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牛顿第二定律的新课教学

(2007-12-27 11:46:22)
标签:

物理教学

知识理解

教学设计

杂谈

分类: 课程教学

最近听一位老师讲授“牛顿第二定律”,其基本的教学思路如下:

第一步,对上节课的两个学生实验——研究质量一定时加速度和力之间的关系;研究外力一定时加速度和质量之间的关系——进行数据分析,从分析中获得他们之间的函数关系式和图象;

第二步,将上述两个实验的结果“合成”,得到不控制变量的时候加速度和外力、物体的质量三者之间的相互关系式,得到牛顿第二定律。

第三步,利用这一定律解题。先是课本上的例题的讲解,然后是习题册上的试题的训练和分析。

我听课之后,感到这样的教学存在一些问题:一是学生对牛顿第二定律Fma的内涵理解不够,除了会背诵这个规律解题之外,其他都是茫然的;二是会给学生一种印象,以为物理问题就是背背公式解解题;三是没有给后续的教学进行铺垫、铺设台阶,等下面的运用问题上来之后,学生会感到一下子难了很多,不知道该怎么办。

我告诉这位老师,牛顿第二定律的新课教学,关键是要揭示规律背后所蕴含的物理意义,让学生知道该从哪些角度来理解他。在给出了规律的数学表达式之后,要从以下几个方面进行解读:

1FmaF的含义

F是物体(即研究对象)所受的合外力。它不包含研究对象的内力,也不是外力中的某个或者某一部分,更不是研究对象作用于其它物体的力。

2Fma中“=”的含义

式中的“=”号,除了反映三个量之间的数值关系之外,还有一层含义,就是他们之间的因果关系。等号的左边经常表示原因,右边表示结果,因此,上式还有一层含义,就是力是使物体产生加速度的原因。由于这个缘故,在书写牛顿第二定律的表达式时,就不能写成maF的形式。对于一个新规律的学习,初始的规范教育是很重要的。

这样的例子还有很多。比方说反射定律,说的是“反射角等于入射角”,在用公式表示的时候,就是i=γ,前面的入射角i是原因,后面的反射角γ则是结果。

3Fa的瞬时关系

Fma说明了力和加速度的瞬时关系。F是某一个瞬时物体受到的合外力,则a就是这一瞬时物体具有的加速度。力改变的时候,加速度也随之改变,它们同时存在,同时改变,同时消失。

4Fa的方向关系

物体具有加速度的时候,加速度a的方向由合外力F的方向决定,并且永远与之保持一致。因此知道了物体所受的合外力方向,就等于知道了加速度的方向;反之亦然。

5Fma三者之间的同体关系

物理学中的任何一个公式和规律都是对同一个研究对象而言的。牛顿第二定律表达式Fmam是研究对象的质量,a是研究对象的加速度,F是研究对象所受到的合外力,三个量都是对同一个研究对象而言的,当研究对象发生改变的时候,也明确某一个时刻它是谁,它所受的力多大,它的加速度如何,不能张冠李戴。教材中给了我们一个火箭升空的例题,随着火箭的上升,它的质量会因为燃烧而逐渐变小,这就是一个研究对象不断改变的一个事例。

6Fma之间的单位关系

在国际单位制中,力的单位不是基本单位,它的单位正是根据牛顿第二定律F=ma,由ma的乘积定义的,1N 1kg·m/s2。由此可知,在运用牛顿第二定律分析解决物理问题的时候,式中各量的单位均应采用国际单位制单位。

7.质量和惯性的关系

由牛顿第二定律,a=F/m,当物体所受的合外力一定的时候,物体的质量越大,它在外力作用下产生的加速度就越小,表明物体运动状态不易改变。也就是说质量大的物体保持原来运动状态的本领大,即惯性大。由此知,质量是物体惯性大小的量度。

上述的这些内涵的提炼,可以在如何选取研究对象、如何进行状态分析,如果撰写牛顿第二定律的表达式等多方面给学生提供指导,当学生遇到一些书本上、课堂上没有遇到的问题的时候,他们就会有一些抓手,不会慌神。

 

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