關(guān)于牛頓第二定律的幾點思考

粟浚柏

（湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)）

關(guān)于牛頓第二定律的幾點思考

粟浚柏

（湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)）

牛頓第二定律是高中物理學(xué)科的重要概念，也是物理學(xué)習(xí)的難點和重點。牛頓第二定律在高中階段物理知識的學(xué)習(xí)中起著承上啟下的作用，牢固掌握牛頓第二定律的內(nèi)涵，對今后的物理學(xué)習(xí)有著很大的幫助。通過對牛頓第二定律的學(xué)習(xí)，借助物理實驗的方法對該定律進(jìn)行闡釋，以期為學(xué)生加深對該定律的理解提供幫助。

高中物理；牛頓第二定律；概念；實驗方法

一、牛頓第二定律概述

牛頓第二定律是我們學(xué)習(xí)物理力學(xué)知識的重要定律。掌握該定律能夠為我們今后學(xué)習(xí)物理力學(xué)知識奠定堅實的基礎(chǔ)。該定律的公式為：F=ma，F(xiàn)為表明物體的合外力，m為物體質(zhì)量；a為物體的加速度。物體加速度同物體所受的合外力F成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同，并且力和加速度同時產(chǎn)生、同時變化、同時消逝。牛頓第二定律是對物理學(xué)中力和運(yùn)動關(guān)系的概括，是物理學(xué)科領(lǐng)域中最為經(jīng)典的物理學(xué)定律。我們在慣性定律中學(xué)習(xí)的物體運(yùn)動并不是在外力作用下運(yùn)動，而是在慣性作用下發(fā)生運(yùn)動。我們沒有學(xué)習(xí)慣性定律前會認(rèn)為，這同我們的生活經(jīng)驗是相違背的。通過學(xué)習(xí)牛頓第二定律后，我們了解到，物體在沒有慣性作用下是不會運(yùn)動的，只有對物體施加力，物體才能以一定的速度運(yùn)動。

1.相互作用力

物體在外力作用下其運(yùn)動狀態(tài)會發(fā)生改變。根據(jù)我們對生活中事物的觀察，發(fā)現(xiàn)汽車在行駛過程中速度的快慢同駕駛員踩油門和踩制動踏板有直接關(guān)系。這就是物理學(xué)中講的物體在受到較大牽引力影響下運(yùn)動速度會變快，物體在運(yùn)動過程中受到較大摩擦力運(yùn)動速度減緩。即汽車在傳動裝置作用下產(chǎn)生牽引力，加之汽車輪胎滾動摩擦力影響，汽車運(yùn)動方向和合力方向保持一致，使得汽車加速運(yùn)動。

2.重力場運(yùn)動

牛頓第二定律除了闡明相互作用力同運(yùn)動的關(guān)系外，還涉及力學(xué)重力場中力的應(yīng)用。例如，石子在斜上拋的過程中，一般初始的力不容易察覺，但隨著加速度的增大運(yùn)動速度會很快。需要提出的問題是，初始力作用下石子運(yùn)動速度變慢和初始力大小有著直接關(guān)系（不計石子運(yùn)動過程中的空氣摩擦力）。所以，我們可以判定，重力是唯一對石子產(chǎn)生的作用力。在重力作用下，石子運(yùn)動軌跡發(fā)生著明顯的改變。從運(yùn)動合成和分解原理分析石子運(yùn)動，可將石子運(yùn)動作用力分為垂直方向作用力和水平方向作用力。水平方向石子運(yùn)動不受其他外力影響，所以，石子運(yùn)動的速度不會發(fā)生明顯變化。而垂直方向石子受到重力影響，石子運(yùn)動過程中則呈現(xiàn)出正方向先減小，反方向迅速加速現(xiàn)象。

二、牛頓第二定律實驗

通過實驗?zāi)軌驇椭覀兗由顚εｎD第二定律的理解,使我們從牛頓第二定律的感性認(rèn)知升華為理性認(rèn)知。即掌握該定律的本質(zhì)和內(nèi)涵。

1.實驗裝置

如上圖所示，在長木板的一端我們固定一個定滑輪，使用繩子將A、B兩塊質(zhì)量不同材質(zhì)相同的滑塊相互連接搭在定滑輪上，繩子的另外一端同打點定時器的紙帶連接。

2.實驗過程中需注意的細(xì)節(jié)性問題

實驗時，我們緩慢抬起長木板待滑塊A到達(dá)如上圖所示位置時將其固定。我們知道這是平衡摩擦力作用，但有的學(xué)生可能對設(shè)計成這樣的實驗裝置不夠明白，為什么要將滑塊A固定在這個位置，如果將長木板抬起一定的角度，滑塊A會下滑嗎？是滑塊A下滑速度快還是滑塊B下滑速度快。打點計時器的紙帶上又會出現(xiàn)什么樣的打點軌跡等。這都需要學(xué)生在實驗過程中親自動手做實驗，結(jié)合自己所學(xué)的物理知識，解釋物理實驗中遇到的種種問題。

3.實驗分析

實驗結(jié)束后，我們加深學(xué)生對定律的概念的理解,可采取在坐標(biāo)紙上畫圖的方式來達(dá)到這一目的。牛頓第二定律關(guān)系圖中a-F是過原點的，不過，在實際操作中有些學(xué)生雖然能夠準(zhǔn)確計算出想要的數(shù)據(jù)，但并不能很好地完成實驗。有些學(xué)生在坐標(biāo)上畫圖時經(jīng)常會出現(xiàn)圖像末端在原點處發(fā)生彎曲，造成圖像不經(jīng)過原點，這需要引起我們的注意。要學(xué)會分析摩擦力平衡狀態(tài)下傾角過大或過小所對應(yīng)的數(shù)據(jù)圖像是什么樣的，導(dǎo)致圖像末端彎曲的主要原因是什么。

總之，我們在學(xué)習(xí)牛頓第二定律過程中，不管是理論知識學(xué)習(xí)還是實驗都要堅持實事求是的科學(xué)態(tài)度，遇到問題要充分發(fā)揮自己的思維，思考問題，分析問題，處理問題，加強(qiáng)與其他學(xué)生的交流和溝通，共同探討牛頓第二定律，切實掌握該定律的真正內(nèi)涵。物理是一門綜合性比較強(qiáng)的學(xué)科，知識內(nèi)容比較抽象，學(xué)生不容易理解，但通過實驗的方式，可以幫助我們直觀地去感知和認(rèn)知物理知識。本文筆者結(jié)合自己對牛頓第二定律的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，探討了牛頓第二定律的概念，并通過實驗方式來進(jìn)一步揭示該定律的本質(zhì)內(nèi)涵，以期能夠為學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第二定律和加深對其理解提供幫助。

陳剛.氣墊導(dǎo)軌上空氣膜厚度的測定［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報，2008（01）.

·編輯 李建軍