熊雨薇

貴陽(yáng)市第八中學(xué)，貴陽(yáng) 550001

物理核心素養(yǎng)由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面的要素構(gòu)成[1]。作為一節(jié)實(shí)驗(yàn)定律課，“牛頓第三定律”能實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究”的核心素養(yǎng)目標(biāo)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，即提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、評(píng)估交流。在人教版普通高中教科書《物理》（2019版）（以下簡(jiǎn)稱“新教材”）和普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》（2010版）（以下簡(jiǎn)稱“舊教材”）中，“牛頓第三定律”的位置變化顯著，分析該變化有助于教師理解新課程改革的思想。

1 人教版新、舊教材中本節(jié)的對(duì)比分析

1.1 打下必要的知識(shí)基礎(chǔ)

本節(jié)原來(lái)在舊教材第四章“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”中，現(xiàn)提前放入新教材第三章。舊教材第三章前幾節(jié)是“重力”“彈力”“摩擦力”，之后便是“共點(diǎn)力的合成與分解”。但是，在對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行共點(diǎn)力的合成與分解之前應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行受力分析，此時(shí)涉及到作用力與反作用力相關(guān)知識(shí)的使用。盡管學(xué)生在初中已學(xué)過(guò)牛頓第三定律，但是由于認(rèn)識(shí)較為表層，對(duì)作用力與反作用力的關(guān)系存在很多錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，不利于受力分析技能的掌握，更會(huì)影響后面的學(xué)習(xí)。因此，以往的教學(xué)中，老師需要先簡(jiǎn)要分析牛頓第三定律的內(nèi)容再開始后面的教學(xué)，到了第四章又將本節(jié)內(nèi)容再上一遍，導(dǎo)致本節(jié)在舊教材中的位置略為尷尬。

新教材調(diào)整后，本節(jié)在第三章起到承上啟下的作用，即承上是加深對(duì)重力、彈力、摩擦力的理解，啟下是為共點(diǎn)力平衡問題奠定基礎(chǔ)。此外，本節(jié)新增的“物體受力的初步分析”小板塊也為后面學(xué)習(xí)共點(diǎn)力的平衡設(shè)下伏筆[2]。

1.2 形成系統(tǒng)的相互作用觀

在舊教材中，將三大定律依次編入第四章，體現(xiàn)了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的完整性，但是對(duì)于學(xué)生認(rèn)知規(guī)律與技能形成的考慮略弱。在“物理觀念”核心素養(yǎng)中，要求學(xué)生應(yīng)具備物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀、能量轉(zhuǎn)化和守恒觀等。其中，“運(yùn)動(dòng)與相互作用觀”在必修第一冊(cè)中體現(xiàn)得淋漓盡致。恩格斯說(shuō)“相互作用是我們從現(xiàn)今自然科學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)在整體上考查運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)首先遇到的東西……相互作用是事物的真正終極原因”。

首先，有“力”，就有施力物體與受力物體，在第三章學(xué)習(xí)重力、彈力、摩擦力的過(guò)程中，重點(diǎn)研究各個(gè)力的性質(zhì)，但也隱含了這些力都是產(chǎn)生于兩個(gè)物體之間的。因此，需要一個(gè)機(jī)會(huì)去揭示各種性質(zhì)的力最重要的共性，即“相互作用”。“牛頓第三定律”揭示了物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律，不僅指出了作用力與反作用力的存在，而且總結(jié)出作用力與反作用力的關(guān)系，即“兩個(gè)物體之間的作用力與反作用力總是大小相等、方向相反、作用在同一條直線上”[3]。至此，從各種性質(zhì)的力中提煉出一條共性，也是最重要的物理觀念之一——相互作用觀。

緊接著，第四章開始在運(yùn)動(dòng)與相互作用兩者之間建立聯(lián)系，本章的大標(biāo)題變?yōu)椤斑\(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系”，是第一、第二章與第三章的綜合與升華，體現(xiàn)了本書的大旋律，也是人類認(rèn)識(shí)世界的開端——研究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。

2 學(xué)情分析

學(xué)生通過(guò)初中的學(xué)習(xí)對(duì)相互作用已有定性認(rèn)識(shí)，知道物體間的相互作用力是成對(duì)出現(xiàn)的，但是無(wú)定量認(rèn)識(shí)，造成對(duì)相互作用力大小關(guān)系的錯(cuò)誤概念較多。在新課教學(xué)前要先暴露學(xué)生的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，再通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)事實(shí)讓學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)作用力與反作用力之間的關(guān)系。

學(xué)生有一定的二力平衡的知識(shí)基礎(chǔ)，但是容易將平衡力和這個(gè)力的反作用力混淆，可通過(guò)設(shè)置問題進(jìn)行討論，明晰“一對(duì)平衡力”和“一對(duì)作用力與反作用力”的區(qū)別與聯(lián)系。

3 學(xué)習(xí)目標(biāo)

學(xué)習(xí)目標(biāo)如表1所示。

表1 學(xué)習(xí)目標(biāo)

4 教學(xué)重難點(diǎn)

4.1 教學(xué)重點(diǎn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究作用力與反作用力的大小、方向的關(guān)系；通過(guò)討論，區(qū)分一對(duì)平衡力與一對(duì)作用力與反作用力。

4.2 教學(xué)難點(diǎn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究作用力與反作用力的大小、方向的關(guān)系。

5 教學(xué)過(guò)程

5.1 實(shí)驗(yàn)初探——激疑

（1）小游戲：感受力

兩位同學(xué)將兩條相同的紙帶套在一起對(duì)拉，感受游戲過(guò)程中的拉力（圖1）。

圖1 將兩紙帶對(duì)拉

（2）認(rèn)識(shí)作用力與反作用力

①兩個(gè)物體間的作用總是相互的，我們把物體間相互作用的這一對(duì)力中的一個(gè)稱為作用力，另一個(gè)稱為反作用力。

②作用力與反作用力是同時(shí)產(chǎn)生、同時(shí)存在、同時(shí)消失的，它們互相以對(duì)方作為自己存在的前提。

（3）產(chǎn)生疑問

一紙帶斷裂，一紙帶未斷，誰(shuí)受到的力大？

5.2 深入研究——釋疑

（1）學(xué)生實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，討論發(fā)言

用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)代替紙帶對(duì)拉，觀察彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)（圖2）。

圖2 將兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)對(duì)拉

（2）通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究

①介紹實(shí)驗(yàn)裝置。

生活原型：貴陽(yáng)100路公交車“黑金剛”（圖3）與鉸接點(diǎn)（圖4）

圖3 貴陽(yáng)100路公交車“黑金剛”

圖4 鉸接點(diǎn)

自制教具——將兩個(gè)力傳感器分別固定在兩車上，通過(guò)一金屬桿連接兩個(gè)力傳感器，在車尾固定分體式位移傳感器接收端，再將分體式位移傳感器發(fā)射端固定于運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)（圖5與圖6）。

圖5 小車與傳感器（側(cè)視圖）

圖6 小車與傳感器（俯視圖）

②分析實(shí)驗(yàn)圖像（圖7與圖8）獲取信息，學(xué)生分析討論，發(fā)言。

圖7 x-t圖像

圖8 F-t圖像

信息1：分析x-t圖像，小車先加速，再勻速，再減速。

信息2：分析F-t圖像，兩個(gè)力大小相等，方向相反。

信息3：觀察實(shí)驗(yàn)裝置，兩車廂之間的作用力與反作用力作用在同一條直線上。

學(xué)生總結(jié)：多種直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，兩車廂之間的作用力與反作用力大小相等、方向相反、作用在同一條直線上。

5.3 拓展研究——總結(jié)與應(yīng)用

（1）尋找生活中的作用力與反作用力，思考是否也存在同樣的規(guī)律。

（2）簡(jiǎn)要介紹牛頓的研究：

第一，牛頓不僅指出了作用力與反作用力的存在，還指出這種相互作用總是作用在兩個(gè)不同的物體上；第二，只有通過(guò)實(shí)踐才能發(fā)現(xiàn)、檢驗(yàn)并發(fā)展真理；第三，牛頓思想的敏銳和邏輯思維方法的正確。

（3）牛頓第三定律的內(nèi)容：兩物體間的作用力與反作用力總是大小相等、方向相反、作用在一條直線上。

（4）學(xué)生討論、分析使火箭升空的力從哪里來(lái)。

5.4 物體受力的初步分析

學(xué)生對(duì)一靜止在粗糙斜面上的木塊進(jìn)行受力分析（圖9）后，進(jìn)行分享，教師點(diǎn)評(píng)、總結(jié)受力分析的步驟。

圖9 進(jìn)行受力分析

（1）受力分析步驟

①明確研究對(duì)象；

②根據(jù)力產(chǎn)生的條件分析物體受到的力（一般按照重力、彈力、摩擦力、其他外力的順序進(jìn)行分析）；

③畫出物體受到的力（注意線段長(zhǎng)短）；

④檢查正確性。

（2）檢查正確性的三個(gè)方法

①根據(jù)重力、彈力、摩擦力、其他外力的順序檢查；

②找出每一個(gè)力的施力物體；

③判斷受力情況是否符合物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

5.5 區(qū)分平衡力、作用力與反作用力

以燈籠為研究對(duì)象，在兩幅圖中（圖10）分別找出一對(duì)平衡力、一對(duì)作用力與反作用力，并討論這兩對(duì)力的異同點(diǎn)。（目前暫不分析燈籠與地球之間的作用力與反作用力）

圖10 一對(duì)平衡力、一對(duì)作用力與反作用力

總結(jié)整理（表2）。

表2 兩對(duì)力的對(duì)比

6 教學(xué)反思

本節(jié)課以學(xué)生為主體，圍繞學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)與認(rèn)知過(guò)程展開，實(shí)驗(yàn)素材、案例貼近生活，能較好地引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于形成將物理知識(shí)應(yīng)用于生活的意識(shí)。

（1）F-t圖像的深入討論

在對(duì)F-t圖像討論中，有學(xué)生關(guān)注到圖線的位置，存在三種情況，即有時(shí)紅線在上，有時(shí)交替變化，有時(shí)藍(lán)線在上。在引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比x-t圖像后，學(xué)生作出猜測(cè)，即紅線在上時(shí)為加速運(yùn)動(dòng)，交替變化時(shí)（理論上應(yīng)為0，但受實(shí)驗(yàn)條件限制，不為0）為勻速運(yùn)動(dòng)，藍(lán)線在上時(shí)為減速運(yùn)動(dòng)。至于其中原理，留作學(xué)生課后思考題，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)牛頓第二定律的內(nèi)容大膽論證。

（2）實(shí)驗(yàn)誤差分析

對(duì)F-t圖像，通過(guò)肉眼判斷紅、藍(lán)圖線有對(duì)稱性，得出兩車廂對(duì)對(duì)方的拉力大小相等的結(jié)論。但在將兩圖像翻折后，發(fā)現(xiàn)并未完全重疊（圖11），除了有測(cè)量誤差以及小車的運(yùn)動(dòng)過(guò)程并非完美的勻變速直線運(yùn)動(dòng)外，還有更重要的原因是，連接兩力傳感器的桿并非“輕桿”，在變速運(yùn)動(dòng)中，桿所受合外力不為0。因此，兩力傳感器示數(shù)不相等。

圖11 兩圖線并未完全重疊

（3）不完全歸納法總結(jié)

查閱相關(guān)史料可知，牛頓曾做了很多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證牛頓第三定律。牛頓第三定律“兩物體間的作用力與反作用力總是大小相等、方向相反、作用在一條直線上”中所說(shuō)的“總是”，即指任何情況、任何物體之間。但是，牛頓不可能一一將所有情況進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)際上，很多物理規(guī)律都是無(wú)法將所有情況進(jìn)行驗(yàn)證與分析的，因此大多都采用了不完全歸納法，即從一類對(duì)象中部分對(duì)象都具有的某種性質(zhì)推出這類對(duì)象全體都具有這種性質(zhì)的歸納推理方法，是從一個(gè)或幾個(gè)（但不是全部）特殊情況作出一般性結(jié)論的歸納推理。