第四章 运动和力的关系 学习活动设计一 认识伽利略斜面理想实验--高一上学期物理人教版（2019）必修第一册.docx

第四章运动和力的关系学习活动设计一 认识伽利略斜面理想实验一、教学背景分析 （一）教学内容分析 牛顿第一定律是牛顿力学的基石。与初中教材内容相比，高中对认识牛顿第一定律的要求提高了很多。对牛顿第一定律的深刻理解，为牛顿第二定律的学习奠定了基础。而牛顿第一定律的得出，离不开伽利略、笛卡尔等人所做出的贡献。 亚里士多德认为物体的运动需要力来维持，是与大量“事实”相一致的。因为当时的研究总是靠直觉和思维来进行，这一观点影响了人们两千多年。伽利略第一个意识到了摩擦力的影响，学生通过认识伽利略的理想斜面实验的过程，可以学习伽利略的批判性思维的意识，能基于证据大胆质疑，从不同角度思考问题；学习正确运用科学思维的方法，通过科学推理、找出规律、形成结论，并且能够解释。理想实验首要的意义在于它摒弃了那种单纯依靠思辨来研究物理的行为方式，而确立了实验在物理研究中的基本地位。伽利略的理想斜面实验为牛顿第一定律的得出奠定了坚实的基础，但是后续学习了笛卡尔的观点：除非物体受外力作用，物体将永远保持静止或匀速直线运动状态。学生还可以进一步认识到伽利略观点的局限性，认识到人类探索自然规律过程的艰辛曲折。对伽利略理想斜面实验的深刻认识和理解，能够帮助学生认识到牛顿所做的工作不仅仅是进行了总结，更是从物理上赋予了明确的内涵。同时，也是学生体会到把真实实验和理想实验相结合，把经验和理想相结合，对物理学研究和发展所起到重要作用。 通过观察和对伽利略理想实验的再现，体会伽利略理想斜面实验对真实实验或是生活经验的逻辑推理和哲学思辨的过程。使学生认识到理想实验法在科学研究中的重要作用，并能够了解具体的研究过程。学生在思辨的过程中形成能量观念，从而逐渐形成对科学应有的正确态度以及正确的物理学史观，同时可以学习到如何运用逻辑推理与实验相结合分析问题的方法。 （二）学生情况分析 在初中阶段，学生除了“惯性与质量”这一问题没有专门学习外，对本节教材中其他的内容都有了大致的了解。但是他们更多地认为“亚里士多德的观点总是错的”“伽利略做了个理想实验就能够得出牛顿第一定律的内容”，在物理观念上并没有建立适当的运动与相互作用观念，在科学思维和科学态度与责任方面也有所欠缺。而学生没有对伽利略理想实验的设计、由理想实验结合真实实验或是生活经验展开的逻辑推理过程，以及伽利略的思维、研究方法等的认识。 通过课前预习的测试题，可以反映出学生大体情况如下： 1.能够准确说出亚里士多德关于力和运动的表述，但是不能准确指出其错误的原因。能够了解伽利略斜面实验是一个理想实验，但对于理想实验法的具体内涵、伽利略理想实验中的可靠事实与理想化推论的区分，认识不够，难于理解。 2.通过查阅物理史料，学生能够了解伽利略斜面实验的操作过程和步骤。但是对于伽利略当时的思想，伽利略斜面模型构建的思想，以及基于实验或事实基础上的思辨与逻辑推理过程的认识，有所欠缺。  二、教学目标及教学重、难点 （一）教学目标 1了解伽利略的理想斜面实验的设计、步骤。认识到理想实验基于的可靠事实。 2能清楚地描述伽利略关于力与运动的理想实验，并准确叙述伽利略理想斜面实验的操作步骤，并认识到伽利略理想斜面蕴含的思想方法。 3能通过观察实验现象，得出实验结论，并基于实验结论，能够推理出相关推论。学习理想实验法、控制变量法、观察实验与思维相结合的科学思维方法，提升猜想与假设、分析论证等科学探究能力。 （二）教学重、难点 （1）理解伽利略理想斜面实验的设计和操作步骤； （2）基于真实实验，对实验结论进行合理地逻辑推理，得出推论；  三、教学片段设计 难点 【难点描述】 伽利略理想斜面实验学生难以理解伽利略理想斜面实验的设计依据，以及实验中事实与推论的关系。 【难点产生的原因】 学生通过初中阶段的学习能够指出“摩擦力”因素，但对于科学推理的方法仍不太熟悉，难以区分实验事实和实验推论，从而难以理解理想实验是真实实验的延伸，而不是真实的实验，是建立在事实基础上的合乎逻辑的科学推理。 【难点突破策略】 1通过控制变量法只改变摩擦力这一因素，探究摩擦力对于悬挂小球的摆动幅度的影响，引导学生进行逻辑推理减小摩擦力可以使小球摆动到接近释放时的高度。类比伽利略对自由落体运动规律的研究方法，从而做出推论：如果没有摩擦，小球将摆回原来的高度。 2学生用课本自行设计伽利略斜面，体会小球在斜面运动背后蕴藏的能量观念。在此基础上，通过教师模拟伽利略斜面实验，不断改变上升斜面的倾角，逐步深入理解亚里士多德观点的错误，得到伽利略斜面实验的推论力不是维持物体运动的原因，如果物体不受摩擦力，将永远运动下去。从上述分析过程中逐步渗透模型构建、科学推理和科学论证等科学思维方法在物理学中的应用。 3指出伽利略通过理想斜面实验得到的结论中的瑕疵伽利略认为的地面上的物体除静止外的另一本来面目是匀速圆周运动（而不是匀速直线运动）。 【教学片断】 实验：这里有一个用细线连接的小球，水平线与地面平行，竖直线与之垂直（图1）。将毛巾铺在倾斜的画架下半部分，使白板平面与竖直平面呈现一夹角（图2）。夹角越大，摩擦力也就越大。再将小球偏离中心轴线某一位置释放，小球能否回到同样的高度？    教师：可以发现，小球在右边到达的最高点低于原来的高度，为什么会产生这样的结果呢？ 学生：小球与白板接触存在摩擦。 教师：如果我们控制小球的初始位置不变，减小白板平面的倾角，实验的结果是否会有所不同呢？ （进行实验时，我们发现小球的高度增加，但还是没有达到原来的高度。将画板倾斜不同角度的时候，小球所能摆动达到的最高点用胶带标记出。） 教师：如果没有一切摩擦呢？ 学生：那么小球就会回到原来的高度。 教师：同学们的结论就是基于事实大胆外推，与伽利略设计著名的理想斜面实验的思想是一致的。接下来请同学们借助物理课本作为斜面轨道，研究小球在不同斜面轨道中的运动情况。可以同桌的两位同学用书本设计成轨道，释放小球，观察小球的运动。 学生实验：学生设计的轨道大致可概括为3种（图3）。 （教师按照轨道“尽量平滑、摩擦尽量小”的要求进行点评，选出合理方案，引导学生按照合理的轨道进行实验研究。） 教师：其实，这就是伽利略理想斜面实验的设计方案。刚才同学们设计、使用的轨道中摩擦力较大，现在我们利用伽利略理想斜面实验模拟演示器（图4）进行研究。 从“书本轨道”到理想斜面：现在把右侧轨道放低一些，大家猜猜会出现什么情况？ 学生：假如没有摩擦，小球想要达到同样的高度，小球只能走更远的距离！ 教师：再低一点呢？假如轨道无限长，且水平放置呢？ 推理：假如没有摩擦，轨道无限长且水平放置，小球将保持某个速度永远运动下去。 教师：小球在水平轨道上运动时，水平方向有推或拉的力吗？水平方向运动了，但水平方向没有力，说明什么？ 学生：力不是维持物体运动的原因。 （展示伽利略观点：假如没有摩擦力，物体沿着水平面永远运动下去。） 教师：不幸的是，伽利略考虑到地球是圆球形的，因此任何水平面实际都是球面。他得到的结论变成了：物体在不受摩擦力的情况下，将沿着地球表面的球面匀速地、无限制地运动下去。 （展示笛卡尔的观点：如果运动中没有受到力的作用，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。） 笛卡尔的贡献：进行重要的修正，如果物体不受力，将做匀速直线运动。 【学习检测】 1伽利略设想的理想实验中的几个主要步骤如下： 减小第二个斜面的倾角，小球在这斜面上仍然要达到原来的高度 两个对接的斜面，让静止的小球沿一个斜面滚下，小球将滚上另一个斜面 如果没有摩擦，小球将上升到原来释放时的高度 继续减小第二个斜面的倾角，最后使它成水平面，小球要沿水平面做持续的匀速运动 在上述步骤中，                  属于可靠的事实，                  则是理想化的推理 2对比伽利略斜面实验和初中实验“研究阻力对运动的影响”，说说为什么伽利略的实验能更有力地说明“力不是维持物体运动的原因”。  四、教学效果分析 通过后测题反映教学效果如下： 1学生对于亚里士多德、伽利略和笛卡尔等科学家关于力和运动的观点掌握情况较好。 2能够掌握伽利略理想斜面实验的设计思想，能区分事实和推论。 3能够了解理想实验的基本思维操作方法：外推、内延。 五、评析 本案例在设计上有三个明显的特点，一是基于课前诊断，二是体现核心素养的落实，三是注重了初高中知识的衔接，学生的认知发展。针对这几点，下面做一简要的分析。 特点1：基于课前诊断结果分析，确定教学的重难点，并设计重难点的突破策略。 本案例依据教学内容，确定了学生在本节课中需要学习的内容“理想实验”。通过课前学习诊断和诊断后的结果，分析并明确了学生在理解伽利略斜面实验的设计依据、步骤、理想实验方法的认识等方面存在一定的障碍，并通过小球在斜面上摆动、课本拼接轨道实验活动的铺垫，问题情景的设计及问题的引导，使教学有针对性地去突破这些问题。这样的教学设计，从经验走向实证，更能在有限的课堂时间内发展学生的认识。 特点2：注重从学科核心素养培养的角度进行设计，促进核心素养的落实。 关于物理观念在伽利略的理想实验中，小球能够回到原来的高度，渗透着能量的守恒问题，为后续机械能守恒定律的建立打下基础。 关于科学思维将小球从同一高度释放，观察在不同倾角课本拼接轨道上运动的学生设计实验，引导学生理解伽利略理想斜面模型构建的思想。通过前述实验的体验及思考、斜面实验的分析得出理想条件下结论的过程，充分体现了科学推理与论证的过程。 关于实验探究本节课的实验探究，集中在对理想斜面实验设计、分析推理得出结论的理解上，降低了学生理解的难度。 关于科学态度与责任在课程的推进过程中，不断完善历史的发展成果，不断提出新的问题，为学生呈现尽可能完整的发展脉络，强调科学家严谨的治学风格和追求真理的科学态度。并通过引导学生对前人观点的思考，培养质疑的意识，使学生认识到只有一次次地总结和质疑，才能将理论和方法不断完善，得到正确的结论。 特点3：注重初高中知识的衔接，学生的认知发展。 由于初中学习过牛顿第一定律，对伽利略理想斜面实验也有一定的了解。但基于不同学段的学习要求也不同，理解得不深入，也遗留了一些认识的问题，本案例的设计注重了初中的基础和高中教学的发展。 参考文献： 1 中华人民共和国教育部普通高中物理课程标准（实验）（2003版）北京：北京师范大学出版社，2012. 2 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2011年版）M.北京：北京师范大学出版社，2011. 3义务教育教科书 物理 八年级 下册. 北京：人民教育出版社,2012 4 张大昌普通高中课程标准实验教科书物理·必修1.北京：人民教育出版社，201569-71.   附录：伽利略理想实验前测题 一、理想实验 1人们直觉地认为，物体的运动是与推、拉等行为相联系的，如果不再推、拉，原来的运动便停止下来。亚里士多德根据这些现象的观察，得出的结论是什么？为什么亚里士多德会得出错误的结论？ 设置意图：引导学生理解通过观察得出的结论虽然是物理学中常用的方法，但有的时候并不能反映出正确的物理规律；通过对亚里士多德观点的分析，使学生产生运动观和相互作用观的联系，为后续引出牛顿第一定律做出铺垫。 2请阅读课本P84页理想实验的魅力 伽利略设想的理想实验中的几个主要步骤如下: 减小第二个斜面的倾角，小球在这斜面上仍然要达到原来的高度 两个对接的斜面，让静止的小球沿一个斜面滚下，小球将滚上另一个斜面 如果没有摩擦，小球将上升到原来释放时的高度 继续减小第二个斜面的倾角，最后使它成为水平面，小球要沿水平面做持续的匀速运动 在上述的步骤中，                  属于可靠的事实，                  则是理想化的推理 设置意图：引导学生阅读教材，了解伽利略斜面实验的操作过程；通过对斜面实验的分析，使学生理解伽利略得出结论的依据，为后续引出“理想实验”做出铺垫。 3为什么说“伽利略斜面实验”是一个理想实验？ 设置意图：让学生进一步体验为什么要使用逻辑外推的方法（因为有些情况是实验做不出来的，恰恰证明了实验并不是万能的，当然逻辑推理也不是万能的，只有当实验和逻辑推理结合起来才能显现出巨大的威力，这也是伽利略科学思想方法的核心。） 4笛卡尔的观点与伽利略的观点有哪些不同？ 设置意图：引导学生理解“运动状态改变”的含义；通过对笛卡尔观点的介绍，使学生认识到伽利略观点中的不足，为后续引出牛顿第一定律做出铺垫。 5对比伽利略斜面实验和初中实验“研究阻力对运动的影响”，说说为什么伽利略的实验能更有力地说明“力不是维持物体运动的原因”。 设置意图：初中实验“研究阻力对运动的影响”，学生只是通过实验粗浅认识到，阻力越小，速度减小得越慢。与伽利略的实验相比，伽利略的实验既考虑到受力作用是物体运动状态的变化情况，也涉及了不受力作用的运动状态。并且，伽利略的实验也是基于物理学史，再现了伽利略当时的思维过程，更有助于帮助学生了解理想实验的研究方法，以及基于真实实验的逻辑推理的过程。  二、伽利略理想斜面实验后测题 116世纪末，伽利略用实验和推理，推翻了已在欧洲流行了近两千年的亚里士多德关于力和运动的理论，开启了物理学发展的新纪元。在以下说法中，与亚里士多德观点相反的是（ ） A四匹马拉车比两匹马拉的车跑得快，这说明物体受的力越大，速度就越大 B一个运动的物体，如果不再受力了，它总会逐渐停下来，这说明，静止状态才是物体长时间不受力时的“自然状态” C两物体从同一高度自由下落，较重的物体下落较快 D一个物体维持匀速直线运动，不需要受力 2伽利略创造的把实验、假设和逻辑推理相结合的科学方法，有力地促进了人类科学认识的发展。利用如图所示的装置做如下实验：小球从左侧斜面上的O点由静止释放后沿斜面向下运动，并沿右侧斜面上升。斜面上先后铺垫三种粗糙程度逐渐减低的材料时，小球沿右侧斜面上升到的最高位置依次为1、2、3。根据三次实验结果的对比，可以得到的最直接的结论是（ ） A如果斜面光滑，小球将上升到与O点等高的位置 B如果小球不受力，它将一直保持匀速运动或静止状态 C如果小球受到力的作用，它的运动状态将发生改变 D小球受到的力一定时，质量越大，它的加速度越小 3关于伽利略的理想斜面实验，下列说法正确的是（ ） A伽利略的理想实验所用到的方法是在可靠事实基础上进行抽象思维而创造出来的一种科学推理方法，是科学研究中的一种重要方法  B理想实验是一种纯思维实验，由于无法接受实践的检验，所以不可信 C伽利略的理想实验有力地否定了亚里士多德的观点  D在科学发达的今天，伽利略的理想斜面实验是可以通过实验验证的 4如图所示，伽利略理想实验将可靠的事实和理论思维结合起来，能更深刻地反映自然规律，有关实验程序内容如下： （1）减小第二个斜面的倾角，小球在此斜面上仍然要达到原来的高度； （2）两个对接的斜面，让静止的小球沿一个斜面滚下，小球将滚上另一个斜面； （3）如果没有摩擦，小球将上升到释放的高度； （4）继续减小第二个斜面的倾角，最后使它成水平面，小球沿水平面做持续的匀速运动。 请按程序先后次序排列，并指出它究竟属于可靠事实，还是通过思维过程的推论，下列选项正确的是（ ） A事实（2）事实（1）推论（3）推论（4） B事实（2）推论（1）推论（3）推论（4） C事实（2）推论（3）推论（1）推论（4） D事实（2）推论（1）推论（4）学科网（北京）股份有限公司