯性。
⑶注意区别惯性和惯性定律。惯性定律即牛顿第一定律，是一条物理规律，它成立的条件是“物体没有受到外力作用”；而惯性是物体的属性，没有条件限制，物体无论受力与否都有惯性。当然二者是有联系的：正是因为一切物体都有惯性，所以当物体没有受到外力作用的时候，才会保持匀速直线运动状态或静止状态。
生活中的惯性现象
惯性现象我们在生活中经常遇到。可以让学生观察教材图9-28和图9-29，解释图中的惯性现象。通过分析使学生意识到：惯性现象既可以被人们利用，又能造成危害。
惯性在日常生活、工农业生产、科学技术领域有着广泛的应用，要鼓励学生多列举人们利用惯性和惯性造成危害的事例，以拓宽视野。下面一些例子，可供参考（如能收集一些录像或动画资料，在课堂上播放，效果更好）。
利用惯性的事例：斧头松了，可把斧柄一端在物体上撞几下，利用惯性使斧头牢牢地套在斧柄上；拍打衣服可以抖落上面的灰尘；跳远运动员起跳前往往要助跑一段距离，利用惯性能跳得更远；环卫工人用铁锨往车上装垃圾时，铁锨停止运动后，垃圾由于惯性，顺着铁锨原来运动的方向进入车箱；摩托车利用惯性飞跃障碍物；汽车到站时，往往提前关闭油门，利用惯性行驶可以省油；地球自西向东转动，发射火箭时一般向偏东方向发射，可以利用惯性，节省推力。
惯性造成危害的事例：跑步时脚碰到障碍物，由于惯性，人会绊倒；客车没有停稳，乘客急于下车，着地后容易跌倒；汽车刹车后不能立即停下，容易造成车祸。
教材《信息游览》和《STS》栏目介绍了一些与惯性有关的事例，可以让学生自学、讨论。
4．教学评价
课堂测评
1．亚里士多德关于运动的说法为什么是错误的？伽利略在这方面的重要贡献是什么？牛顿第一定律的内容是什么？
2．为探究物体不受力时怎样运动，我们做了如图3所示的实验。
⑴三次实验时必须使小车从斜面的 高度滑下，这是为了使小车在三种平面上开始运动时的 相同；实验发现小车受到的阻力越小，它前进得就 ，速度减小越 。
⑵由此我们可以推断：假如小车受到的阻力为零，它将 。
⑶上述结论是在 的基础上，经过 得出的，这种方法叫 法。
3．下列说法中正确的是（ ）。
A.物体不受力时，一定处于静止状态
B.物体不受力时，运动速度就会减小，最终会静止下来
C.力是维持物体运动状态的原因
D.惯性是物体保持原来运动状态的性质
4．在商场的自动扶梯上，小明随电梯一起匀速斜向上运动，他手中的一枚硬币不慎自由落下，这枚硬币会落在他手的（ ）。
A.正下方 B.偏前方 C.偏后方 D.无法判断
5．请列举生活中利用惯性和惯性造成危害的事例各一个。
6．运动员进行射击比赛时，子弹从枪膛里射出后，虽然不再受到火药的推力，但仍能向前运动，命中靶心，这是为什么？
7．有些高级轿车在座椅上装有安全头枕，当汽车突然启动或汽车后部受到猛烈撞击时，驾驶员和乘客的身体会猛然向后挤压座椅，椅背上的联动机构便带动头枕快速向上向前移动，以免驾驶员和乘客的颈部受到扭伤。
请回答：这套装置什么地方利用了惯性？什么装置可防止惯性造成危害？
8．客车即将到站时，我们常听到这样的播音声：“各位旅客，××站到了，请车停稳后您再下车！”急于从行驶的车上跳下的乘客，着地后容易向哪个方向倾倒？为什么？
参考答案
1．略 2．⑴同一 速度 远 慢 ⑵以恒定的速度运动下去 ⑶实验（事实） 推理 理想实验 3．D 4．A 5．略 6．子弹在枪膛里时，受到火药的推力向前运动。子弹离开枪膛后，由于惯性，仍然保持原来的运动状态，继续向前运动。 7．当汽车突然启动或后部受到猛烈撞击时，汽车和座椅突然加速，驾驶员和乘客由于惯性仍保持原来的静止或低速运动状态，所以身体会对座椅产生较大的压力，致使联动机构带动头枕快速移动，这是利用惯性。如果没有安全头枕，在上述情况下，驾驶员和乘客的头部由于惯性会猛烈后仰，容易使颈部受到损伤，所以头枕可以防止惯性带来的危害。 8．乘客原来在随车一起运动，跳下后脚着地停止了运动，而身体由于惯性仍保持原来的运动状态，所以容易向车行驶的方向倾倒。

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