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牛頓第二定律教學中注意的幾個問題
姜軍 2023/9/16 18:41:08
（南京市玄武中等專業(yè)學校 江蘇南京 210042）
牛頓第二定律是力學知識的核心內容，是動力學的核心規(guī)律，是牛頓運動定律的重點和中心內容，在力學教學中占有很重要的地位。這節(jié)課是要讓學生在領悟實驗、分析、推理、綜合歸納的科學研究方法的基礎上，掌握牛頓第二定律，而不是簡單地讓學生知道牛頓第二定律的內容。牛頓第二定律這一節(jié)內容上的好壞，很可能會影響以后物理中其它內容的學習。針對我上課的情況，想談談自己的一些體會。
一、實驗方法和原理要講透
牛頓第二定律是研究加速度a、力F和質量m的定量關系，本節(jié)課的目標是通過實驗來得出牛頓第二定律，因此實驗的方法和原理很重要。
1、實驗方法
研究兩個量之間的關系，很簡單：使一個量變化，觀察另一個量如何變化，再根據實驗結果分析這兩個量之間是成正比、反比還是二次函數關系等。但現在研究的是三個量(a、F、m)之間的關系。如果F在變、m也在變，那么a的變化是由誰的變化引起的呢？不清楚；那么更不能研究它們之間是何關系了。這一點要引起學生的注意，并讓學生開動腦筋思考解決問題的辦法�？梢越o學生一點提示：初中學過的歐姆定律： ，研究電流與電壓、電阻的關系。同樣是研究三個量之間的關系，回憶一下以前研究的方法，學生自己就能想出解決剛才問題的方法了。最后老師歸納提出“控制變量法”。
2、實驗原理
要研究加速度a、力F和質量m的定量關系，必須要有準確的實驗數據，也就是要測出加速度a、力F和質量m。質量m可用天平測量，力F可認為是小桶的重量，也可用天平測量出小桶的質量來算重量，而加速度a如何測量？學生可能會想到用第二章直線運動中學過的利用打點計時器來測量，可以，但是利用打點計時器打出紙帶，然后運用勻變速直線運動規(guī)律來得出加速度a，這種方法比較麻煩。測加速度復雜，但測位移很簡單，引導學生思考能不能用測位移來代替測加速度呢？列出初速為零的勻加速直線運動位移公式 ，發(fā)現如果兩個物體運動時間t相等，那么加速度a和位移s之間存在著正比的關系： 。從而可以把測加速度轉換為測量位移。這就是本節(jié)課演示實驗的原理：用兩個運動進行比較的方法――比較法。這個原理講透后，學生也自然而然地明白待會演示實驗為什么要有兩輛小車，兩軌道上的刻度有何用？
二、實驗規(guī)律的研究不可一步登天
教材中的實驗是兩輛小車放在光滑的水平桌面上，在一個繩子拉力的作用下做勻加速直線運動。水平方向上，小車只受到一個力的作用。而實際做實驗時，水平方向上小車除了受到繩子拉力，一定還受到摩擦力。這里就有兩個問題：（1）在這堂課中要不要講平衡摩擦力？講的程度如何？（2）繩子等不等于小桶的重力。
一開始我備課時，花了好多時間制作課件，詳詳細細地分析這兩個問題。后來一試講，發(fā)現如果在這堂新課上，詳細討論這兩個問題，反而沖談這堂課的主題，同時也增加了難度，因為牛頓第二定律還沒理解，就要分析多個力作用的情況，這對大多數學生來說是有難度；還有時間也不允許，往往會因此而拖課。
我認為對一個規(guī)律的研究還是先易后難，層層深入比較容易被大多數學生接受。因此對于這兩個問題可以稍微提一下，或者在這課堂的最后以課后思考題的形式出現，等以后對牛頓第二定律進一步研究時再詳細討論。
三、實驗裝置的介紹和改進
教材中的每一個實驗裝置的結構設計都是有一定道理的，在給學生介紹時可以適當引導學生思考如何設計出滿意的實驗裝置，這樣有助于對實驗的理解和探索物理規(guī)律方法的滲透。
本實驗目的是研究加速度與力(對小車的拉力)、質量的關系。
設計思路：首先要有物體做勻加速直線運動。一般會想到，手拉著一輛小車上做勻加速直線運動（圖1）。但是手拉不能保證力的大小和方向一定。為了保證力的方向，想到加一個定滑輪，（圖2）；同時為了保證拉力的大小不變，用掛小桶來代替手拉，小桶的重力來代替繩的拉力，最就是教材中的演示實驗裝置了（圖3）。
教材中處理是把繩子拉力約等于小桶的重力來處理，而實際上繩子的拉力要小于小桶的重力，這也是引起實驗誤差的一個重要原因，特別是當小車的質量不遠大于小桶的質量時，誤差更明顯；而且，對以后的連接體的問題的學習造成很影響，因為學生從這個實驗中看到，用小桶的重力來代替繩子的拉力，以后碰到這樣的連接體問題時，總認為繩子的拉力就等于所掛物體的重力。因此，要克服以上缺點，最好是直接把繩對小車的拉力測出來。
測力用彈簧稱，把彈簧稱接在繩子上（圖4）。這樣可以測出繩子對小車的拉力。但是又有新的問題出現：彈簧稱是在運動的，很難準確讀數。
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