巧设情景 突破“四性”——以《牛顿第二定律》为例

李胜强

(江苏省郑集高级中学城区校区 221116)

《牛顿第二定律》是人教版第四章第三节的内容，是动力学的基础，也是牛顿运动定律的核心.人教版教材第一节是《牛顿第一定律》，本节通过科学家研究运动与力的物理学史回顾，引出惯性的概念和运动与力的定性规律.第二节《实验：探究加速度与力、质量的关系》，本节通过控制变量法研究加速度与力、质量的关系，实验得出：质量一定的前提下，加速度与力成正比；力一定的前提下，加速度与质量成反比.第三节《牛顿第二定律》，本节通过归纳法构建加速度与力、质量的定量关系，第三节是前两节内容的延续，从定性到定量也是人类认识运动与力的历程.教学过程中，深入理解牛顿第二定律中运动与力的关系是个难点，若采用情景教学，巧妙设置情景，让学生循序渐进的理解因果性、矢量性、瞬时性、独立性.

一、关于对“矢量性”的理解

情景1 如图1所示，在光滑水平面上物体受一个水平向右的力F的作用.

图1

(1)物体将做怎样的运动？

(2)从运动学的角度判断物体的加速度a1方向如何？

(3)一段时间后，将F的方向改为水平向左，那么此后一小段时间内物体将做怎样的运动？ ，从运动学的角度判断物体的加速度a2的方向如何？

(4)由以上分析可以得到加速度a方向与水平力F方向间的关系怎样？

情景分析光滑水平面上物体受一个水平向右的力F的作用后，物体将向右做加速直线运动，此时力F的作用效果是动力，从运动学的角度判断物体的加速度a1方向向右(a1与速度方向相同);一段时间后，将F的方向改为水平向左，那么此后一小段时间内F的作用效果是阻力，故物体将继续向右做减速运动，从运动学的角度判断此过程物体的加速度a2的方向向左(a2与速度方向相反)，当物体做加速直线运动时，加速度a方向与水平力F方向保持一致，与速度方向保持一致；当物体做减速直线运动时，加速度a方向与水平力F方向保持一致，与速度方向保持相反.由以上分析可以得到加速度a方向与水平力F方向始终相同，这就是F合=ma中的关于矢量性的理解.

进一步说明：F合=ma中共三个物理量，其中矢量有两个，标量有一个，这也说明加速度a方向与合力F合保持一致，这样的解释理论性太强，对于高一的学生而言，思维水平还达不到这个层次，故不宜直接告知学生，而应通过情景的设计，让学生结合运动学和力的作用效果以及牛顿运动定律的内容，润物细无声的体会到加速度a方向与合力F合方向始终保持一致，即加速度a方向是由合力F合方向决定的.

二、关于对“瞬时性”的理解

情景2 如图2所示，物体静止在光滑水平面上.

图2

(1)现对物体突然施加水平向右的力F，此时物体是否具有加速度？ 为什么？

(2)一段时间后，将F突然撤掉，那么此时物体的加速度a又怎样变化？ 此后物体将做怎样的运动？

(3)由以上分析可以得到加速度a与水平力F存在怎样的瞬间对应关系？

情景分析物体静止在光滑水平面上，现对物体突然施加水平向右的力F，此时物体是否具有加速度，对于这个问题可以采用假设法判断.假设物体没有加速度，则物体仍会静止，而此时水平力F的作用效果是动力，这样就出现了矛盾，故对物体突然施加水平向右的力F的同时物体就具有水平向右加速度，此后物体才能逐渐的向右加速.一段时间后，将F突然撤掉，那么此时物体的加速度a也会突然消失，因为水平向右的力F的作用效果也突然消失，此后物体将向右做匀速直线运动(由于惯性).由以上分析可以得到加速度a与水平力F存在着同时产生同时消失同时变化的瞬间对应关系，这就是F合=ma中的关于瞬时性的理解.

进一步说明：F合=ma中物体的质量保持不变，则加速度a与合力F合成正比，故合力F合若存在则加速度a也存在，合力F合若消失则加速度a也消失，合力F合若变大则加速度a也变大，合力F合若变小则加速度a也变小，这实际上是控制变量法的具体应用和理解，仍是停留在理论层面的认知，略显粗糙和生硬，而应通过情景的设计，拉近了与学生的距离，增强了学生的主动性和积极性，通过学生思考和体会，最终理解加速度a大小是受合力F合大小影响的，加速度a与合力F合存在着瞬间对应关系.

三、关于对“独立性”的理解

图3

情景3 在粗糙水平面上，有一质量m=1 kg的物体在水平拉力F=5 N作用下做匀加速直线运动，已知物体与水平面间的动摩擦因数μ=0.1如图3.

(1)求此时物体的加速度a的大小

(2)一段时间后，将F突然撤掉，求此时物体的加速度a1的大小

(3)若水平面是光滑的，仅在水平拉力作用下物体的加速度a2的大小

图4

进一步说明：水平拉力F单独作用在物体上产生的加速度是a2，滑动摩擦力Ff单独作用在物体上产生的加速度是a1，水平拉力F和滑动摩擦力Ff共同作用下物体产生的加速度是a，力的合成和加速度的合成都满足矢量合成的法则.水平拉力F的存在与否或变化情况不影响滑动摩擦力Ff单独作用在物体上产生的加速度是a1的大小及方向，水平拉力F和滑动摩擦力Ff共同决定物体做加速运动的加速度a，即任一个力均有与之对应的加速度，具有独立性，只要这个力不变，其对应的加速度也不变，不受其它力的存在及变化的影响.物体的加速度是由合力决定的，构成合力的某个力若发生变化则物体的加速度也会随之变化，但各个力对应的加速度是由各个力决定的，即独立性.

四、关于对“因果性”的理解

F合=ma从标矢量间的关系可以得出：F合的方向决定了a的方向，即矢量性.F合=ma从控制变量的思想可以得出：F合的大小决定了a的大小，即瞬时性.矢量性和瞬时性都是因果性的进一步理解，因为牛顿第一定律即表明“力是改变物体运动状态的原因”、“力是改变物体速度的原因”、“力是产生加速度的原因”，牛顿第二定律则具体表明了力对加速度的直接影响和决定作用，从定性描述到定量计算均渗透了力与加速度的关系.有了力这个因，才会有加速度这个果，力这个因的方向决定了加速度这个果的方向，力这个因的大小决定了加速度这个果的大小，力这个因的变化决定了加速度这个果的变化，即因果性.

牛顿运动定律是物理学的基石，也是动力学的核心规律，牛顿第二定律是牛顿运动定律的关键，F合=ma是牛顿第二定律的简单表述，应从因果性、矢量性、瞬时性、独立性等角度理解牛顿第二定律深邃的物理思想.情景教学法贴近学生的实际，符合学生的认知水平和思维发展历程，能带领学生步步前行，循序渐进螺旋式进步.