高中物理牛頓第二定律教學淺談

【摘 要】 ? 作為高中階段物理學科中重要概念之一，牛頓第二定律在整體知識結構中有著重要的承上啟下作用，是對高中階段物理知識的有效連接。不少物理教育工作者將牛頓第二定律視為高中物理教學的核心。依據自身從事高中物理教學的多年經驗，筆者針對高中物理牛頓第二定律中的力學知識進行了知識框架的概括總結。

【關鍵詞】高中物理;牛頓第二定律;教學;實驗

作為高中階段典型的驗證性實驗，牛頓第二定律相較于傳統設計性實驗和綜合性實驗而言，無論是實驗過程還是實驗手段都較為簡單，然而簡單的實驗過程與實驗手段不代表實驗思想和實驗方法也同樣簡單。在復雜的實驗關系面前，簡單的實驗操作更加能夠闡述其中的科學道理，這是實驗教學探索性和啟發性特征的體現。

一、關于牛頓第二定律

在牛頓第二定律中，物體加速度大小隨著物體自身受到的作用力增大而隨之增大，與此同時物體質量趨于減小，合外力方向與加速度方向相一致，即公式為F=ma。牛頓第二定律是對物理學中運動和力關系的一種概括，是較為經典的物理學定律。曾經在慣性定律中我們了解到并非是導致物體運動的原因，顯然這與生活經驗內容相違背，而在牛頓第二定律中我們認識所謂的運動過程側重是指物體運動過程中狀態的變化，在力的作用下物體運動方向或是速度發生了改變。

1.相互作用力

物理運動狀態發生改變是受到力的作用的影響，我們經常在生活中碰到這樣的例子，比如車輛在行使過程中的加速或是減速操作正是由于車輛自身運動速度受到摩擦力和牽引力的影響。加速運行時氣缸中有大量汽油在燃燒，在傳動裝置作用下牽引力產生，加之滾動摩擦力的影響，使得車輛運動方向與合力方向相一致，進而形成加速運動的狀態，這一過程中滾動摩擦力隨之增大，直到與牽引力達到相互平衡的狀態。

2.重力場運動

除了相互作用力和運動之間的關系問題外，牛頓第二定律在力學方面還涉及到重力場中力的應用問題。比如石子在斜上拋過程中初始的力一般都較為短暫，不易被察覺，在較大的加速度作用下飛快運動。需要注意的是，在初始力作用下石子運動速度減少再受到初始力作用影響，這其中不計與空氣摩擦產生的作用力，因此重力是唯一對石子產生的作用力。在重力的影響下，石子對應的運動狀態有了顯著改變，這可從運動石子的大小及運動速度等方面得以體現。從運動合成及分解原理分析，這一運動作用力可被劃分為垂直方向上的作用力與水平運動方向上的作用力兩個方面。水平方向并不存在其余外力的影響，因此對應的石子運動速度并不會產生明顯變化，至于垂直方向上的作用力則是受到重力的影響，并且在重力方向上還存在加速度的影響，這就使得垂直方向上的石子運動在具體速率方面呈現出先減小，而后在反方向迅速加速運動的現象。

二、牛頓第二定律實驗操作

作為物理概念從理論演變為現實的必要基礎，實驗操作的重要性不可忽視，實驗是幫助學生提升對物理概念感性認知的最直接手段。關于牛頓第二定律的實驗操作過程可從教材中的實驗獲得教學靈感，以此加深學生對牛頓第二定律內容的本質理解。

1.實驗裝置

如下圖1所示，實驗過程中的長木板需要在其中一端設計定滑輪，并將其設定為滑塊A與B，二者材料相同，置于長木板后借助不可伸長的輕繩連接滑塊A與B，并將右邊連接與打點計時器紙帶相穿。

圖1 實驗裝置

2.細節引導

緩慢抬起長木板后在滑塊A置于長木板處時將其固定住，盡管教師能夠理解這是平衡摩擦力作用，然而學生卻可能存在不明白的地方，這就需要教師對其進行有效的引導，比如對學生提問若是模板抬起角度小則對應的滑塊A會不會出現下滑現象。能夠沿著長木板下滑這一過程能夠闡述怎樣的道理，這能夠幫助學生更好地理解和運用摩擦力的概念。

3.實驗分析

實驗完成后教師可指導學生借助坐標紙上作圖的方式來加深對牛頓第二定律相關概念的理解，牛頓第二定律關系圖中的a-F或a- 直線是過原點的，然而實際操作過程中學生能夠計算得到的數據卻并不一定達到預期效果，經常出現的情況是圖像末端在原點處發生彎曲，進而導致圖像不經過原點。學生可以分析若是摩擦力平衡狀態下發生傾角過大或是過小的問題則對應的數據圖像是怎樣的，發生圖像末端彎曲的主要原因是什么。對待真實的實驗結果，學生應當尋找其中存在的原因，切忌簡單化處理，并對其中的預期現象進行深入闡述，理清牛頓第二定律的概念，形成正確的實驗認知，這是掌握和應用物理知識的關鍵所在。

4.習題評講

作為物理問題情境設置的重要方式，習題的評講過程能夠幫助學生更好地實現對內化規律的吸收，且促進學生實驗技能與方法的完善，這既是實驗延伸的重要過程，更是對牛頓第二定律的有效應用，習題評講中能夠再一次對實驗過程進行受力分析，加深理解。

綜上所述，除了物理思想外，牛頓第二定律中還包含了豐富的物理實驗方法，是后續物理課程學習的重要基礎，這就需要教師在講授牛頓第二定律時融入該定律建立與推導的相關過程，引導學生了解牛頓第二定律的形成全過程，這不僅能夠讓學生更好地掌握基本物理知識，且有利于學生對自然界運動定理的理解，這對于學生科學素養的提升和正確實驗觀的樹立都有積極影響。

【參考文獻】

[1]劉方，陳剛.氣墊導軌實驗中導軌彎曲的系統誤差分析[J].長江大學學報（自然科學版），2004，（01）

[2]陳剛.氣墊導軌上空氣膜厚度的測定[J].重慶工商大學學報（自然科學版），2008，（01）

[3]李德地.淺談用氣墊導軌進行實驗的相關問題[J].科教文匯（上旬刊），2010，（02）

【作者簡介】

李輝，男，1984.10.05，陜西渭南，工作單位：渭南市鐵路自立中學，本科，中學二級，滬科版物理。

（作者單位：渭南市鐵路自立中學）