王曉娟 張松俊

（1.常熟理工學(xué)院，江蘇 常熟 215500；2.江蘇省丹陽(yáng)高級(jí)中學(xué)，江蘇 丹陽(yáng) 212300）

牛頓第三定律是力學(xué)三大基本定律之一，揭示了力的本質(zhì)，說(shuō)明了力是物體間的相互作用.通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)演示，將抽象的物理概念直觀展現(xiàn)出來(lái)，可以幫助學(xué)生深入理解牛頓第三定律，有效建立相互作用的概念，［1］更有助于學(xué)生物理學(xué)核心素養(yǎng)的生成和能力提升.［2］牛頓第三定律的基本表述是：相互作用的兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上.因此，目前高中物理教材中采用圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究演示牛頓第三定律，即用兩個(gè)力傳感器互拉，通過(guò)電腦顯示相互作用力大小相等、方向相反、同變化、同消失等性質(zhì).［3］也有一些改進(jìn)性實(shí)驗(yàn)，采用浮力、磁力等其他形式的力來(lái)進(jìn)行探究演示.［4］但是，在上述探究演示中，作用力和反作用力在同一條直線上，即“共線”性質(zhì)的驗(yàn)證，普遍比較模糊，影響了學(xué)生對(duì)牛頓第三定律的深入理解.

圖1 傳統(tǒng)牛頓第三定律實(shí)驗(yàn)演示

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了具有特定弧形軌道，可任意改變兩個(gè)相互作用物體連線與中軸線夾角的實(shí)驗(yàn)裝置，較好地展現(xiàn)了作用力和反作用力共線的性質(zhì)，定量探究了作用力和反作用力共線的基本特性.

1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)圍繞驗(yàn)證作用力和反作用力大小相等、方向相反、作用共線特征，重點(diǎn)展示相互作用力共線，同時(shí)產(chǎn)生、同時(shí)變化、同時(shí)消失.實(shí)驗(yàn)裝置的原理如圖2所示.在同一水平面上安裝兩個(gè)電子秤，其中電子秤A可繞軸心（固定軸承）自由轉(zhuǎn)動(dòng)，電子秤B可沿弧形滑槽移動(dòng).每個(gè)電子秤用細(xì)線連接一小鐵球，將小球B置于繞有線圈的鐵芯上.當(dāng)線圈通過(guò)直流電流時(shí)，小鐵球B將被磁化，與小鐵球A之間通過(guò)磁力相互作用.調(diào)節(jié)電源電壓，改變線圈電流，小鐵球B磁性發(fā)生變化，兩球之間的相互作用力隨之改變，兩電子秤示數(shù)發(fā)生變化.開啟或關(guān)閉電源，相互作用力隨之產(chǎn)生或消失，兩電子秤示數(shù)亦同步產(chǎn)生或消失.緩慢移動(dòng)基座，使電子秤B和小球B同步移動(dòng)至某一位置，小球A會(huì)在小球B磁力作用下通過(guò)細(xì)線帶動(dòng)電子秤A隨之轉(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)小球A和電子秤A轉(zhuǎn)動(dòng)停止時(shí)，根據(jù)兩個(gè)電子秤讀數(shù)，可以判斷二力是否大小相等；通過(guò)量取兩細(xì)線與中軸線的夾角是否相等來(lái)判定相互作用力是否共線，從而直觀驗(yàn)證牛頓第三定律的共線特性.

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

實(shí)驗(yàn)裝置的基本構(gòu)造和實(shí)物如圖3所示，裝置的制作步驟如下.

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置俯視圖

（1）取一塊長(zhǎng)65 cm、寬50 cm的木工板，作為下層平板.將長(zhǎng)33 cm，寬30 cm、厚約5 mm的有機(jī)玻璃，作為上層平板.電子秤A固定于上層平面板右端，上層玻璃板左端加工成以電子秤A軸承孔中心為圓心的弧形，其半徑為32.5 cm.下層木板左端用鋁板制作一半徑為62 cm（同樣以電子秤A軸承孔中心為圓心）、高度為85 mm的弧形滑槽，將電子秤B置于該弧形滑槽上.如圖4所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置剖面示意圖

（2）以上層平板電子秤A的軸承孔中心為圓心，在下層平板上安裝兩條半徑分別為31 cm和37 cm的弧形導(dǎo)電軌道，如圖3（a）所示.導(dǎo)電軌道用直徑5 mm的銅管制作而成.

（3）取6.5喇叭的磁鐵作為鐵芯，在鐵芯上繞直徑1.35 mm的漆包線200匝左右.將帶線圈的鐵芯固定在尺寸為75 mm×75 mm的有機(jī)玻璃底座上，即圖4中的線圈底座.線圈底座下面安裝一對(duì)間距為55 mm的銅滑輪，將線圈的兩頭分別連接在兩個(gè)銅滑輪上，通過(guò)銅滑輪將直流電流引入線圈.

（4）在線圈底座的銅滑輪下面，還要制作一個(gè)帶一組銅軌道的有機(jī)玻璃平臺(tái)（90 mm×80 mm），即圖4中的移動(dòng)座.銅軌道間距55 mm，銅軌道用直徑5 mm的銅管制成.移動(dòng)座下面安裝一組銅滑輪，間距與兩弧型導(dǎo)電軌道的間距相同，使移動(dòng)座能在兩弧型導(dǎo)電軌道上移動(dòng).用導(dǎo)線將兩個(gè)銅滑輪與移動(dòng)座平臺(tái)上面的兩銅軌道分別連接.該移動(dòng)座用板與鋁板弧形滑槽上電子秤B的底座相連接，便于移動(dòng)座帶動(dòng)電子秤B在弧形滑槽上一起移動(dòng).

（5）小鐵球A用細(xì)線與電子秤A相連，在鐵芯中央固定一小鐵球B，小鐵球B中間穿細(xì)線與電子秤B相連.電子秤與小球之間的連線用直徑0.6 mm的漆包線，以避免連線的延伸.

（6）通過(guò)改裝20 A、5 V直流電源，可以使直流電源的輸出電壓在4-6 V之間變化，如圖5所示.

圖5 電器連接示意圖

（7）在12 V微型直流電機(jī)輸出軸上安裝偏心輪，獲得微型振動(dòng)泵，通過(guò)微震動(dòng)來(lái)減小滑輪摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.

3 實(shí)驗(yàn)演示和數(shù)據(jù)結(jié)果

（1）將電子秤B和小鐵球B置于中軸線位置，小鐵球A偏離中軸線擺放.開啟電源，線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)使小鐵球B磁化.受到小鐵球B的磁力作用，小鐵球A與電子秤A之間的連線會(huì)迅速歸于中軸線，與電子秤B和小鐵球B之間的連線呈一條直線；同時(shí)，兩個(gè)電子秤上顯示出相同讀數(shù)（在誤差范圍內(nèi)）.這個(gè)結(jié)果表明：兩小球之間的相互作用力大小基本相等（摩擦力有影響），作用在同一條直線上.

（2）調(diào)節(jié)電源電壓，改變通電線圈的電流，兩電子秤顯示的讀數(shù)會(huì)隨電壓的變化同步增大或減小.

（3）將移動(dòng)座在導(dǎo)電軌道上左右移動(dòng)，帶動(dòng)弧形滑槽上的電子秤同步移動(dòng)，記下小球B的細(xì)線與中軸線的夾角；同時(shí)，小球A也跟著移動(dòng)，記下小球A靜止時(shí)細(xì)線與中軸線的夾角，不同角度重復(fù)幾次，發(fā)現(xiàn)兩夾角幾乎相同，如表1所示，結(jié)果表明兩小球的連線在一條線上.

表1 實(shí)驗(yàn)演示數(shù)據(jù)記錄表

（4）關(guān)閉電源，兩電子秤顯示的引力同時(shí)歸零.

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：通過(guò)改變作用力的大小和作用力的方向，在誤差允許的范圍內(nèi)，兩小球的相互作用力大小相同，方向相反并始終在同一直線上，同時(shí)產(chǎn)生、變化、消失，較好地呈現(xiàn)了牛頓第三定律.

4 結(jié)論

為解決牛頓第三定律實(shí)驗(yàn)演示中“共線”效果較差的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款較好演示牛頓第三定律的實(shí)驗(yàn)裝置.該裝置利用磁化鐵球與普通鐵球之間的磁力產(chǎn)生相互作用力，通過(guò)與兩個(gè)小球連接的電子秤顯示作用力的大小，利用兩個(gè)小球與各自電子秤之間的連線與裝置中軸線之間的角度來(lái)展示作用力的方向.實(shí)驗(yàn)裝置較好地展現(xiàn)了相互作用的兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上的性質(zhì).利用該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行課堂教學(xué)，并將牛頓第三定律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)由驗(yàn)證性變?yōu)樘骄啃?，?］提供了學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究的有效途徑.這有利于幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題，構(gòu)建探究思路、收集證據(jù)、合理推理、科學(xué)論證、最終解決問(wèn)題并得出結(jié)論，并有效提升學(xué)生物理學(xué)核心素養(yǎng)中的關(guān)鍵能力.