核心素养视角下牛顿第三定律的教学实践①

(江苏省宝应中学,江苏 扬州 225800)

1 引言

以牛顿运动定律为基础的动力学是高中物理的主干知识，牛顿第一定律和第二定律解决了运动与力之间的关系问题，但自然界中的物体总是相互联系、相互影响、相互作用的，牛顿为此提出了第三定律，揭示了物体间相互作用的关系。

牛顿第三定律除了能更好地帮助学生解决受力分析问题之外，还是学习碰撞、反冲等的基础。学生在初中虽然学习了力的相互性，但对其规律一知半解，甚至还经常与二力平衡相混淆。通过本节课的学习，可以让学生感受高中与初中物理知识的联系与区别，体会到高中物理更定量、更抽象的特点。

2 教学目标

(1) 物理观念:通过实例建立相互作用观，理解作用力和反作用力的关系、牛顿第三定律的含义，分清实际问题中的作用力和反作用力；

(2) 科学思维:通过定性分析、逻辑推理和归纳总结，培养学生的科学思维能力；

(3) 实验探究:让学生参与实验设计，亲身经历提出问题、获取证据、作出解释、交流表述等环节，提高学生的动手和探究能力；

(4) 科学态度与责任感:通过系列实验和问题的解决，激发学生学习欲望和动机，养成实事求是、不迷信权威、敢于质疑创新的科学态度。

3 教学过程

3.1 教学片段

实验1：将电吹风竖直放置在电子台秤上。接通电吹风电源后，观察电子台秤的示数(图1)；电吹风吹起乒乓球后，观察电子秤的示数，它会不会发生变化(图2)？

设计意图：运用实验激发学生的学习兴趣。

图1

图2

3.2 辨析作用力与反作用力

问题1：人用力推桌子，谁是施力物体？谁是受力物体？人对桌子的力产生了什么效果？

问题2：人用手拉弹簧，谁是施力物体？谁是受力物体？人对弹簧的力产生了什么效果？

问题3：用磁铁吸引小球，谁是施力物体？谁是受力物体？

小结1：力的物质性：力离不开物体，通常把相互作用的两个物体中的一个称作施力物体，另一个称作受力物体。

问题4：问题1中的桌子对人有力吗？人为什么不动呢？问题2中的弹簧对人手有拉力吗？手发生形变了吗？。

小结2：力的作用是相互的。

人推桌子，人为施力物体，桌子为受力物体；桌子也同时对人施加了力，此时桌子为施力物体，人为受力物体。把人对桌子的力称为作用力，那么这个力的反作用力就是桌子对人的力；也可以把桌子对人的力称为作用力，那么这个力的反作用力就是人对桌子的力。

小结3：作用力与反作用力一定成对出现。

设计意图：通过具体问题，引入“施力物体”“受力物体”“作用力”“反作用力”等概念，体现了物质观和相互作用观。其中涉及重力、弹力、摩擦力、磁力的反作用力，为后面讨论“作用力与反作用力的性质”提供素材。

3.2 理解牛顿第三定律

用拔河比赛引出问题：作用力和反作用力大小有什么关系？

学生容易认为赢的一方作用力大，从而引起思维冲突。

设计意图：通过真实问题情境的创设，引起学生高度注意和积极参与，为接下来的实验探究(对拉弹簧测力计以及DIS实验)作铺垫。

3.3 实验探究

实验2：对拉弹簧测力计(图3)实验中可能会出现示数不相等的情况，如果出现示数不相等的情况，正好体现了接下来探究的必要性。得出规律后解释示数不等的原因：弹簧测力计不水平、没有校零或者弹簧老化等。引导学生借助第三只弹簧测力计进行检验，操作过程如下：分别用2只弹簧测力计与老师的标准弹簧测力计对拉，记下两弹簧测力计示数，作相应校准。

图3

实验3：利用DIS探究作用力和反作用力的关系

课本上的实验很好地说明了静态情况下作用力与反作用力总是大小相等，学生可能会质疑运动中有加速度的情形下作用力与反作用力是否大小相等，所以进行了如图4所示的创新设计。

实验步骤为：① 小车静止不动时，两个传感器采集的数据不变，都等于悬挂物所受的重力；② 小车加速运动时，两个传感器采集的数据都变化，但在任何时刻都相等；③ 在弹簧作用下重物减速运动后振动，两个传感器采集的数据在任何时刻仍相等。

实验结果如图5所示，师生总结、得出实验结论：作用力与反作用力大小相等的规律与物体运动状态无关。

图5

小结4：① 作用力与反作用力同时产生、同步变化、同时消失，时间上没有先后顺序；② 作用力和反作用力方向总是相反，大小总是相等，与物体运动状态无关。

师生总结、得出牛顿第三定律内容：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一直线上。表达式为：F(作用力)=-F′(反作用力)，式中的“-”号表示方向相反。

解释拔河比赛：两人的拉力大小是相等的，输的一方是因为其受到的拉力大于地面施加的摩擦力。拔河时怎样才能赢？可以增加脚底与地面的摩擦力，其方法有：增大压力，即增加重力；增大动摩擦因数，穿底粗糙的鞋。

3.4 一对相互作用力和一对平衡力的比较

通过具体实例分析受力，要求学生画出示意图，说明作用力反作用力与平衡力的关系，明了作用力、反作用力与平衡力的区别。牛顿第三定律揭示了物体间的相互作用，利用牛顿三定律，通过转换研究对象，从一个物体的受力分析过渡到另一个物体的受力分析，为我们提供了受力分析和求力的新途径。

总结出作用力、反作用力和平衡力的区别。通过对比突破教学难点，深入理解牛顿第三定律，将知识内化为能力和素养。

小结5：作用力、反作用力和平衡力的异同如表1所示。

表1

呼应教学引入环节：学生用实验回答开始提出的问题：电吹风吹起乒乓球后，电子秤的示数会不会变化？引导学生作出解释，提升学生运用知识分析问题的能力，培养他们的实事求是、敢于质疑创新的科学态度。

4 教学反思

对于本节内容学生在初中已有所接触，高中再学习时容易降低学习的欲望，如何引起学生的学习兴趣，并突破初中的已有认知？这是这节课要重点要解决的问题，精心设计实验是一个很好的解决途径。

实验一(吹风机实验)作为引入实验，设计时要具备以下要素：新颖有趣、对比设疑、符合本节课主题。实验二(DIS实验)是探究实验，要比以前的实验深刻，探究了小车在静止、超失重、振动等多种运动状态下作用力与反作用力的关系，为牛顿第三定律提供多样的证据，通过亲身体验科学探究过程，培养学生的思维能力。