“牛顿运动定律”教学中值得注意的几点

朱亚军

[摘要]牛顿运动定律是经典力学的重要基石，牛顿运动定律的教学过程体现了丰富的科学思想、科学方法、科学品质和人文底蕴。在突破牛顿运动定律教学重点和难点的过程中，能够大力提升学生核心素养中的创新意识、创新能力和自主学习能力等综合实践能力。

[关键词]牛顿运动定律值得注意的几点

[中图分类号]G633.7

[文献标识码]A

[文章编号]1674-6058（2016）32-0065

牛顿运动定律不仅是动力学的核心内容，而且是经典力学的重要基石之一，还是学生进一步学习功和能、冲量和动量等后续物理知识不可或缺的认知储备。牛顿运动定律建立的过程蕴藏了丰富的科学思想、科学方法、科学品质和人文底蕴，能够培养和提升学生核心素养中的创新意识、创新能力和自主学习能力等综合实践能力。因此，牛顿运动定律在高中物理教学中具有重要地位和作用。引导学生深刻理解、熟练运用牛顿运动定律是高中物理教学的重中之重。

一、“牛顿第一定律”教学中值得注意的几点

1.对“牛顿第一定律”的深入挖掘

牛顿第一定律破除了长达一千多年的亚里士多德的错误观念：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止在一个地方。改变了人类的自然观和世界观，深刻揭示了力和运动的关系：保持静止或原来运动状态是物体的固有属性——惯性；力不是维持物体速度（运动状态）的原因，而是改变物体速度（运动状态）的原因。这是力的作用效果的表现形式之一，隐含了力概念的定性含义——力是物体对物体的作用，为牛顿第二定律和牛顿第三定律的产生埋下了伏笔。因此，牛顿第一定律是牛顿第二定律和牛顿第三定律的基础。

2.客观、公正地评价前辈科学家

虽然伽利略和牛顿等科学家纠正了亚里士多德关于力和运动关系的错误观念，但今人不应苛求和轻视古人，因为，人类在一定的历史条件下对某种自然现象或事物的认识具有相对性，形成的理论是相对真理，随着时代的变迁，人类越来越聪慧，科学方法不断优化和创新，技术手段也与时俱进，人类对自然和世界的认识不断深入，逐步修正和完善相对真理。所以，我们绝不能否认亚里士多德对人类文明的贡献，亚里士多德是古希腊著名的哲学家、科学家、教育家和思想家，他的研究成果十分丰富，涉及天文、气象、生物、哲学、数学和物理等方面，他是西方文化的奠基人，是现实主义的鼻祖。他追求以世界的本来面目来说明各种自然现象，倡导从直觉和思维两个方面認知和研究事物。正是因为欠缺思辨和实验，才得出上述关于力和运动关系的错误结论。

3.明白牛顿虽然站在巨人的肩膀上，但牛顿的创新令人敬佩。

牛顿第一定律也称惯性定律，最初由伽利略提出。伽利略通过对接斜面的实验，发现小球沿对面斜面向上运动几乎达到原来的高度，如果不断减小对面斜面的倾角，小球沿该斜面运动的长度将不断增加，进而他创造性地提出了“理想实验”并得出结论：如果将对面的斜面改为水平面，则小球将永远运动下去而不需要外力来维持。于是伽利略提出：“任何速度一旦施加给一个物体，只要除去加速或减速的外因，此速度就可保持不变，不过这是只能在水平面上发生的一种情形。”这就是惯性定律的雏形；但是，伽利略认为的“水平面”是“各部分和地心等距离的球面”，显然，这是不妥当的。后来，笛卡尔通过进一步的深入研究，完善了伽利略提出的惯性定律，表述为：如果物体处在运动之中，那么如无其他原因作用的话，它将继续以同一速度在同一直线上运动，既不停下，也不偏离原来的方向。

牛顿继承并丰富、发展了伽利略和笛卡尔等科学家的观念，提出了惯性概念，明确了力的定义，给出了参考系的意义，铺垫了惯性系和非惯性系，认为静止和运动并没有区别，都是平衡状态，进而把惯性定律表述为牛顿第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。

4.清楚牛顿第一定律虽然有实验支撑，但不能用实验直接验证

显然，牛顿第一定律是从大量自然和实验现象中抽象、概括出来的。由于外界对物体的作用力只可能尽量减小而不能完全消除，所以牛顿第一定律不能用实验直接严格验证。牛顿第一定律的正确性是靠它得出的推论在现实实际和无数实验中无一例外地被证实而得到证明的，进而成为牛顿物理学的基石。

二、“牛顿第二定律”教学中值得注意的几点

1.运用经典方法——“控制变量法”探究加速度与力、质量关系时的注意事项

（1）平衡摩擦力的时候，一定要认真、仔细，长板的倾角既不能小，又不能大，要恰好使小车的重力沿斜面向下的分力平衡摩擦力及其他阻力，确保无牵引的小车在长板上做匀速直线运动。

（2）安装器材时，要调整滑轮的高度，使细绳与斜面平行，但是在平衡摩擦力的时候，一定要取下细线、砝码盘和其中的砝码。

（3）实验过程中一定要注意使砝码盘和盘中砝码的总质量远小于小车和车上砝码的总质量。一般来说，砝码盘和盘内砝码的总质量不超过小车和车上砝码总质量的10%。

（4）改变拉力或小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再释放小车，且应在小车到达滑轮前及时按停小车。

2.对“探究加速度与力、质量关系”的思考和创新

随着现代教育技术的快速发展和教学理念的优化，物理实验的方法和技术也在不断地推陈出新，我们可借助DIS实验（数字化信息系统实验）从以下两个方面优化“探究加速度与力、质量关系”的实验。

（1）由于手工根据打点计时器打出的纸带上的点计算小车运动的加速度比较繁杂且耗时较长，有机械重复、浪费时间之嫌，故可用传感器测量小车的加速度a，在小车做匀加速运动的过程中，与位移传感器相连的计算机屏幕上可呈现出小车运动的V-t图像，在V-t图像上选取合适的区域，借助DIS的功能键可方便、快捷地获得小车加速度a的大小。

另外，在小车上安装细窄（0，5cm左右）的遮光片，利用两个光电门（同种规格）和数字毫秒计，也可很便捷地测出小车加速度a的大小。

（2）在“探究加速度与力、质量关系”的实验中，为了将砝码盘及砝码的总重力大小mg视为细绳对小车的拉力大小F，要求满足条件“砝码盘和盘中砝码的总质量远小于小車和车中砝码的总质量”。但是，随着砝码盘中砝码的不断增加，越来越不能满足上述实验条件。最终导致根据数据描绘相关图像时，图线的末端发生了弯曲，干扰实验结论的顺利得出。

为了突破上述难点，摒弃条件“砝码盘和盘中砝码的总质量远小于小车和车中砝码的总质量”，可借助力传感器直接测量细绳中拉力F的大小：将力传感器固定在小车的前端，牵引小车的细绳直接与力传感器相连，在小车加速运动的过程中，计算机屏幕上同步呈现拉力F随时间t变化的图像。采集实验数据时，只要在F-t图像上选择合适的区域，即可得到该区域内细绳拉力的平均值。

但是，这种实验方法要求力传感器的数据必须以无线方式传输，以免在小车运动的过程中传输线的移动影响小车的运动。另外，在用这种方式呈现细绳拉力的过程中，由于细绳有弹性且要绕过定滑轮快速运动，计算机屏幕上呈现的细绳中拉力F的大小会出现一些波动，为克服这一缺陷，可在图像上选取较大的区域，获得拉力F大小的平均值。

（4）牛顿第二定律定量给出了力的单位“牛顿”的物理意义。众所周知，力的单位是“牛顿”，1牛顿到底是多大？其物理意义是什么？总不能让学生一直停留在初中阶段定性的层面：1牛顿大约是两只普通鸡蛋的重量。

事实上，牛顿第二定律的一般表达式是F=kma，但常用的表达式是F=ma，k取1的意义是在国际单位制中定义1牛顿力的大小是使质量为1kg的物体获得1m/s²的加速度，即1N=1kg·m/s²。

三、“牛顿第三定律”教学中值得注意的几点

1.“牛顿第三定律”的内涵解读

2.“牛顿第三定律”的教学建议

鉴于高一学生在初中阶段已初步接触过物体间力的相互作用，基本知晓牛顿第三定律的内容。但为了帮助学生深刻体会相互作用力的特点，加深对牛顿第三定律的理解，课前布置学生先预习“牛顿第三定律”，然后分组自主设计实验验证：①作用力和反作用力反向、共线；②作用力和反作用力大小相等；③用实例分析、比较、归纳一对相互作用力与一对平衡力，并收集、整理凸显牛顿第三定律的趣味视频资料。上课时，教师先带领学生做一两个典型实验：①两个同规格的弹簧秤水平互拉；②用传感器探究作用力与反作用力的关系。然后学生们分组展示、交流自主设计的实验，教师做好组织和调控。课后布置学生并自制“水火箭”，探究影响“水火箭”上升高度的因素。

友情提醒：牛顿运动定律适用于低速、宏观的惯性系。

3.例题赏析

有人做过这样一个实验：如图所示，把鸡蛋A快速向另一个完全一样的静止的鸡蛋B撞去（用同一部分撞击），结果几乎每次都是被撞击的鸡蛋B被撞破。则下面说法正确的是（ ）。

A.鸡蛋A对B的作用力的大小等于鸡蛋B对A的作用力的大小

B，鸡蛋A对B的作用力的大小大于鸡蛋B对A的作用力的大小

C.鸡蛋A在碰撞的瞬间，其内蛋黄和蛋白由于惯性会对A蛋壳产生向前的作用力

D.鸡蛋A的碰撞部位除受到鸡蛋B对它的作用力外，还受到鸡蛋A中蛋黄和蛋白对它的作用力，所以其受力部位所受的合力较小

分析：本题考查了惯性、牛顿第三定律及物体运动状态改变等知识。为了正确解答此题，应注意以下几点：

（1）惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性。质量是物体惯性大小的唯一量度，质量大的物体惯性大，物体的运动状态较难改变。反之，质量小的物体惯性小，物体的运动状态容易改变。

（2）惯性并不是一种力，物体的惯性总是以保持“原来状态”或反抗“状态改变”两种形式表现出来。

（3）惯性与物体是否受力、怎样受力无关；与物体是否运动、怎样运动无关；与物体所处的地理位置无关。

（4）外力作用于物体使物体的运动状态发生了改变，不能认为改变了物体的惯性。

（5）作用力与反作用力的关系可总结为“四同、三异、三无关”。

（6）区别一对作用力、反作用力与一对平衡力，最直观的方法是看作用点的位置和作用效果：一对平衡力作用在同一个物体上，使物体处于平衡状态；一对作用力与反作用力分别作用在两个物体上，这两个物体的状态（运动）不一定相同。

解析：鸡蛋A和鸡蛋B相互碰撞时，鸡蛋A对鸡蛋B的作用力和鸡蛋B对鸡蛋A的作用力是一对作用力与反作用力，一定大小相等，方向相反。所以选项A正确，选项B错误。在撞击的短暂过程中，鸡蛋A内的蛋黄和蛋白由于惯性，在速度减小的过程中，会对鸡蛋A的蛋壳内壁产生向前的作用力，从而使鸡蛋A的蛋壳与鸡蛋B蛋壳的接触处所受的合力比鸡蛋B的蛋壳与鸡蛋A蛋壳的接触处所受的合力小，因此鸡蛋B的蛋壳易被撞破，所以选项C、D正确。综上所述，本题的正确选项为ACD。

反思：应用牛顿第三定律分析问题时应注意以下两点。

（1）不要仅凭日常观察的直觉印象或经验轻易得出结论，解决实际问题的时候，只有严格根据科学理论缜密分析，才能得出正确的结论。

（2）应用牛顿第三定律解决问题的时候，不仅要牢记“四同、三异、三无关”，而且要抓住“总是”二字，即作用力与反作用力的关系与物体的运动状态无关。