“牛頓第三定律”教學設(shè)計

廖強+揭夢昀

摘 要：日常生活中的許多經(jīng)驗給學生造成的一些錯誤的“前概念”，導致學生對物體間的相互作用問題的認識只停留在定性的了解，既不全面也不深刻。本節(jié)課設(shè)計了7個實驗，引導學生通過合作交流、積極探索，從定性和定量這兩個方面對物體間的相互作用進行探究，很好地突出了教學重點，突破了教學難點。

關(guān)鍵詞：牛頓第三定律；教學設(shè)計；合作探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）5-0064-3

1 教學目標

1.1 知識與技能

（1）知道兩個物體間的作用總是相互的，作用力和反作用力是相對的；

（2）掌握作用力和反作用力“等值、反向、共線、異物、同時、同性質(zhì)”的關(guān)系；

（3）掌握牛頓第三定律，能用定律分析說明相關(guān)具體實例；

（4）通過運用定律分析生活現(xiàn)象，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。

1.2 過程與方法

（1）通過觀察演示實驗和設(shè)計實驗，經(jīng)歷作用力與反作用力關(guān)系的探究過程；

（2）學習物理學研究現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律的方法，并且嘗試運用所學定律解釋生活現(xiàn)象。

1.3 情感、態(tài)度與價值觀

（1）經(jīng)過本節(jié)課的教學，學生領(lǐng)略到物理學中的對稱美；

（2）通過演示實驗和學生自主設(shè)計實驗，培養(yǎng)學生的探究意識；

（3）學生在與同學討論、合作中，表達了自己見解的同時又培養(yǎng)了團隊協(xié)作精神。

2 重點、難點

（1）重點：理解并掌握牛頓第三定律；

（2）難點：對定律中“總是”的理解。

3 設(shè)計思想

“牛頓第三定律”是人教版高中物理必修Ⅰ第四章第五節(jié)的內(nèi)容。學生在學習本課之前已經(jīng)學習了牛頓第一定律和第二定律。這兩個定律描述了一個物體運動與受力的關(guān)系，而牛頓第三定律揭示的則是相互作用的物體之間力的關(guān)系。在整個高中階段的學習中，常常把受力情況復雜的物體，其部分受力轉(zhuǎn)換到與之相互作用的物體上進行研究。牛頓第三定律除了能更好地分析、解決之前所學過的力、運動、力和運動的關(guān)系外，在一定范圍內(nèi)，它與物體系統(tǒng)的動量守恒定律也是密切聯(lián)系的。

初中階段學生學習了重力、彈力、摩擦力等幾個具體的力以及二力平衡的知識，為本節(jié)課的教學奠定了基礎(chǔ)。但學生對物體間的相互作用問題只是定性的了解，對其認識既不全面也不深刻。日常生活中的許多經(jīng)驗給學生造成的一些錯誤的“前概念”也給本節(jié)課的教學帶來了一定的困難。部分學生學完牛頓第三定律后，仍然處在記憶的層次，當實際解決問題時往往會忽視牛頓第三定律。

基于以上分析，為使本堂課圍繞重點、突破難點，同時讓學生在學習完本堂課后能力能得到提高，教學過程設(shè)計如下，共分3個環(huán)節(jié)：新課引入，新課教學，小結(jié)與作業(yè)。其中，新課教學又分為5個環(huán)節(jié)。

4 教學方法

本課采用講授法、實驗法、討論法、探究法等多種教學方法相結(jié)合。

5 學習方法

學生的學習方法以自主、合作、探究等多種方法相結(jié)合。

6 教學儀器

小磁鐵、塑料盆、鐵條、皮鞋刷、橡皮筋、力傳感器、彈簧測力計、鋁塊、小風扇、小童車等。

7 教學過程

7.1 新課引入

首先，向?qū)W生提出一個趣味問題：老師不小心把一個小磁鐵掉進裝滿水的塑料盆里，同學們用什么辦法可以不碰到水而把小磁鐵撈起來？學生經(jīng)過思考、討論之后，可能想到用一根條形磁鐵將小磁鐵吸出。教師繼續(xù)提問：那能不能用一根鐵條把小磁鐵吸出呢？學生根據(jù)初中關(guān)于相互作用的學習，得出肯定回答。教師及時設(shè)問：平時我們說磁鐵能吸引鐵，而不說鐵吸引磁鐵，是不是因為磁鐵吸引鐵的力大于鐵吸引磁鐵的力呢？這兩者之間有什么關(guān)系？這就是我們今天要學習的內(nèi)容——牛頓第三定律，引出課題。

【設(shè)計意圖】 從生活走向物理，用生活中的一個情景開始一堂新課，能激發(fā)學生的好奇心和求知欲，并能增加學生的學習興趣。

7.2 新課教學

7.2.1 作用力與反作用力

首先，回顧一下力的定義。鼓勵學生積極思考，說說生活中的相互作用的例子。學生一般會想到鼓掌、劃船、推桌子、背書包等常見的生活場景。對學生的回答給予肯定和鼓勵，并引導學生分析、歸納、總結(jié)出這樣一個結(jié)論：相互作用的兩物體之間，力總是成對出現(xiàn)的。這時提出作用力與反作用力的概念。并強調(diào)可以把其中任意一個力叫做作用力，則另一個力叫做反作用力。這時再設(shè)問：大家猜想一下作用力與反作用力之間有怎樣的關(guān)系？學生在探討的過程中想到力的三要素：大小、方向、作用點。有些同學會猜想兩個力的大小相等，還有些同學會猜想兩個力的方向相反，作用點不同等，甚至還有些同學思維更加靈活敏銳，會想到兩個力的作用線的問題。對學生的這些探討結(jié)果，教師加以歸納總結(jié)，指出以下6個要素是我們今天要探究的主要內(nèi)容，將學生的注意力引導到這6個方面上來，分別是：大小、方向、作用線、作用點、同時性、同性質(zhì)。

7.2.2 探究作用力與反作用力的定性關(guān)系

這時教師演示3個簡單的實驗：皮鞋刷與海綿摩擦、磁鐵與鐵塊相互吸引、帶同種電荷的小球相互排斥。提示學生從作用點和性質(zhì)兩個方面對3個實驗現(xiàn)象進行逐一分析。學生經(jīng)過思考后歸納總結(jié)，得出結(jié)論：作用力與反作用力分別作用在兩個物體上，是性質(zhì)相同的一對力。繼續(xù)設(shè)問：如果要探究兩力的作用線，又該如何進行實驗設(shè)計呢？這時將學生進行分組，交給第一組學生2個小磁針，第二組學生2根橡皮筋，讓學生相互合作，討論交流，設(shè)計實驗，教師加以適當?shù)闹笇А椭鷮W生得出“兩個力的作用線始終在同一直線上?！苯處熢賹W生的結(jié)論進行歸納：作用力與反作用力分別作用在兩個物體上，是性質(zhì)相同的一對力，兩個力的作用線始終在同一直線上。對于他們的探究結(jié)果教師當堂給予肯定，讓學生體驗成功的喜悅。

7.2.3 探究作用力與反作用力的定量關(guān)系

學生仍然進行分組，讓他們自己動手做一做課本上兩彈簧測力計互拉實驗并且提出實驗要求：分別在靜止和緩慢運動情況下觀察兩彈簧測力計的示數(shù)，多次實驗并且做好記錄。學生得出作用力與反作用力大小相等的結(jié)論。接下來向?qū)W生介紹力傳感器和傳感器的工作原理，把力傳感器連接在電腦上，傳感器鉤子上掛上鉤碼，鉤子受力大小隨時間變化的情況可以由計算機顯示，并且告知學生力傳感器可以顯示動態(tài)下相互作用的兩物體即時受力情況這一優(yōu)點。參照課本演示此實驗，在分析電腦圖像時，要求學生就圖像對稱的含義進行思考。并且設(shè)置2個問題：（1）兩條曲線完全對稱說明每一時刻兩力具有什么關(guān)系？（2）兩力是同時改變，同時消失的嗎？通過這2個問題的解答，幫助學生理順思路，提供思考的方向。其中，問題1的設(shè)計使學生順利得出作用力與反作用力大小相等、方向相反的結(jié)論。問題2的設(shè)計使學生從同時性角度認識作用力和反作用力的關(guān)系。學生得出結(jié)論后，再設(shè)疑問：如果相互作用的兩個物體，一個是固體，一個是液體，它們的作用力與反作用力還會相等嗎？這樣適時的設(shè)問，又將學生引進思考當中，當學生感覺到要解決這個問題有點困難時，教師便演示浮力和浮力的反作用力這一實驗。這個實驗是利用彈簧測力計求出鋁塊所受浮力，圓盤測力計求出鋁塊對水的壓力，比較浮力與壓力，進而驗證作用力與反作用力大小相等。學生對浮力并不陌生，但是往往會忽視浮力的反作用力——也就是物體對水的壓力。這個實驗不但直觀地把浮力的反作用力展現(xiàn)在學生面前，同時還驗證了浮力與浮力的反作用力大小相等這一結(jié)論，給學生留下深刻的印象。經(jīng)過這樣幾個實驗探究，學生對作用力與反作用力大小相等的理解應(yīng)當是很深刻的，認識到相互作用的兩物體無論是處在靜止或是運動狀態(tài)，還是處在不同的運動狀態(tài)，其作用力與反作用力總是大小相等的。最后，讓學生歸納作用力與反作用力的關(guān)系，簡寫為：等值、反向、共線、異物、同時、同性質(zhì)，這時引入牛頓第三定律的內(nèi)容。

【設(shè)計意圖】 通過這種開放的教學過程，給學生創(chuàng)造出一個自由的發(fā)展空間，讓學生投入到積極探索、認真思考，主動與別人合作的狀態(tài)中去。

7.2.4 例題分析，講練結(jié)合

為鞏固學生對以上知識的把握，設(shè)口答練習。第一題的目的在于讓學生具體體會力的作用是相互的，作用力和反作用力的說法是相對的。第二題要求學生能清晰地理解什么是一對平衡力，什么是一對作用力和反作用力，這一問題是物體受力分析的基礎(chǔ)。

問題一 人在行走過程中，人與地球的作用力與反作用力有哪幾對？人受到的力是這些力中的哪幾個？地球受到的力又是哪幾個？

問題二 一個鐵環(huán)靜止掛在彈簧測力計下，彈簧測力計示數(shù)是4 N，求鐵環(huán)所受重力，寫出求解過程。

7.2.5 牛頓第三定律的應(yīng)用

（一）小風扇變輕實驗

在電風扇不工作時觀察彈簧測力計的示數(shù)，當電風扇工作時，觀察示數(shù)有何變化，并解釋這一現(xiàn)象。

思考：（1）如果在月球上做這一實驗，還會出現(xiàn)上述現(xiàn)象嗎？為什么？（2）直升飛機升空的原理。

（二）小童車“吹飛”粉筆灰實驗

首先向?qū)W生說明：汽車車輪有驅(qū)動輪和從動輪之分，一般都是后輪驅(qū)動?，F(xiàn)有一個小童車，將小童車驅(qū)動輪架空，使后輪慢慢接觸鋪有粉筆灰的平臺上，在后輪接觸粉筆灰的瞬間，粉筆灰向后飛出，為什么粉筆灰會向后飛出？

思考：（1）如果小童車接觸的是地面，又會出現(xiàn)怎樣的現(xiàn)象呢？（2）汽車前進的原理。

【設(shè)計意圖】 實驗簡單易做，效果明顯，起到了吸引學生注意、引發(fā)學生學習興趣的目的。通過牛頓第三定律的兩個應(yīng)用，學生體會到物理來源于生活，服務(wù)于生活。這兩個實驗又活躍了課堂氣氛，讓學生在愉快的學習過程中體會牛頓第三定律在生活中的作用，而設(shè)置的思考題又培養(yǎng)了學生利用知識去分析問題、解決問題，同時應(yīng)用知識的能力。

7.3 小結(jié)與作業(yè)

接下來以問答的形式來完成課堂小結(jié)。

1.本節(jié)課學習了作用力與反作用力的哪些性質(zhì)？

作用力與反作用力大小相等；方向相反；作用在同一直線上；作用點不同；同時產(chǎn)生，同時消失；性質(zhì)相同。

2.正確表述牛頓第三定律，解決新課引入時遺留的問題。

作業(yè)：課本中“問題與練習”的第4題。

8 板書設(shè)計

1.力的作用是相互的。

2.作用力和反作用力：物體間相互作用的這一對力，通常叫做作用力和反作用力。

3.作用力和反作用力的關(guān)系：等值、反向、共線、異物、同時、同性質(zhì)。

4.牛頓第三定律：兩個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。數(shù)學表達式：F=F'。

9 課后反思

本節(jié)課共有3個環(huán)節(jié)，其中新課教學又分為5個環(huán)節(jié)，都是圍繞教學目標展開。為了突出重點、突破難點，設(shè)計了5個實驗，通過這5個實驗，來完成知識的形成過程。引導學生通過合作交流，積極探索，進而達到知識的建構(gòu)。為了直觀展示牛頓第三定律的應(yīng)用，又再設(shè)計了2個實驗，整個設(shè)計中實驗雖然較多但卻不重復，且能吸引學生的興趣，達到較好的教學效果。

參考文獻：

[1]柴宏良.“牛頓第三定律”重難點突破的教學案例[J].物理通報，2011，40（7）：58-60.

[2]陳芳，周曉棣，拾景忠.定量驗證牛頓第三定律[J].物理實驗，2016，36（4）：42-43.

[3]劉煥奇.從定性到定量 引導學生探究牛頓第三定律[J].中學物理，2015，33（7）：2-3.

（欄目編輯 鄧 磊）