高中物理 第5章 第1节 牛顿第一定律备课资料 鲁科版必修1.doc

牛顿第一定律-备课资料 一、历史的回顾 毛主席在实践论中对感性认识和理性认识的关系作出如下的论述:“感性材料固然是客观世界某些真实性的反映，但它们仅是片面的和表面的东西，这种反映是不完全的，是没有反映事物本质的.要完全地反映整个事物、反映事物的本质、反映事物的内部规律性，就必须经过思考作用，将丰富的感觉材料加以去粗取精，去伪存真，由此及彼，由表及里地改造、制作，形成概念和理论的系统,就必须从感性认识跃进到理性认识.” 人们对运动和力的关系的认识经过了从感性认识到理性认识的跃进.这个过程经历了两千年的时间，在此过程中伽利略作出了主要贡献.由此可以看出伽利略的伟大和工作的卓越.就是这样一个伟大的科学家，因为他的科学思想不符合教会的统治思想，受到教会的禁锢.直到最近，梵蒂冈教庭才给他公开平反.科学思想得来不易，科学的真理总是要战胜不科学的东西. 2000多年前，古希腊哲学家亚里士多德根据当时人们对运动和力的关系的认识提出一个观点:必须有力作用在物体上，物体才能运动. 这种观点的提出是很自然的.我们从周围的事情出发，很容易就会得到这个结论.如车不推就不走，门不拉不开等.这种观点统治人们的思想有两千年. 直到17世纪，意大利科学家伽利略才指出这种说法是错误的，他分析到:运动的车停下来是由于摩擦力的原因，运动物体减速的原因是摩擦力.伽利略提出了自己的看法，他指出:物体一旦具有某一速度，没有加速和减速的原因，这个速度将保持不变.这里所指的减速的原因就是摩擦力. 为了证实结论的正确，他设计了一个理想实验（thought experiment），下面利用一个跟他的理想实验装置相似的实验向大家介绍一下伽利略的实验. 实验:有两个斜面，用一个小球放到左边的斜面上，放手后小球从左边斜面上滚下后滚到右边的斜面上.在有摩擦力的情况下，到达右边斜面的高度比左边的释放高度要低. 伽利略所设计的实验是这样的:实验装置跟现在的一样，实验时若没有摩擦力（当然没有摩擦力是不可能的，所以他的实验是想象中的理想实验），我们看一下小球在这个理想实验中会怎样运动. 把小球放到左边斜面的某一个高度，放手后由于有加速度的原因，所以小球会从斜面上滚下，越滚越快；到右边斜面时，由于有减速的原因，小球会越滚越慢.在没有摩擦力的情况下，小球应达到左边的释放高度. 改变右边斜面的倾角，倾角变小，小球要达到同样的高度，要在斜面上走更远的距离.当右边倾角为零时，小球将一直滚下去永远达不到左边的释放高度，这个速度将保持不变.这个实验虽然是个理想实验，但却是符合科学道理的.没有摩擦的情况是很难实现的，现代技术给我们提供了阻力很小的条件.我们来看一下气垫实验.它的原理是气泵给气垫装置打气，导轨上有许多小孔，滑块与导轨间形成一层空气薄膜，滑动时阻力很小.我们观察一下滑块的运动情况，可以看到滑块的速度基本不变. 法国科学家笛卡儿补充和完善了伽利略的论点，提出了惯性定律:如果没有其他原因，运动的物体将继续以同一速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向. 伽利略和笛卡儿对物体的运动作了准确的描述，但是没有指明原因是什么，这个原因跟运动的关系是什么. 牛顿总结了前人的经验，指出了加速和减速的原因是什么，并指出了这个原因跟运动的关系，这就是牛顿第一定律.二、了不起的牛顿 牛顿sir isaac newton(16421727)是伟大的英国物理学家和数学家.他出生于林肯郡伍尔索普的一个农村家庭,恰与伽利略的去世是同年. 牛顿是遗腹子,又是早产儿,先天不足,出生时体重只有3磅,差点夭折.他两岁时母亲改嫁,靠外祖母抚养.牛顿小学时期,体弱多病,性格腼腆,有些迟钝,学习成绩不佳.但他意志坚强,有不服输的劲头.据说,一次班上功课第一的“小霸王”欺侮他,踢了他的肚子一脚.牛顿被迫鼓起勇气与他较量,同时暗下决心在功课上一定要超过小霸王.他告诫自己说:“无论做什么事情,只要肯努力,是没有不成功的.”经过刻苦努力,牛顿超过了小霸王,一跃而成为全班第一. 牛顿12岁进金格斯中学上学,那时他喜欢自己设计风筝、风车、日规等玩意儿.他制作的一架精巧的风车,别出心裁,内放老鼠一只,名曰“老鼠开磨坊”,连大人看了都赞不绝口.1656年牛顿继父去世,母亲让牛顿停学务农,但他学习入迷,经常因看书思考而误活.在舅舅的关怀下,1661年,他进入剑桥大学三一学院学习,得到著名数学家巴罗的赏识和指导.他先后钻研了开普勒的光学、欧几里得的几何学原本等名著.1665年大学毕业,成绩平平.这年夏天伦敦发生鼠疫,牛顿暂时离开剑桥,回到伍耳索普乡下待了18个月.这18个月竟为牛顿一生科学的重大发现奠定了坚实的基础.1667年牛顿返回剑桥大学,进三一学院攻读研究生,1668年获得硕士学位.次年巴罗教授主动让贤,并推荐牛顿继任“卢卡斯自然科学讲座”的数学教授.时年牛顿27岁,从此在剑桥一待30年,1672年牛顿入选为英国皇家学会会员；1689年当选为英国国会议员；1696年出任皇家造币厂厂长；1703年当选为皇家学会会长；1705年英国女王加封牛顿为艾萨克爵士. 牛顿是17世纪最伟大的科学巨匠.他的成就遍及物理学、数学、天体力学的各个领域.牛顿在物理学上最主要的成就是发现了万有引力定律,综合并表述了经典力学的3个基本定律惯性定律、力与加速度成正比的定律、作用力和反作用力定律；引入了质量、动量、力、加速度、向心力等基本概念,从而建立了经典力学的公理体系,完成了物理学发展史上的第一次大综合,建立了自然科学发展史上的里程碑.其重要标志是他于1687年所发表的自然哲学的数学原理这一巨著. 在光学上,他做了用棱镜把白光分解为七色光(色散)的实验研究；发现了色差；研究了光的干涉和衍射现象,发现了牛顿环；制造了以凹面反射镜替代透镜的“牛顿望远镜”.1704年出版了他的光学专著,阐述了自己的光学研究的成果. 在数学上,牛顿与德国莱布尼茨各自独立创建了“微积分学”；他还建立了牛顿二项式定理.牛顿在声学、热学、流体力学等方面也有不少研究成果和贡献. 牛顿的一生遇到不少争论和麻烦.例如,关于万有引力发现权等问题,胡克与他争辩不休,差点影响了原理的出版；关于微积分发明权的问题,与莱布尼茨以及德英两国科学家争吵不止,给内向的牛顿带来极大的痛苦.40岁以后,他把兴趣转向政治、化学(碱金属变成黄金)、神学问题,写了近200万言的著作,毫无价值.常言道“人无完人,金无足赤”,牛顿也是如此.但是牛顿终归是伟大的牛顿,他的科学贡献将永载史册. 1727年3月31日,牛顿因肾结石症,医治无效,在伦敦去世,终年86岁.他死后被安葬在威斯敏斯特大教堂之内,与英国的先贤们安葬在一起.后人为纪念他,将力的单位定名为牛顿.英国著名诗人波普为他写了碑铭,镶嵌在牛顿出生的房屋的墙壁上. “道法自然,久藏玄冥；天降牛顿,万物生明.”三、关于理想实验及其在科学研究中的作用 所谓“理想实验”，又叫“假想实验”“抽象的实验”或“思想上的实验”，它是人们用思想塑造的理想过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法. “理想实验”虽然也叫做“实验”，但它同真实的科学实验是有原则区别的，真正的科学实验是一种实践的活动，而“理想实验”则是一种思维的活动，前者是可以将设计通过物化过程而实现的实验，后者则是人们在抽象思维中设想出来而实际上无法做到的“实验”. 但是，“理想实验”并不是脱离实际的主观臆想.首先，理想实验是以实践为基础的，所谓的理想实验，就是在真实的科学实验基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾,对实际过程作出更深入一层的抽象分析；其次，理想实验的推理过程，是以一定的逻辑法则为根据的，而这些逻辑法则，都是从长期的社会实践中总结出来的，并为实践所证实了的. 在自然科学的理论研究中，“理想实验”具有重要的作用.作为一种抽象思维的方法，“理想实验”可以使人们对实际的科学实验有更深刻的理解，可以进一步揭示出客观现象和过程之间内在的逻辑关系，并由此得出重要的结论，例如:作为经典力学基础的惯性定律，就是“理想实验”的一个重要结论，这个结论不是直接从实验中得出的.伽利略曾注意到，当一个球从一个斜面上滚下而又滚上第二个斜面时，球在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面开始滚下时的高度几乎相等.伽利略断定高度上的这一微小差别是由于摩擦而产生的，如能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等，然后，他推想说:在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜度多么小，球在第二个斜面上总是达到相同的高度.最后，如果第二个斜面的倾斜度完全消除了，那么球从第一个斜面滚下来之后，将以恒定的速度在无限长的平面上永远不停地运动下去，这个实验是无法实现的，因为永远也无法将摩擦完全除掉，所以，这正是一个“理想实验”.但是伽利略因此而得到的结论，打破了亚里士多德两千多年以来关于“受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止”这一类的陈旧观念，为近代力学的建立奠定了基础.后来，这个结论被牛顿总结为运动第一定律，即惯性定律.四、方法主线导析 本节的重点是牛顿第一定律和惯性，难点是对惯性概念的正确理解.对于惯性，应正确认识它是指物体保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质，它是物体的固有属性.一切物体都具有惯性，惯性的大小仅与质量有关.学习中还须注意:运动状态的变化是指速度的变化，物体运动速度的大小或方向的任何变化都表示物体运动状态已发生了改变.释疑解难（1）如何正确理解牛顿第一定律 牛顿第一定律的内容是:“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.”关于这个定律可以从以下三个方面来理解和认识.定律的前一句话揭示了物体所具有的一个重要属性，即“保持匀速直线运动状态或静止状态.而所说的物体，在空间上是指所有的任何一个物体.在时间上，是指每个物体总是具有这种属性,即在任何情况下都不存在没有这种属性的物体.这种“保持匀速直线运动状态或静止状态”的性质叫惯性.一句话，牛顿第一定律指出了一切物体在任何情况下都具有惯性.定律的后一句话“直到有外力迫使它改变这种状态为止”实际上是给力下的定义，即力是改变物体运动状态的原因（力并不是产生和维持物体运动的原因）.牛顿第一定律指出了物体不受外力作用时的运动规律.实际上，不受外力作用的物体是不存在的.物体所受到的几个力的合力为零时，其效果就跟不受外力相同，这时物体的运动状态是匀速直线运动或静止.（2）为何质量可以量度物体惯性的大小？实验表明，把相同的力作用在不同的物体上，物体产生的加速度一般是不同的.质量大