定量验证牛顿第三定律

陈　芳，周晓棣，拾景忠

(江苏师范大学 教师教育学院，江苏 徐州 221116)



定量验证牛顿第三定律

陈芳，周晓棣，拾景忠

(江苏师范大学 教师教育学院，江苏 徐州 221116)

摘要：通过2台电子天平的示数变化，定量地探究作用力与反作用力的关系，验证压力、浮力、磁力等多种形式的力均满足牛顿第三定律.

关键词：牛顿第三定律；作用力；反作用力；电子天平

牛顿第三定律是牛顿运动定律的重要组成部分，要让学生认识并记忆牛顿第三定律并不难，但这仅仅停留在感性认知的层面，一涉及到具体问题，他们就可能会由于片面的认识而产生错误. 因此，需要做更深入地研究，也就是用数据做定量分析，让学生逐步建立起科学的规律[1]. 力在生活中是无处不在，教材通过弹簧测力计的对拉实验可以定量地验证弹簧弹力满足牛顿第三定律，但诸如浮力、磁力等其他形式的力采取该方法则不容易验证. 为此，作者利用身边已有的仪器设计了几个实验，定量地验证了牛顿第三定律，帮助学生深入理解相互作用力的关系.

1实验器材

该装置由2台型号相同(精度为0.1 g)的电子天平1和2(分别置于升降台上和桌上)、1个固定装置、1个升降台构成.

2验证浮力与压力满足牛顿第三定律

2.1实验操作

1)如图1所示，在固定装置上悬挂重物，在电子天平2上放置盛水的烧杯，记录此时2台天平的示数，即为初始值.

2)调节升降台，将重物缓慢浸入水中，记录此时几组电子天平1和2的读数，并将这几组数据分别减去初始值，比较其变化值(如表1所示). 表1中第1～3次是重物部分浸入水中时所测数据，第4次是重物完全浸入水中时所测数据.

次数m1/gm2/gΔm1/gΔm2/g初始值843.9476.41820.3500.1-23.623.72798.6521.7-45.345.33745.0575.4-98.999.04729.0591.5-114.9115.1

2.2实验分析

1)将重物缓慢浸入水中，发现电子天平1的示数不断减小，说明水对重物有向上的作用力，即浮力；同时，电子天平2的示数不断增大，说明重物对水也有向下的反作用力，即压力.

2)随着重物逐渐浸入水中，2台电子天平示数变化的绝对值都在不断增大，即浮力与压力在同时变大.

3)计算表明，2台天平示数变化的绝对值始终相等，即所产生的浮力与压力大小始终相等.

4) 变化值的正负代表方向，负号代表向上，正号代表向下，即浮力与压力方向相反.

所以，无论重物是部分浸入还是全部浸入水中，重物所受浮力与其对水的压力这对作用力与反作用力总是满足牛顿第三定律.

3验证磁铁与铁块间的吸引力满足牛顿第三定律

3.1实验操作

1) 如图2所示，在固定装置上固定1块磁铁，再在电子天平2上放置1块铁块，记录此时2台电子天平的示数(即初始值).

2) 调节升降台，将磁铁缓慢靠近铁块正上方，记录几组电子天平1和2的读数，并将这几组数据减去初始，比较其变化，如表2所示.

图2　验证磁铁与铁块间的吸引力

次数m1/gm2/gΔm1/gΔm2/g初始值677.3363.11684.3356.27.0-6.92707.3333.230.0-29.93725.9314.548.6-48.64741.8298.664.5-64.5

3.2实验分析

1) 在磁铁缓慢靠近铁块的过程中，电子天平1的示数不断增大，说明铁块对磁铁有向下的作用力，即铁块对磁铁的吸引力；同时，电子天平2的示数不断减小说明磁铁对铁块也有向上的反作用力，即磁铁对铁块的吸引力.

2) 随着磁铁不断靠近铁块，2台电子天平示数变化的绝对值都在不断增大，即铁块对磁铁和磁铁对铁块的吸引力同时变大，也可说明距离越近，磁铁与铁块之间的吸引力越大.

3) 计算表明，2台天平示数变化的绝对值始终相等，即铁块对磁铁和磁铁对铁块的吸引力大小始终相等.

4) 变化值的正负代表方向，负号代表向上，正号代表向下，即铁块对磁铁和磁铁对铁块的吸引力方向相反.

所以，铁块对磁铁和磁铁对铁块的吸引力这对作用力与反作用力总是满足牛顿第三定律.

4实验拓展

根据这个实验模型，还可设计许多实验方案：

1)如果将图1中盛水的烧杯拿去，此时电子天平2的初始读数为零. 调节升降台将重物直接缓慢放置在电子天平2上. 可见，电子天平1减少的读数与电子天平2增加的读数相同，即可验证支持力和压力也满足牛顿第三定律.

2)如果将图2中的铁块换成磁铁，并且使2块磁铁同性磁极相对，即可验证磁斥力也满足牛顿第三定律.

5结束语

通过以上的实验及分析论证，生活中很多形式的力都可以通过定量探究的方法验证牛顿第三定律的成立. 本实验借助电子天平来读数，具有原理突出、操作方便、结果精确直观等优点，有效地帮助学生利用自己已有的感性认知和定性分析，通过定量探究的方式更加深刻地理解牛顿第三定律，并且能够更好地激起学生的好奇心和探索欲，调动学生自主学习的积极性，提高学生分析问题和解决问题的能力.

参考文献：

[1]刘焕奇. 从定性到定量 引导学生探究牛顿第三定律[J]. 中学物理,2015,33(4):2-3.

[2]陶洪. 物理实验论[M]. 南宁:广西教育出版社,1996:64-65.

[3]熊建新. 关于浮力的2个实验设计[J]. 物理实验,2015,35(4):23-24.

[责任编辑：尹冬梅]

Quantitative validation experiment on Newton third law

CHEN Fang, ZHOU Xiao-di, SHI Jing-zhong

(College of Teacher Education, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221116, China)

Abstract:The relationship between action and reaction was quantitatively explored by the changes of the display of the two electronic balances, and all kinds of forces, such as pressure, buoyancy and magnetic force, were verified to obey Newton third law.

Key words:Newton third law; action; reaction; electronic balance

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)04-0042-02

作者简介：陈芳(1994-)，女，江苏昆山人，江苏师范大学教师教育学院2012级本科生.通讯作者：拾景忠(1959-)，男，江苏徐州人，江苏师范大学教师教育学院高级实验师，学士，从事物理实验教学和研究.

收稿日期：2015-12-21