《太空驗(yàn)證牛頓第一定律——天宮課堂慣性實(shí)驗(yàn)探究》

跨學(xué)科實(shí)踐

為“天宮課堂”設(shè)計(jì)一個(gè)小實(shí)驗(yàn)01回顧（牛頓第一定律）伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)為牛頓第一定律奠定基礎(chǔ)，牛頓在此基礎(chǔ)上總結(jié)歸納。定律發(fā)現(xiàn)歷程定律解讀一切物體在沒有受到力的作用時(shí)，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。牛頓第一定律1.“一切”適用于所有物體。2.“沒有受到力的作用”是定律成立的條件。3.“總”一直、不變?！傲Α笔侵肝矬w受到的所有力的合力，包括重力、摩擦力等?！氨３诌\(yùn)動(dòng)狀態(tài)”意味著物體在沒有力作用時(shí)，其速度和方向都不會(huì)改變。02天地對(duì)比實(shí)驗(yàn)地面實(shí)驗(yàn)（小球在桌面滾動(dòng)停止）空間站實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證牛頓第一定律（慣性定律），觀察在微重力環(huán)境下物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化。實(shí)驗(yàn)原理：一切物體在沒有受到力的作用時(shí)，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在地球上，由于重力和摩擦力的影響，物體很難保持勻速運(yùn)動(dòng)；但在太空微重力環(huán)境下，物體更接近“不受力”的理想狀態(tài)，能更明顯地展示慣性現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)器材：一個(gè)小鋼球（或光滑塑料球）一根帶凹槽的軌道（或直尺）攝像機(jī)（直播實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）實(shí)驗(yàn)方法：航天員將小鋼球放在軌道上，輕輕推一下，讓它沿軌道運(yùn)動(dòng)。在地球上，小球會(huì)因?yàn)槟Σ亮椭亓芸焱Ｏ?；但在太空站里，小球幾乎保持勻速直線運(yùn)動(dòng)，直到碰到軌道盡頭。航天員可以改變推動(dòng)力度，觀察小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（速度不同，但都近似勻速運(yùn)動(dòng)）。對(duì)比表格環(huán)境運(yùn)動(dòng)時(shí)間受力情況地面2秒停止重力+摩擦力太空持續(xù)運(yùn)動(dòng)近似零受力實(shí)驗(yàn)展示：對(duì)比地面實(shí)驗(yàn)（小球很快停下）和太空實(shí)驗(yàn)（小球幾乎不停），說明“外力（如摩擦力）是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”?！盀槭裁刺罩械男∏虮鹊厍蛏系倪\(yùn)動(dòng)得更久？”實(shí)驗(yàn)器材：激光測(cè)距儀（安裝于軌道盡頭）電子計(jì)時(shí)器（與測(cè)距儀聯(lián)動(dòng)）刻度標(biāo)尺（貼在軌道旁，視頻可讀）太空慣性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)操作步驟：航天員推出小球時(shí)同步啟動(dòng)計(jì)時(shí)器小球通過軌道中點(diǎn)（50cm標(biāo)記處）時(shí)記錄時(shí)間t?小球到達(dá)軌道盡頭（100cm處）觸發(fā)激光測(cè)距儀停止計(jì)時(shí)（t?）計(jì)算平均速度：v=(100cm-50cm)/(t?-t?)數(shù)據(jù)分析：速度基本保持不變，驗(yàn)證了"近似勻速運(yùn)動(dòng)"的結(jié)論模擬數(shù)據(jù)示例（供課件使用）實(shí)驗(yàn)次數(shù)推力大?。枋觯r(shí)間（s）平均速度（cm/s）運(yùn)動(dòng)狀態(tài)第一次輕推0→50cm2.025勻速50→100cm2.025第二次中等推力0→50cm1.050勻速50→100cm1.050第三次用力推0→50cm0.5100勻速50→100cm0.510003太空實(shí)驗(yàn)揭秘航天員推出小球航天員在空間站中輕輕推出小球，小球開始運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，小球受到航天員的推力作用，獲得初速度。01小球勻速運(yùn)動(dòng)小球在空間站內(nèi)沿直線勻速運(yùn)動(dòng)，軌跡清晰可見。小球在運(yùn)動(dòng)過程中，速度大小和方向保持不變。02碰到艙壁停止小球最終碰到艙壁，受到接觸力作用而停止運(yùn)動(dòng)。接觸力改變了小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使其停止。03實(shí)驗(yàn)過程04拓展思考PowerPoint地球環(huán)境在地球表面，物體受到重力和摩擦力等外力作用，慣性表現(xiàn)不明顯。地球環(huán)境中的慣性受到外力的干擾，難以觀察。太空環(huán)境在太空環(huán)境中，物體幾乎不受外力作用，慣性表現(xiàn)明顯。太空實(shí)驗(yàn)為研究慣性提供了理想的環(huán)境。月球環(huán)境月球表面重力較小，物體的慣性表現(xiàn)介于地球和太空之間。月球環(huán)境中的慣性研究有助于了解不同引力環(huán)境下的物理現(xiàn)象。010203慣性在不同環(huán)境下的表現(xiàn)05互動(dòng)環(huán)節(jié)若在月球做此實(shí)驗(yàn)，小球運(yùn)動(dòng)時(shí)間會(huì)？A.比地球短B.介于天地之間C.和太空站一樣月球?qū)嶒?yàn)猜想02討論生活中哪些設(shè)計(jì)利用了慣性？討論如果空間站加速運(yùn)動(dòng)，小球會(huì)怎樣？互動(dòng)討論01選擇題互動(dòng)答案B，因月球有弱重力，小球會(huì)受到一定阻力，但運(yùn)動(dòng)時(shí)間比地球長(zhǎng)。答案：相對(duì)艙體向后勻速運(yùn)動(dòng)06練習(xí)環(huán)節(jié)1.在中國空間站內(nèi)，以下實(shí)驗(yàn)器材能否有效使用？請(qǐng)進(jìn)行歸類，并說明理由。仍能有效使用的器材(選填序號(hào))理由②無液氣壓計(jì)是利用氣壓工作的，與重力無關(guān)，所以能在微重力狀態(tài)下有效使用。 ③彈簧測(cè)力計(jì)是利用在彈性限度內(nèi)，彈簧的伸長(zhǎng)量與拉力成正比的原理制成的，與重力無關(guān)，所以能在微重力狀態(tài)下有效使用。仍能有效使用的器材(選填序號(hào))理由⑥煤油溫度計(jì)是利用液體熱脹冷縮原理工作的，在失重條件下溫度的變化仍然會(huì)引起液體體積的變化，所以能在微重力狀態(tài)下有效使用。不能有效使用的器材(選填序號(hào))理由①天平是利用杠桿的原理，天平平衡需要物體對(duì)托盤的壓力，在失重狀態(tài)下物體對(duì)托盤沒有壓力，所以不能在微重力狀態(tài)下有效使用。④液體壓強(qiáng)計(jì)是靠U形管內(nèi)液面的高度差反映壓強(qiáng)的，在失重狀態(tài)下液體對(duì)橡皮膜沒有壓強(qiáng)，不能在微重力狀態(tài)下有效使用。不能有效使用的器材(選填序號(hào))理由⑤水銀氣壓計(jì)，在失重狀態(tài)下，水銀不會(huì)產(chǎn)生壓強(qiáng)，所以不能在微重力狀態(tài)下有效使用。二、“探究運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)2.在空間站“探究運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)備三條相同的長(zhǎng)木板，使它們都固定在空間站內(nèi)，分別在長(zhǎng)木板的一端安裝一個(gè)相同的彈簧，并在其上面分別鋪上并固定毛巾、紙板和玻璃板。把相同的小車放在彈簧自由端旁邊，利用小車擠壓彈簧，松手，小車在彈力的作用下向右運(yùn)動(dòng)。(1)實(shí)驗(yàn)中每次均讓小車擠壓彈簧的長(zhǎng)度_____，目的是使小車在水平面上開始滑行時(shí)獲得相同的_____。(2)利用相機(jī)給小車拍攝頻閃相片，以下符合實(shí)際情況的是____。相同速度C(3)在空間站做實(shí)驗(yàn)時(shí)，長(zhǎng)木板上的小車_____摩擦力，原因是：______________________。(4)在空間站做實(shí)驗(yàn)還需要通過推理得出“牛頓第一定律”嗎？你的答案是：________。不受小車處于微重力環(huán)境中不需要【項(xiàng)目拓展】小明在看“天宮課堂”的“浮力消失實(shí)驗(yàn)”，發(fā)現(xiàn)空間站中的乒乓球沒有浮上來，如圖1－甲所示。同學(xué)們?cè)谡n堂上做相同的實(shí)驗(yàn)，乒乓球卻能漂浮在水面上，如圖乙所示。小明為弄清楚其中的原因，對(duì)浮力的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了如下探究：(1)如圖丙所示，把兩個(gè)乒乓球放入瓶口向下、底部被剪開的礦泉水瓶中，當(dāng)向瓶中加水時(shí)，上面的乒乓球漂浮，底部的乒乓球卻沒有上浮。小明思考得出結(jié)論：上面的乒乓球由于下表面有水，受到水向____的壓力而上浮；而底部的乒乓球由于僅有上表面受到水向____的壓力而沒有受到浮力，所以沒有上浮。(均選