“牛頓運動定律”教學(xué)中值得注意的幾點

朱亞軍

[摘要]牛頓運動定律是經(jīng)典力學(xué)的重要基石，牛頓運動定律的教學(xué)過程體現(xiàn)了豐富的科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)品質(zhì)和人文底蘊。在突破牛頓運動定律教學(xué)重點和難點的過程中，能夠大力提升學(xué)生核心素養(yǎng)中的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力等綜合實踐能力。

[關(guān)鍵詞]牛頓運動定律值得注意的幾點

[中圖分類號]G633.7

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-6058（2016）32-0065

牛頓運動定律不僅是動力學(xué)的核心內(nèi)容，而且是經(jīng)典力學(xué)的重要基石之一，還是學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)功和能、沖量和動量等后續(xù)物理知識不可或缺的認(rèn)知儲備。牛頓運動定律建立的過程蘊藏了豐富的科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)品質(zhì)和人文底蘊，能夠培養(yǎng)和提升學(xué)生核心素養(yǎng)中的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力等綜合實踐能力。因此，牛頓運動定律在高中物理教學(xué)中具有重要地位和作用。引導(dǎo)學(xué)生深刻理解、熟練運用牛頓運動定律是高中物理教學(xué)的重中之重。

一、“牛頓第一定律”教學(xué)中值得注意的幾點

1.對“牛頓第一定律”的深入挖掘

牛頓第一定律破除了長達(dá)一千多年的亞里士多德的錯誤觀念：必須有力作用在物體上，物體才能運動；沒有力的作用，物體就要靜止在一個地方。改變了人類的自然觀和世界觀，深刻揭示了力和運動的關(guān)系：保持靜止或原來運動狀態(tài)是物體的固有屬性——慣性；力不是維持物體速度（運動狀態(tài)）的原因，而是改變物體速度（運動狀態(tài)）的原因。這是力的作用效果的表現(xiàn)形式之一，隱含了力概念的定性含義——力是物體對物體的作用，為牛頓第二定律和牛頓第三定律的產(chǎn)生埋下了伏筆。因此，牛頓第一定律是牛頓第二定律和牛頓第三定律的基礎(chǔ)。

2.客觀、公正地評價前輩科學(xué)家

雖然伽利略和牛頓等科學(xué)家糾正了亞里士多德關(guān)于力和運動關(guān)系的錯誤觀念，但今人不應(yīng)苛求和輕視古人，因為，人類在一定的歷史條件下對某種自然現(xiàn)象或事物的認(rèn)識具有相對性，形成的理論是相對真理，隨著時代的變遷，人類越來越聰慧，科學(xué)方法不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，技術(shù)手段也與時俱進(jìn)，人類對自然和世界的認(rèn)識不斷深入，逐步修正和完善相對真理。所以，我們絕不能否認(rèn)亞里士多德對人類文明的貢獻(xiàn)，亞里士多德是古希臘著名的哲學(xué)家、科學(xué)家、教育家和思想家，他的研究成果十分豐富，涉及天文、氣象、生物、哲學(xué)、數(shù)學(xué)和物理等方面，他是西方文化的奠基人，是現(xiàn)實主義的鼻祖。他追求以世界的本來面目來說明各種自然現(xiàn)象，倡導(dǎo)從直覺和思維兩個方面認(rèn)知和研究事物。正是因為欠缺思辨和實驗，才得出上述關(guān)于力和運動關(guān)系的錯誤結(jié)論。

3.明白牛頓雖然站在巨人的肩膀上，但牛頓的創(chuàng)新令人敬佩。

牛頓第一定律也稱慣性定律，最初由伽利略提出。伽利略通過對接斜面的實驗，發(fā)現(xiàn)小球沿對面斜面向上運動幾乎達(dá)到原來的高度，如果不斷減小對面斜面的傾角，小球沿該斜面運動的長度將不斷增加，進(jìn)而他創(chuàng)造性地提出了“理想實驗”并得出結(jié)論：如果將對面的斜面改為水平面，則小球?qū)⒂肋h(yuǎn)運動下去而不需要外力來維持。于是伽利略提出：“任何速度一旦施加給一個物體，只要除去加速或減速的外因，此速度就可保持不變，不過這是只能在水平面上發(fā)生的一種情形?！边@就是慣性定律的雛形；但是，伽利略認(rèn)為的“水平面”是“各部分和地心等距離的球面”，顯然，這是不妥當(dāng)?shù)?。后來，笛卡爾通過進(jìn)一步的深入研究，完善了伽利略提出的慣性定律，表述為：如果物體處在運動之中，那么如無其他原因作用的話，它將繼續(xù)以同一速度在同一直線上運動，既不停下，也不偏離原來的方向。

牛頓繼承并豐富、發(fā)展了伽利略和笛卡爾等科學(xué)家的觀念，提出了慣性概念，明確了力的定義，給出了參考系的意義，鋪墊了慣性系和非慣性系，認(rèn)為靜止和運動并沒有區(qū)別，都是平衡狀態(tài)，進(jìn)而把慣性定律表述為牛頓第一定律：一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)。

4.清楚牛頓第一定律雖然有實驗支撐，但不能用實驗直接驗證

顯然，牛頓第一定律是從大量自然和實驗現(xiàn)象中抽象、概括出來的。由于外界對物體的作用力只可能盡量減小而不能完全消除，所以牛頓第一定律不能用實驗直接嚴(yán)格驗證。牛頓第一定律的正確性是靠它得出的推論在現(xiàn)實實際和無數(shù)實驗中無一例外地被證實而得到證明的，進(jìn)而成為牛頓物理學(xué)的基石。

二、“牛頓第二定律”教學(xué)中值得注意的幾點

1.運用經(jīng)典方法——“控制變量法”探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系時的注意事項

（1）平衡摩擦力的時候，一定要認(rèn)真、仔細(xì)，長板的傾角既不能小，又不能大，要恰好使小車的重力沿斜面向下的分力平衡摩擦力及其他阻力，確保無牽引的小車在長板上做勻速直線運動。

（2）安裝器材時，要調(diào)整滑輪的高度，使細(xì)繩與斜面平行，但是在平衡摩擦力的時候，一定要取下細(xì)線、砝碼盤和其中的砝碼。

（3）實驗過程中一定要注意使砝碼盤和盤中砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和車上砝碼的總質(zhì)量。一般來說，砝碼盤和盤內(nèi)砝碼的總質(zhì)量不超過小車和車上砝碼總質(zhì)量的10%。

（4）改變拉力或小車質(zhì)量后，每次開始時小車應(yīng)盡量靠近打點計時器，并應(yīng)先接通電源，再釋放小車，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前及時按停小車。

2.對“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”的思考和創(chuàng)新

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的快速發(fā)展和教學(xué)理念的優(yōu)化，物理實驗的方法和技術(shù)也在不斷地推陳出新，我們可借助DIS實驗（數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗）從以下兩個方面優(yōu)化“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”的實驗。

（1）由于手工根據(jù)打點計時器打出的紙帶上的點計算小車運動的加速度比較繁雜且耗時較長，有機械重復(fù)、浪費時間之嫌，故可用傳感器測量小車的加速度a，在小車做勻加速運動的過程中，與位移傳感器相連的計算機屏幕上可呈現(xiàn)出小車運動的V-t圖像，在V-t圖像上選取合適的區(qū)域，借助DIS的功能鍵可方便、快捷地獲得小車加速度a的大小。

另外，在小車上安裝細(xì)窄（0，5cm左右）的遮光片，利用兩個光電門（同種規(guī)格）和數(shù)字毫秒計，也可很便捷地測出小車加速度a的大小。

（2）在“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”的實驗中，為了將砝碼盤及砝碼的總重力大小mg視為細(xì)繩對小車的拉力大小F，要求滿足條件“砝碼盤和盤中砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和車中砝碼的總質(zhì)量”。但是，隨著砝碼盤中砝碼的不斷增加，越來越不能滿足上述實驗條件。最終導(dǎo)致根據(jù)數(shù)據(jù)描繪相關(guān)圖像時，圖線的末端發(fā)生了彎曲，干擾實驗結(jié)論的順利得出。

為了突破上述難點，摒棄條件“砝碼盤和盤中砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和車中砝碼的總質(zhì)量”，可借助力傳感器直接測量細(xì)繩中拉力F的大?。簩⒘鞲衅鞴潭ㄔ谛≤嚨那岸?，牽引小車的細(xì)繩直接與力傳感器相連，在小車加速運動的過程中，計算機屏幕上同步呈現(xiàn)拉力F隨時間t變化的圖像。采集實驗數(shù)據(jù)時，只要在F-t圖像上選擇合適的區(qū)域，即可得到該區(qū)域內(nèi)細(xì)繩拉力的平均值。

但是，這種實驗方法要求力傳感器的數(shù)據(jù)必須以無線方式傳輸，以免在小車運動的過程中傳輸線的移動影響小車的運動。另外，在用這種方式呈現(xiàn)細(xì)繩拉力的過程中，由于細(xì)繩有彈性且要繞過定滑輪快速運動，計算機屏幕上呈現(xiàn)的細(xì)繩中拉力F的大小會出現(xiàn)一些波動，為克服這一缺陷，可在圖像上選取較大的區(qū)域，獲得拉力F大小的平均值。

（4）牛頓第二定律定量給出了力的單位“牛頓”的物理意義。眾所周知，力的單位是“牛頓”，1牛頓到底是多大？其物理意義是什么？總不能讓學(xué)生一直停留在初中階段定性的層面：1牛頓大約是兩只普通雞蛋的重量。

事實上，牛頓第二定律的一般表達(dá)式是F=kma，但常用的表達(dá)式是F=ma，k取1的意義是在國際單位制中定義1牛頓力的大小是使質(zhì)量為1kg的物體獲得1m/s²的加速度，即1N=1kg·m/s²。

三、“牛頓第三定律”教學(xué)中值得注意的幾點

1.“牛頓第三定律”的內(nèi)涵解讀

2.“牛頓第三定律”的教學(xué)建議

鑒于高一學(xué)生在初中階段已初步接觸過物體間力的相互作用，基本知曉牛頓第三定律的內(nèi)容。但為了幫助學(xué)生深刻體會相互作用力的特點，加深對牛頓第三定律的理解，課前布置學(xué)生先預(yù)習(xí)“牛頓第三定律”，然后分組自主設(shè)計實驗驗證：①作用力和反作用力反向、共線；②作用力和反作用力大小相等；③用實例分析、比較、歸納一對相互作用力與一對平衡力，并收集、整理凸顯牛頓第三定律的趣味視頻資料。上課時，教師先帶領(lǐng)學(xué)生做一兩個典型實驗：①兩個同規(guī)格的彈簧秤水平互拉；②用傳感器探究作用力與反作用力的關(guān)系。然后學(xué)生們分組展示、交流自主設(shè)計的實驗，教師做好組織和調(diào)控。課后布置學(xué)生并自制“水火箭”，探究影響“水火箭”上升高度的因素。

友情提醒：牛頓運動定律適用于低速、宏觀的慣性系。

3.例題賞析

有人做過這樣一個實驗：如圖所示，把雞蛋A快速向另一個完全一樣的靜止的雞蛋B撞去（用同一部分撞擊），結(jié)果幾乎每次都是被撞擊的雞蛋B被撞破。則下面說法正確的是（ ）。

A.雞蛋A對B的作用力的大小等于雞蛋B對A的作用力的大小

B，雞蛋A對B的作用力的大小大于雞蛋B對A的作用力的大小

C.雞蛋A在碰撞的瞬間，其內(nèi)蛋黃和蛋白由于慣性會對A蛋殼產(chǎn)生向前的作用力

D.雞蛋A的碰撞部位除受到雞蛋B對它的作用力外，還受到雞蛋A中蛋黃和蛋白對它的作用力，所以其受力部位所受的合力較小

分析：本題考查了慣性、牛頓第三定律及物體運動狀態(tài)改變等知識。為了正確解答此題，應(yīng)注意以下幾點：

（1）慣性是物體的固有屬性，一切物體都具有慣性。質(zhì)量是物體慣性大小的唯一量度，質(zhì)量大的物體慣性大，物體的運動狀態(tài)較難改變。反之，質(zhì)量小的物體慣性小，物體的運動狀態(tài)容易改變。

（2）慣性并不是一種力，物體的慣性總是以保持“原來狀態(tài)”或反抗“狀態(tài)改變”兩種形式表現(xiàn)出來。

（3）慣性與物體是否受力、怎樣受力無關(guān)；與物體是否運動、怎樣運動無關(guān)；與物體所處的地理位置無關(guān)。

（4）外力作用于物體使物體的運動狀態(tài)發(fā)生了改變，不能認(rèn)為改變了物體的慣性。

（5）作用力與反作用力的關(guān)系可總結(jié)為“四同、三異、三無關(guān)”。

（6）區(qū)別一對作用力、反作用力與一對平衡力，最直觀的方法是看作用點的位置和作用效果：一對平衡力作用在同一個物體上，使物體處于平衡狀態(tài)；一對作用力與反作用力分別作用在兩個物體上，這兩個物體的狀態(tài)（運動）不一定相同。

解析：雞蛋A和雞蛋B相互碰撞時，雞蛋A對雞蛋B的作用力和雞蛋B對雞蛋A的作用力是一對作用力與反作用力，一定大小相等，方向相反。所以選項A正確，選項B錯誤。在撞擊的短暫過程中，雞蛋A內(nèi)的蛋黃和蛋白由于慣性，在速度減小的過程中，會對雞蛋A的蛋殼內(nèi)壁產(chǎn)生向前的作用力，從而使雞蛋A的蛋殼與雞蛋B蛋殼的接觸處所受的合力比雞蛋B的蛋殼與雞蛋A蛋殼的接觸處所受的合力小，因此雞蛋B的蛋殼易被撞破，所以選項C、D正確。綜上所述，本題的正確選項為ACD。

反思：應(yīng)用牛頓第三定律分析問題時應(yīng)注意以下兩點。

（1）不要僅憑日常觀察的直覺印象或經(jīng)驗輕易得出結(jié)論，解決實際問題的時候，只有嚴(yán)格根據(jù)科學(xué)理論縝密分析，才能得出正確的結(jié)論。

（2）應(yīng)用牛頓第三定律解決問題的時候，不僅要牢記“四同、三異、三無關(guān)”，而且要抓住“總是”二字，即作用力與反作用力的關(guān)系與物體的運動狀態(tài)無關(guān)。