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        初學(xué)牛頓第二定律常見解題障礙例析

        2009-05-07 05:48:22
        關(guān)鍵詞:學(xué)生

        王 成

        牛頓第二定律是牛頓物理學(xué)的核心,也是高中物理最難學(xué)的內(nèi)容之一.很多學(xué)生反映牛頓第二定律貌似易學(xué)易懂,實(shí)則題目一做就錯(cuò).這說明學(xué)生對所學(xué)知識了解不深刻,掌握不全面.下面將學(xué)生初學(xué)時(shí)常見的錯(cuò)誤例舉如下:

        一、生活經(jīng)驗(yàn)造成的障礙

        例1 關(guān)于速度、加速度和合外力之間的關(guān)系,下述說法正確的是( )

        (A) 做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的物體,它所受合外力是恒定不變的

        (B) 物體朝什么方向運(yùn)動(dòng),則這個(gè)方向上物體必受力的作用

        (C) 物體受到的合外力增大時(shí),物體的運(yùn)動(dòng)速度一定加快

        (D) 物體所受合外力為零時(shí),物體的速度一定等于零

        錯(cuò)解:B、C、D

        解析:力、加速度、速度和速度變化量之間的關(guān)系是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn),生活中的直覺對物理知識的學(xué)習(xí)起了干擾.認(rèn)為作用力越大,速度一定越大,作用力小,速度就??;作用力減小,物體的速度也減小.因而錯(cuò)選B、C、D選項(xiàng).教師在教學(xué)時(shí)要設(shè)置較好的問題情景幫助學(xué)生認(rèn)識這些概念之間的區(qū)別和聯(lián)系,如:汽車啟動(dòng)時(shí),要用較大的牽引力,這時(shí)加速度很大,速度卻較小;啟動(dòng)之后,駕駛員要換擋,減小牽引力,這時(shí)速度很大,加速度卻較小.故此題正確答案為A.

        二、受力分析不準(zhǔn)確造成的解題障礙

        例2 如圖(1)(左圖)所示物體靜止在斜面上,現(xiàn)用水平外力F推物體,在外力F由零逐漸增加的過程中,物體始終保持靜止,物體所受摩擦力怎樣變化?

        錯(cuò)解:錯(cuò)解一:以斜面上的物體為研究對象,物體受力如圖(1)(中間圖),物體受重力mg,推力F,支持力N,靜摩擦力f,由于推力F水平向右,所以物體有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢,摩擦力f的方向沿斜面向下.根據(jù)牛頓第二定律列方程

        f+mgsinθ=Fcosθ①

        N-Fsinθ-mgcosθ=0②

        由式①可知,F(xiàn)增加f也增加.所以在變化過程中摩擦力是增加的.

        錯(cuò)解二:有一些同學(xué)認(rèn)為摩擦力的方向沿斜面向上,則有F增加摩擦力減少.

        解析:上述錯(cuò)解的原因是對靜摩擦力認(rèn)識不清,因此不能分析出在外力變化過程中摩擦力的變化.本題的關(guān)鍵在確定摩擦力方向.由于外力的變化物體在斜面上的運(yùn)動(dòng)趨勢有所變化,如圖(1)(中間圖),當(dāng)外力較小時(shí)(Fcosθ<mgsinθ)物體有向下的運(yùn)動(dòng)趨勢,摩擦力的方向沿斜面向上.F增加,f減少.與錯(cuò)解二的情況相同.如圖(1)(右圖),當(dāng)外力較大時(shí)(Fcosθ>mgsinθ)物體有向上的運(yùn)動(dòng)趨勢,摩擦力的方向沿斜面向下,外力增加,摩擦力增加.當(dāng)Fcosθ=mgsinθ時(shí),摩擦力為零.所以在外力由零逐漸增加的過程中,摩擦力的變化是先減小后增加.

        四、運(yùn)動(dòng)過程分析不清造成解題障礙

        例4 如圖(2)所示,有一水平傳送帶以2m/s的速度勻速運(yùn)動(dòng),現(xiàn)將一物體輕輕放在傳送帶上,若物體與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.5,則傳送帶將該物體傳送10m的距離所需時(shí)間為多少?

        錯(cuò)解:由于物體輕放在傳送帶上,所以v0=0,物體在豎直方向合外力為零,在水平方向受到滑動(dòng)摩擦力(傳送帶施加),做v0=0的勻加速運(yùn)動(dòng),位移為10m.

        據(jù)牛頓第二定律F=ma有f=μmg=m

        a,a=μg=5m/s2據(jù)初速為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)位移公式s=12at2可知,t=2Sa=2s.

        解析:上述解法的錯(cuò)誤出在對這一物理過程的認(rèn)識.傳送帶上輕放的物體的運(yùn)動(dòng)有可能分為兩個(gè)過程.一是在滑動(dòng)摩擦力作用下作勻加速直線運(yùn)動(dòng);二是達(dá)到與傳送帶相同速度后,無相對運(yùn)動(dòng),也無摩擦力,物體開始作勻速直線運(yùn)動(dòng).關(guān)鍵問題應(yīng)分析出什么時(shí)候達(dá)到傳送帶的速度,才好對問題進(jìn)行解答.如本題中錯(cuò)解求出一直做勻加速直線運(yùn)動(dòng)經(jīng)過10m用2s,可以拿來計(jì)算一下,2s末的速度是多少,計(jì)算結(jié)果v=5×2=10(m/s),已超過了傳送帶的速度,這是不可能的.當(dāng)物體速度增加到2m/s時(shí),摩擦力瞬間就不存在了.這樣就可以確定第2個(gè)物理過程.(正確解法略,答案為5.2s)

        五、研究對象的多樣性造成解題障礙

        例5 跨過定滑輪的繩的一端拴一吊板,另一端被吊板上的人拉住,如圖(3)所示.已知人的質(zhì)量為70kg,吊板的質(zhì)量為10kg,繩及定滑輪的質(zhì)量、滑輪的摩擦均可不計(jì).取重力加速度g=10m/s2.當(dāng)人以440N的力拉繩時(shí),求人與吊板的加速度a以及人對吊板的壓力F?

        錯(cuò)解 以吊板為研究對象

        2F璗-(M+m)g=Ma①

        以人為研究對象F璗+F′-mg=ma②

        解得:a8=1.0m/s2,F=840N.

        解析 利用整體法和隔離法,合理選取對象,根據(jù)牛頓第二定律列方程求解,注意在列示過程中質(zhì)量關(guān)系不能弄錯(cuò).

        設(shè)人對繩子的拉力為F璗,以人和吊板組成的整體為研究對象.由牛頓第二定律,有

        2F璗-(M+m)g=(M+m)a①

        以人為研究對象,根據(jù)牛頓第二定律,有

        F璗+F′-mg=ma②

        式中F′為吊板對人的支持力,根據(jù)牛頓第三定律,有F=F′.③

        ①、②、③式聯(lián)立求解得:a=1.0m/s2,F(xiàn)=330 N

        以上只是例舉了牛頓第二定律解題中常見的錯(cuò)誤中典型的幾例,正因?yàn)橛羞@么多的障礙在影響學(xué)生對牛頓第二定律的學(xué)習(xí),所以教師在教學(xué)過程中千萬不能操之過急,對知識不能要求學(xué)生一次到位,而應(yīng)根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況,適當(dāng)放慢速度,使學(xué)生對概念的理解和定律的應(yīng)用能力隨著認(rèn)識能力的提高螺旋式上升,在循序漸進(jìn)的教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力,增加學(xué)生的成功體驗(yàn),增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心.

        “本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”

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