巧用DIS實(shí)驗(yàn)突破牛頓第二定律瞬時(shí)性的教學(xué)難點(diǎn)

王偉偉++王中宇

摘 要：牛頓第二定律的內(nèi)容是物體的加速度跟物體所受的合外力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向始終與合外力的方向一致。牛頓第二定律的瞬時(shí)性是指物體的加速度與合外力同時(shí)產(chǎn)生、同時(shí)變化、同時(shí)消失。應(yīng)用牛頓第二定律的瞬時(shí)性解決彈簧和繩連接物的問(wèn)題，在各類考試試卷中屢見(jiàn)不鮮。本文結(jié)合筆者的物理教學(xué)實(shí)踐，介紹如何運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)突破這一教學(xué)難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：牛頓運(yùn)動(dòng)定律；瞬時(shí)性；彈力

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）12-0050-2

1 典型例題

如圖1，A、B兩個(gè)質(zhì)量均為m的小球之間用一根輕繩（不計(jì)質(zhì)量）連接，并用輕彈簧懸掛在天花板上，兩小球均保持靜止。若用火將細(xì)繩燒斷，則在繩剛斷的這一瞬間，A、B兩球的加速度大小分別是多少？

學(xué)生的困惑：火將細(xì)繩燒斷瞬間，彈簧和繩子的彈力都會(huì)發(fā)生變化，具體是怎樣的情況根本說(shuō)不清楚。

設(shè)計(jì)DIS實(shí)驗(yàn)解決困惑：為了更好地理解繩和彈簧彈力在突變時(shí)的特點(diǎn)，運(yùn)用DIS的通用軟件設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)圖像的對(duì)比，讓學(xué)生更好地理解這一難點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)器材 兩個(gè)力傳感器，計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，鐵架臺(tái)（帶鐵夾），細(xì)線，彈簧，50克的鉤碼，剪刀或者打火機(jī)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）組裝成如圖2的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

（2）開(kāi)啟電源，運(yùn)行DIS（朗威）應(yīng)用軟件，進(jìn)入“通用軟件”界面。

（3）點(diǎn)擊“組合圖線”，然后點(diǎn)擊“添加圖線”，X軸選時(shí)間，左Y軸選擇F1，圖線顏色選“紅色”，線性選擇“實(shí)線”。

（4）再點(diǎn)擊“添加圖線”，X軸選時(shí)間，左Y軸選擇F2，圖線顏色選“黑色”，線性選擇“實(shí)線”。

（5）點(diǎn)擊“調(diào)零”，然后點(diǎn)“開(kāi)始”實(shí)驗(yàn)。

（6）燒斷細(xì)線，兩個(gè)傳感器分別記錄彈簧彈力和繩彈力隨時(shí)間變化的情況。

（7）然后利用圖線控制調(diào)整圖線的大小。

（8）通過(guò)實(shí)驗(yàn)圖像（圖3）的對(duì)比，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

鉤碼的質(zhì)量大一些，細(xì)繩的彈性要小。

彈簧和細(xì)繩的彈力隨時(shí)間變化的圖像（圖3）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

兩個(gè)力在同一坐標(biāo)系下的圖像對(duì)比，得知在細(xì)繩燒斷瞬間，彈簧的彈力（紅色圖線）還未變化，而繩子的彈力（藍(lán)色圖線）已經(jīng)變化。所以在處理實(shí)際問(wèn)題時(shí)，建立如下兩種模型：

（1）“輕繩”模型：輕繩的重力可忽略，發(fā)生形變產(chǎn)生彈力。若斷后，其中彈力立即消失。

（2）“輕彈簧”模型：輕彈簧的重力可忽略，因其發(fā)生形變需要一定時(shí)間，其彈力不能發(fā)生突變，但當(dāng)彈簧和橡皮筋被剪斷瞬間，其所受的彈力可以看成不變。

3 說(shuō) 明

在動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中，物體受力情況在某些時(shí)候會(huì)發(fā)生突變。根據(jù)牛頓第二定律的瞬時(shí)性，物體受力發(fā)生突變時(shí)，物體的加速度也會(huì)發(fā)生突變，突變時(shí)刻物體的狀態(tài)稱為瞬時(shí)狀態(tài)。分析某一時(shí)刻的瞬時(shí)加速度，要分兩步，先明確瞬間前物體所受各力的大小和方向；再明確瞬間后哪些力不變，哪些力突變，即分析瞬時(shí)前后的受力情況及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再由牛頓第二定律求出瞬時(shí)加速度。

通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生更好地理解繩和彈簧彈力的區(qū)別，進(jìn)而學(xué)會(huì)處理瞬時(shí)性問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 王柏廬）