高中物理 牛顿第二定律的实验验证及教学处理教案 新人教版必修.doc

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1、牛顿第二定律的实验验证及教学处理　　建国以后，我国历次统编高中物理教材，对牛顿第二定律的教学处理，基本上都是在学生懂得加速度并能测量后，在建立了力和质量的初步概念的基础上，通过演示实验测定在质量一定的情况下加速度与作用力成正比以及相同作用力情况下，加速度与质量成反比，从而导出牛顿第二定律．在理解该定律的基础上，再安排学生分组实验，让学生独立进行操作．这样不仅可以加深对该定律的理解，并通过实验进行实验思想的教育和实验方法的训练．　　为了提高验证第二定律的实验精确性，20世纪80年代，教师们采用了气垫导轨和光电计时的方法．虽然这种方法在一定程度上提高了实验精确

2、度，但仪器套件昂贵，许多学校因条件所限而无法采用．　　与此同时，中学教学中又采用了横向导轨、电磁打点计时的方法验证牛顿第二定律．其特点是简单易行、操作方便．但由于方法粗糙、误差较大，且电磁打点计时器难于维修和调试，在实施中弊端越来越突出．　　我国80年代末新研制并上市的、使用电火花描迹的“一维运动描迹仪”既简单易行、操作方便、安全可靠，又能减小误差、提高精确度，适宜于教师演示和学生操作，从而为验证牛顿第二定律提供需要的可靠数据． 牛顿第二定律发现的历史考查　　在牛顿之前，没有一个科学家定量地研究过力与加速度的量值关系和方向关系．牛顿早在他的《自然哲学的数学

3、原理》发表前22年（即1665年），通过研究惯性运动的变化与作用力的关系，开始注意运动第二定律．他在《流水账》的定理107中，提出使物体运动的力或保持物体运动的力“与物体（即质量）成比例”，因此，“任何一物体发生的运动与作用于它们上的力成比例”，但是，牛顿在1684年之前在没有做大量有关实验和未提出惯性质量概念的条件下，不可能得出第二定律的定量结果．直到1687年出版《原理》一书时，在充分的实验研究和大量的理论准备基础上提出该定律的定量表述．该书《运动的公理或定律》中写道：“运动的变化正比于外力，变化的方向沿外力作用的直线方向．”在该书的进一步阐释中，牛顿

4、还明确提出了“作用力等于加速度乘以质量”的表述．300多年来，直到现在，教科书都采用了这种表述，教科书的数学表述通常是：F＝ma或F＝d（mv）／dt． 牛顿第二定律教学纵横谈　　牛顿第二定律是动力学理论的核心，各类基础物理教科书，历来都将该定律置于中心位置，作为重点内容．在对这一定律的教学处理上，却有各种不同的方式．有的把第二定律作为实验定律引进；有的把它作为动量对时间变化率的数学演绎导出；更多的是在力、质量和加速度概念基础上，以公理的形式直接提出第二定律．处理方式不同，对牛顿第二定律实验取舍的态度也就各异，或在实验基础上归纳定律；或根本不做实验；或在提

5、出定律后安排验证性实验等．本文从定律的历史渊源、理论建构以及教学需要等几个方面的分析入手，归纳出两点处理牛顿第二定律教学的意见：第一，在力、质量和加速度概念基础上，以公理形式提出定律并辅以验证性实验；第二，用先进的电火花计时器和一维描迹仪进行演示实验或分组实验均可取得预期的效果． 突破思路　　超重和失重现象虽然学生可能听说过，但却不知道所代表的含义．　　所谓超重现象是指物体对支持物的压力（或悬挂处的拉力）大于物体重力的现象，此时物体存在向上的加速度；所谓失重现象是指物体对支持物的压力（或悬挂处的拉力）小于物体重力的现象，此时物体存在向下的加速度；完全失重现

6、象是指物体对支持物的压力（或悬挂处的拉力）等于零的现象，此时物体存在向下的加速度，大小等于g．　　本节教学中几个注意的问题：　　（1）要深刻理解超重和失重的物理意义，不能把超重和失重真的看作重力变大或变小．　　（2）要注意引导学生区分超重和失重与物体的速度方向无关，而只决定于物体的加速度方向．　　（3）在解决实际问题时，要特别注意选取正方向，正方向选取不明确或混乱，计算往往出错．在计算问题中要按牛顿运动定律的应用过程按步骤进行． 牛顿第二定律的理论建构　　作为第二定律的前提，应当赋予力、质量和加速度三个量以明确的意义和量度方法．加速度a的意义和量度方法早在

7、牛顿之前，伽利略就已经赋予了明确的意义和方法．在牛顿时代对于质量m，人们凭经验知道物体的质量与其重量成正比的关系，从而用比较重量的方法来量度质量m，随着牛顿第二定律建立之后，人们对质量概念的认识深化了，产生了惯性质量、引力质量等新的观念．这里顺便说明，一些基本概念的建立及其精确的定量测量，常引起逻辑上的困难，陷入所谓循环论证的怪圈．事实上，这是囿于实证主义对物理概念一定要给出一套操作程序的困惑．“现代物理已经超越了操作主义，更加倾向于认为基本概念原则上是一组不可预先严格定义的假设，它们的合理性只能靠以此为基础而建立的理论所得出的大量的结果而得到证实．”　　

8、什么是惯性质量?由于加速度a的定义、意义和量度早已明确，所以马赫和