利用先前经验对牛顿第三运动定律的探究尝试

来源 :中学物理·高中 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hanjian8706
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  牛顿第三运动定律是高中物理力学知识中的基础性知识,由于相对于学生熟悉的牛顿第一运动定律,以及常用的牛顿第二运动定律而言,显得有些不那么重要,因而在实际教学中所花的精力也就有些薄弱.再加上不少教师认为学生对牛顿第三定律的教学往往执两种态度及相应的教学策略:一是认为学生对牛顿第三运动定律一无所知,因而选择一切从头开始进行详尽讲授的教学策略;二是认为学生由于平衡力等知识的迁移,可以顺利地理解牛顿第三运动定律,因而选择了简化教学的策略.笔者以为这两种策略都有一定的不足,更有效的策略应当是在学生已有知识的基础上,通过先前经验的提取与运用,通过物理思想方法的运用,来促进学生更有效地认识牛顿第三运动定律.
  由于牛顿第三运动定律的主要探究重点是作用力与反作用力之间的概念,以及两力之间的关系,因而笔者的描述就从这几个方面进行.
  1 作用力与反作用力概念的建立
  事实上在目前中考趋势的导向之下,初中阶段已经渗透了作用与反作用力的教学,经笔者的梳理,学生拥有的与作用力与反作用力相关的先前经验有:其一,根据已经学过的“物体间力的作用是相互的”这一规律,知道当甲物体对乙物体有力的作用时,乙物体也对甲物体有力的作用,且这一规律在原来的物理学习过程中经常得到训练,如用桨划船时船向前运动说明了什么?其二,在一些选择题的选项当中,会出现相互作用力与平衡力分别各占一个选项的情形,在这种情形下老师为了解释清楚两者的区别,通常会渗透一些作用力与反作用力的知识,有的甚至已经提前告知了作用力与反作用的概念;其三,在一些简单的力学习题中,事实上已经运用了作用力与反作用力的相关关系,即牛顿第三运动定律的部分知识.譬如一个重为10 N的物体放在水平桌面上,其对桌面的压力是多少?桌面对其支持力是多少?
  显然,这些知识的学习与习题的解答,已经给学生积累了不少的先前经验.因此在高中物理教学中,要基于这些先前经验进行作用力与反作用力概念的构建.笔者采用的顺序是这样的:(1)回忆初中阶段力的定义,重点理解“力的作用是相互的”含义;(2)确定相互作用的两个力之间的关系,并用“甲对乙有作用力的同时,乙对甲也有力的作用”概括不同的例子;(3)给相互作用的两个力进行命名(作用力与反作用力).
  2 作用力与反作用力关系的探究
  本课的探究重点是理解作用力与反作用力“异体、等值、反向、共线”的关系,而这一关系与二力平衡的特点“同体、等值、反向、共线”是具有可比拟性的,因此可以借助于二力平衡进行前期的猜想工作.猜想的依据也是学生的先前经验,此处不赘述.下面重点谈谈对四个关系的探究(主要侧重于猜想环节).
  关于“异体”,结合作用力与反作用力的概念及理解,结合施力物体与受力物体,学生可以理解作用力与反作用力分别作用在相互作用的两个物体之上,因此这一点并不难.
  关于“等值、反向、共线”三个特点,本课的探究重点侧重在两个方面:假如不等值、不反向、不共线,那发生相互作用力的两个物体会有什么样的运动?如何设计实验来证明?这两个问题的设计重在通过物体的运动来寻找力的关系(因为力是不可见的,发生相互作用力时也是不易测量的),而实验的设计的重要性事实上甚于实验操作本身,需要花大力气进行.
  学生的猜想应当说还是精彩纷呈的:首先,要研究作用力与反作用力的关系,那就必须有发生力的作用的两个物体.于是,水平面上放一个物体(桌面上放一本书)、两个人互相用手推等,都成为学生自然而然地想到的例子.还有聪明的学生想到了用两个弹簧测力计对拉,而这样恰恰就可以一下子解决作用力大小、方向、作用线三者之间的关系.学生的这一猜想在课堂上是能揿起一个小高潮的,因为学生基本能够发现这一个设计就能一下子解决三个问题,从而对猜想的结果又增信了几分.在这种情况下,笔者的引导是“实验结论的普遍适用性”要求,即尽量通过多个实验来证明猜想的真实性.于是,用两个装有相同磁体的相同小车作为实验器材,利用磁体同名磁极互相排斥来进行实验,也成为学生的共性选择.
  那么,如何利用这一实验装置进行猜想与实验呢?笔者将探究重点放在实验的构思上,即让学生通过假设的思路去构思:如果作用力与反作用力大小不相等,那相互作用的两个小车会发生什么现象?(学生多能猜到排斥时运动的距离不相等)如果作用力与反作用力方向不完全相反,那相互作用的两个小车会发生什么现象?(排斥后运动的方向不相反)第三个问题可以想像,不重复.
  这一过程发生在学生的想像当中,这种想像不是胡思乱想,而是在先前经验的基础上经过逻辑推理,其得出的结果已经接近于实际结果,因此可以说探究的高潮部分已经结束,余下的只是证实了.而一旦结论得到证实,牛顿第三运动定律也就成功地被学生发现了.
  3 作用力与反作用力教学的反思
  当很多探究课堂将重心放在实验本身时,笔者却发现实验往往不是最重要的.对实验结果的猜想,以及结合猜想去设计实验,即让学生想到去设计什么样的实验,其实才应当是探究的精华部分.
  基于这一想法,笔者在牛顿第三运动定律的探究教学中,将重心就放在对作用力与反作用力关系的猜想即证明上.事实证明这一策略是成功的,学生在猜想与实验设计的过程中兴趣盎然,对实验结果的理解也非常深刻.更重要的是在这一探究过程中,学生收获了猜想的喜悦与实验设计的成就感,这种成就感往往比实验结果的成就感还要强烈.
  由此也可以推想,对于高中物理教学而言,要将科学探究中最有魅力的一段呈现在学生面前,而这一决定权完全在老师的手中,老师有什么样的设计,学生就会有什么样的探究过程.当然,牛顿第三运动定律在高中物理中属于理解要求不高的内容,对于要求更高的如将来的动能定理、动量定理、闭合电路的欧姆定律、楞次定律等规律的探究,还需要考虑更多的内容.但万变不离其宗,让学生体验猜想以及实验设计的乐趣,那是不应当放弃的.
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