粟浚柏

（湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)）

關(guān)于牛頓第二定律的幾點(diǎn)思考

粟浚柏

（湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)）

牛頓第二定律是高中物理學(xué)科的重要概念，也是物理學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。牛頓第二定律在高中階段物理知識(shí)的學(xué)習(xí)中起著承上啟下的作用，牢固掌握牛頓第二定律的內(nèi)涵，對(duì)今后的物理學(xué)習(xí)有著很大的幫助。通過(guò)對(duì)牛頓第二定律的學(xué)習(xí)，借助物理實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)該定律進(jìn)行闡釋?zhuān)云跒閷W(xué)生加深對(duì)該定律的理解提供幫助。

高中物理；牛頓第二定律；概念；實(shí)驗(yàn)方法

一、牛頓第二定律概述

牛頓第二定律是我們學(xué)習(xí)物理力學(xué)知識(shí)的重要定律。掌握該定律能夠?yàn)槲覀兘窈髮W(xué)習(xí)物理力學(xué)知識(shí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該定律的公式為：F=ma，F(xiàn)為表明物體的合外力，m為物體質(zhì)量；a為物體的加速度。物體加速度同物體所受的合外力F成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同，并且力和加速度同時(shí)產(chǎn)生、同時(shí)變化、同時(shí)消逝。牛頓第二定律是對(duì)物理學(xué)中力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的概括，是物理學(xué)科領(lǐng)域中最為經(jīng)典的物理學(xué)定律。我們?cè)趹T性定律中學(xué)習(xí)的物體運(yùn)動(dòng)并不是在外力作用下運(yùn)動(dòng)，而是在慣性作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)。我們沒(méi)有學(xué)習(xí)慣性定律前會(huì)認(rèn)為，這同我們的生活經(jīng)驗(yàn)是相違背的。通過(guò)學(xué)習(xí)牛頓第二定律后，我們了解到，物體在沒(méi)有慣性作用下是不會(huì)運(yùn)動(dòng)的，只有對(duì)物體施加力，物體才能以一定的速度運(yùn)動(dòng)。

1.相互作用力

物體在外力作用下其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。根據(jù)我們對(duì)生活中事物的觀察，發(fā)現(xiàn)汽車(chē)在行駛過(guò)程中速度的快慢同駕駛員踩油門(mén)和踩制動(dòng)踏板有直接關(guān)系。這就是物理學(xué)中講的物體在受到較大牽引力影響下運(yùn)動(dòng)速度會(huì)變快，物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到較大摩擦力運(yùn)動(dòng)速度減緩。即汽車(chē)在傳動(dòng)裝置作用下產(chǎn)生牽引力，加之汽車(chē)輪胎滾動(dòng)摩擦力影響，汽車(chē)運(yùn)動(dòng)方向和合力方向保持一致，使得汽車(chē)加速運(yùn)動(dòng)。

2.重力場(chǎng)運(yùn)動(dòng)

牛頓第二定律除了闡明相互作用力同運(yùn)動(dòng)的關(guān)系外，還涉及力學(xué)重力場(chǎng)中力的應(yīng)用。例如，石子在斜上拋的過(guò)程中，一般初始的力不容易察覺(jué)，但隨著加速度的增大運(yùn)動(dòng)速度會(huì)很快。需要提出的問(wèn)題是，初始力作用下石子運(yùn)動(dòng)速度變慢和初始力大小有著直接關(guān)系（不計(jì)石子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的空氣摩擦力）。所以，我們可以判定，重力是唯一對(duì)石子產(chǎn)生的作用力。在重力作用下，石子運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生著明顯的改變。從運(yùn)動(dòng)合成和分解原理分析石子運(yùn)動(dòng)，可將石子運(yùn)動(dòng)作用力分為垂直方向作用力和水平方向作用力。水平方向石子運(yùn)動(dòng)不受其他外力影響，所以，石子運(yùn)動(dòng)的速度不會(huì)發(fā)生明顯變化。而垂直方向石子受到重力影響，石子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中則呈現(xiàn)出正方向先減小，反方向迅速加速現(xiàn)象。

二、牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭覀兗由顚?duì)牛頓第二定律的理解,使我們從牛頓第二定律的感性認(rèn)知升華為理性認(rèn)知。即掌握該定律的本質(zhì)和內(nèi)涵。

1.實(shí)驗(yàn)裝置

如上圖所示，在長(zhǎng)木板的一端我們固定一個(gè)定滑輪，使用繩子將A、B兩塊質(zhì)量不同材質(zhì)相同的滑塊相互連接搭在定滑輪上，繩子的另外一端同打點(diǎn)定時(shí)器的紙帶連接。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需注意的細(xì)節(jié)性問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們緩慢抬起長(zhǎng)木板待滑塊A到達(dá)如上圖所示位置時(shí)將其固定。我們知道這是平衡摩擦力作用，但有的學(xué)生可能對(duì)設(shè)計(jì)成這樣的實(shí)驗(yàn)裝置不夠明白，為什么要將滑塊A固定在這個(gè)位置，如果將長(zhǎng)木板抬起一定的角度，滑塊A會(huì)下滑嗎？是滑塊A下滑速度快還是滑塊B下滑速度快。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶上又會(huì)出現(xiàn)什么樣的打點(diǎn)軌跡等。這都需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，結(jié)合自己所學(xué)的物理知識(shí)，解釋物理實(shí)驗(yàn)中遇到的種種問(wèn)題。

3.實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，我們加深學(xué)生對(duì)定律的概念的理解,可采取在坐標(biāo)紙上畫(huà)圖的方式來(lái)達(dá)到這一目的。牛頓第二定律關(guān)系圖中a-F是過(guò)原點(diǎn)的，不過(guò)，在實(shí)際操作中有些學(xué)生雖然能夠準(zhǔn)確計(jì)算出想要的數(shù)據(jù)，但并不能很好地完成實(shí)驗(yàn)。有些學(xué)生在坐標(biāo)上畫(huà)圖時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)圖像末端在原點(diǎn)處發(fā)生彎曲，造成圖像不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，這需要引起我們的注意。要學(xué)會(huì)分析摩擦力平衡狀態(tài)下傾角過(guò)大或過(guò)小所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)圖像是什么樣的，導(dǎo)致圖像末端彎曲的主要原因是什么。

總之，我們?cè)趯W(xué)習(xí)牛頓第二定律過(guò)程中，不管是理論知識(shí)學(xué)習(xí)還是實(shí)驗(yàn)都要堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，遇到問(wèn)題要充分發(fā)揮自己的思維，思考問(wèn)題，分析問(wèn)題，處理問(wèn)題，加強(qiáng)與其他學(xué)生的交流和溝通，共同探討牛頓第二定律，切實(shí)掌握該定律的真正內(nèi)涵。物理是一門(mén)綜合性比較強(qiáng)的學(xué)科，知識(shí)內(nèi)容比較抽象，學(xué)生不容易理解，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式，可以幫助我們直觀地去感知和認(rèn)知物理知識(shí)。本文筆者結(jié)合自己對(duì)牛頓第二定律的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，探討了牛頓第二定律的概念，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式來(lái)進(jìn)一步揭示該定律的本質(zhì)內(nèi)涵，以期能夠?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第二定律和加深對(duì)其理解提供幫助。

陳剛.氣墊導(dǎo)軌上空氣膜厚度的測(cè)定［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（01）.

·編輯 李建軍