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《力与运动》教师备课准备

2021-06-14 20:25 未知

  1.知识概念的把握

  对牛顿第一定律的认识

  牛顿第一定律指出:“一切物体在没有受到外力作用的时候,总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止.”这条定律包含着两个重要的概念:1.定律说明了力和运动的关系,物体的运动并不需要力去维持,只有当它运动状态发生变化时,才需要力的作用.2.定律说明物体具有能够保持静止状态或匀速直线运动状态的性质,物理学中,把物体这种固有的、保持原来运动状态不变的特性叫做惯性.

  牛顿第一定律科学地说明了力和惯性这两个概念,正确地解释了力和运动的关系,是物理学中一条基本定律.然而,不少的人对这条定律还存在一些错误的看法,归纳起来有如下几方面:

  其一:“牛顿第一定律本身就是唯心的,因为在自然界中不受外力作用的物体是找不到的”.

  应该认为:牛顿第一定律是从大量天文观察中间接推导出来的结论,是物体运动所遵循的规律的抽象概括.由于完全不受其它物体作用的孤立物体实际上并不存在,所以牛顿第一定律不能简单地按字面意义用实验直接加以验证.但是,许多简单的事实都可以帮助我们理解定律的含义.例如我们沿水平地面抛出一个石块,地面越平滑,即地面对石块的摩擦力越小,则石块滑行越远,也就是说石块的速度变化越慢.又如在天文观察中,我们可以看到一种彗星,当它远离其它各星体时,即当其它各星体对它的引力极小时,它的速度就几乎保持不变.第一定律的正确性主要是由它所推出的结论和实验事实符合而得到证明的.

  其二:“牛顿第一定律是牛顿第二定律的特殊情况,若物体运动的加速度为零,第二定律就变成了第一定律,所以第一定律可有可无.”持这种意见的人,首先是不了解牛顿第一定律在牛顿运动三定律中的逻辑地位.他们说:牛顿本人是精通数学的,他未必没有发现第一定律和第二定律由数学形式上说存在着上述“隶属关系”.但他仍然坚持要用三条定律来描述力学规律,并且把第一定律置于首位,显然是经过深思熟虑的.那么,牛顿第一定律的逻辑地位是什么呢?可以这么说,它是第二定律的基石或出发点,没有第一定律为前提,也就没有第二定律.理由有二:

  (1)第一定律说明维持物体的速度不需要力,改变物体的速度才需要力.这就给力的科学定义的产生创造了条件.第二定律是在力的科学定义的基础上建立的.

  (2)第一定律在揭示出惯性的普遍存在后,给力学体系选择了一类特殊的参考系──惯性参考系,而第二定律就是在惯性参考系中建立的.

  另外,由这两个定律的直接相互关系来看,也不能说它们之间是特殊情况隶属于一般情况的简单隶属关系.因为第一定律揭示出,当物体不受力时,一切物体都毫无差别地表现出惯性;而第二定律则揭示出,一当物体受力(无论它多么小),不同的物体就表现出不同的惯性。如果我们不知道物体在不受力的情况下处于怎样的运动状态,要研究物体在力的作用下将作怎样的运动,显然是不可能的.所以牛顿第一定律是研究力学的出发点,是不能用牛顿第二定律代替的.

  其三:“牛顿第一定律应当表述为物体在平衡力的作用下,保持静止或匀速直线运动的状态.”

  在我们所遇到的实际问题中,保持静止或作匀速直线运动的物体确实不是不受外力,而是它所受的外力互相平衡了.例如桌子上放着的物体处于静止状态,是由于物体所受的重力跟桌面对它的支持力互相平衡.作匀速直线运动的飞机,是由于飞机所受的重力、发动机产生的牵引力、空气对它的升力和阻力等互相平衡.也就是说,一切物体在平衡力的作用下,是保持静止和匀速直线运动状态的.这个结论,我们在讨论了牛顿第二定律以后可以看到,它不是一个独立的规律,而是牛顿第二定律的一种特殊情况,当然也就不能用它来取代牛顿第一定律.

  其四:“由牛顿第一定律可以推知,转动物体存在着转动惯性.”

  应该认为:牛顿第一定律里所谈的物体,指的是质点.也就是说,惯性是指质点的惯性,或物体作平动时的惯性.对于转动的物体来说,也是存在着惯性的,但和这里所说的惯性不是一回事.由牛顿第二定律可以知道,质点的惯性是用质量来量度的,质量大,惯性大.而转动物体的惯性是用一个叫做转动惯量的物理量来量度的.质量的大小是跟物体的形状无关的,而转动惯量的大小跟物体的形状有关.比如柴油机的飞轮,靠近边缘部分做得比较厚,靠近转轴部分做得比较薄,就是为了使飞轮对转轴的转动惯量大些.所以,我们在谈到飞轮的惯性时,不要和牛顿第一定律所指出的质点的惯性混为一谈.

  其五:“牛顿第一定律实际上就是惯性的定义,所以又叫做惯性定律.”

  这种说法是不正确的.由它必然导致一种错误观点,就是把牛顿第一定律仅仅看作是一个定义,而不是力学现象中客观规律的表现.而牛顿第一定律是从实验事实归纳出来的物体运动的普遍规律,它不应该看作仅仅是一个定义.

  2.物理实验设计

  1)牛顿第二定律的实验牛顿第二定律的实验,历来被认为是困难的,其困难主要在于(1)由于摩擦力难免,很难精确测定外力;(2)测加速度需要同时测定距离和时间,这也是比较困难的;(3)质量虽可以测得比较准确,但通常用装有轮子的小车作为运动物体,就涉及转动惯量。克服困难的途径常见的有:

  第一、为了消除摩擦力的影响,有的将水平轨道的一端稍稍抬起,以使小车正好作匀速运动;有的在小盘内预先加一些砝码,以使小车正好作匀速运动,然后再加砝码作为外力,克服摩擦力更加有效的办法便是利用气垫装置。

  第二、利用公式s=1/2at2,测加速度,为了把s和t同时记录下来,我们现在使用的是电磁打点计时器或光控计时仪。在条件不具备的地方建议使用传统的方法:(1)在轨道上预先划好成比例的线段,调节好节拍器,让小车在节拍器每次声响时正好通过标记;(2)轨道沿边贴上纸条,在小车上装上一个具有滴水口的小水瓶,调节滴水快慢,记下滴水间隔时间,然后在正好滴下一滴水时让小车启动,量出纸上水滴间距即可算出加速度。

  第三、取小车作为运动体时,小车的轮子尽可能做得轻些(相对于车声而言)。如果采用气垫装置,用滑块作为运动体,就可以免除轮子的转动的影响和把摩擦降到最小限度。

  2)多利用身边的物品来做实验,

  例如:在电梯中超重与失重现象,要记录物体在电梯运行过程中,对电梯压

  力的变化,可以让学生带上家庭用的小型体重计到电梯中亲自实验,并在数据表格中填写实验数据,培养学生实验和数据记录能力。

  在验证完全失重现象时,可以利用矿泉水瓶底部穿两个小孔,并装满水,使之从两位面对面,站得很近的同学面前落下,使他们亲身体验:水并没有落出来。从而有深刻的体会。也可以使该矿泉水瓶里滴有黑色墨水,从固定在黑板上的白纸前落下,通过白纸上有没有墨水痕迹也可以很好的说明完全失重现象。

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