核心素養(yǎng)視角下牛頓第三定律的教學實踐①

(江蘇省寶應中學,江蘇 揚州 225800)

1 引言

以牛頓運動定律為基礎的動力學是高中物理的主干知識，牛頓第一定律和第二定律解決了運動與力之間的關(guān)系問題，但自然界中的物體總是相互聯(lián)系、相互影響、相互作用的，牛頓為此提出了第三定律，揭示了物體間相互作用的關(guān)系。

牛頓第三定律除了能更好地幫助學生解決受力分析問題之外，還是學習碰撞、反沖等的基礎。學生在初中雖然學習了力的相互性，但對其規(guī)律一知半解，甚至還經(jīng)常與二力平衡相混淆。通過本節(jié)課的學習，可以讓學生感受高中與初中物理知識的聯(lián)系與區(qū)別，體會到高中物理更定量、更抽象的特點。

2 教學目標

(1) 物理觀念:通過實例建立相互作用觀，理解作用力和反作用力的關(guān)系、牛頓第三定律的含義，分清實際問題中的作用力和反作用力；

(2) 科學思維:通過定性分析、邏輯推理和歸納總結(jié)，培養(yǎng)學生的科學思維能力；

(3) 實驗探究:讓學生參與實驗設計，親身經(jīng)歷提出問題、獲取證據(jù)、作出解釋、交流表述等環(huán)節(jié)，提高學生的動手和探究能力；

(4) 科學態(tài)度與責任感:通過系列實驗和問題的解決，激發(fā)學生學習欲望和動機，養(yǎng)成實事求是、不迷信權(quán)威、敢于質(zhì)疑創(chuàng)新的科學態(tài)度。

3 教學過程

3.1 教學片段

實驗1：將電吹風豎直放置在電子臺秤上。接通電吹風電源后，觀察電子臺秤的示數(shù)(圖1)；電吹風吹起乒乓球后，觀察電子秤的示數(shù)，它會不會發(fā)生變化(圖2)？

設計意圖：運用實驗激發(fā)學生的學習興趣。

圖1

圖2

3.2 辨析作用力與反作用力

問題1：人用力推桌子，誰是施力物體？誰是受力物體？人對桌子的力產(chǎn)生了什么效果？

問題2：人用手拉彈簧，誰是施力物體？誰是受力物體？人對彈簧的力產(chǎn)生了什么效果？

問題3：用磁鐵吸引小球，誰是施力物體？誰是受力物體？

小結(jié)1：力的物質(zhì)性：力離不開物體，通常把相互作用的兩個物體中的一個稱作施力物體，另一個稱作受力物體。

問題4：問題1中的桌子對人有力嗎？人為什么不動呢？問題2中的彈簧對人手有拉力嗎？手發(fā)生形變了嗎？。

小結(jié)2：力的作用是相互的。

人推桌子，人為施力物體，桌子為受力物體；桌子也同時對人施加了力，此時桌子為施力物體，人為受力物體。把人對桌子的力稱為作用力，那么這個力的反作用力就是桌子對人的力；也可以把桌子對人的力稱為作用力，那么這個力的反作用力就是人對桌子的力。

小結(jié)3：作用力與反作用力一定成對出現(xiàn)。

設計意圖：通過具體問題，引入“施力物體”“受力物體”“作用力”“反作用力”等概念，體現(xiàn)了物質(zhì)觀和相互作用觀。其中涉及重力、彈力、摩擦力、磁力的反作用力，為后面討論“作用力與反作用力的性質(zhì)”提供素材。

3.2 理解牛頓第三定律

用拔河比賽引出問題：作用力和反作用力大小有什么關(guān)系？

學生容易認為贏的一方作用力大，從而引起思維沖突。

設計意圖：通過真實問題情境的創(chuàng)設，引起學生高度注意和積極參與，為接下來的實驗探究(對拉彈簧測力計以及DIS實驗)作鋪墊。

3.3 實驗探究

實驗2：對拉彈簧測力計(圖3)實驗中可能會出現(xiàn)示數(shù)不相等的情況，如果出現(xiàn)示數(shù)不相等的情況，正好體現(xiàn)了接下來探究的必要性。得出規(guī)律后解釋示數(shù)不等的原因：彈簧測力計不水平、沒有校零或者彈簧老化等。引導學生借助第三只彈簧測力計進行檢驗，操作過程如下：分別用2只彈簧測力計與老師的標準彈簧測力計對拉，記下兩彈簧測力計示數(shù)，作相應校準。

圖3

實驗3：利用DIS探究作用力和反作用力的關(guān)系

課本上的實驗很好地說明了靜態(tài)情況下作用力與反作用力總是大小相等，學生可能會質(zhì)疑運動中有加速度的情形下作用力與反作用力是否大小相等，所以進行了如圖4所示的創(chuàng)新設計。

實驗步驟為：① 小車靜止不動時，兩個傳感器采集的數(shù)據(jù)不變，都等于懸掛物所受的重力；② 小車加速運動時，兩個傳感器采集的數(shù)據(jù)都變化，但在任何時刻都相等；③ 在彈簧作用下重物減速運動后振動，兩個傳感器采集的數(shù)據(jù)在任何時刻仍相等。

實驗結(jié)果如圖5所示，師生總結(jié)、得出實驗結(jié)論：作用力與反作用力大小相等的規(guī)律與物體運動狀態(tài)無關(guān)。

圖5

小結(jié)4：① 作用力與反作用力同時產(chǎn)生、同步變化、同時消失，時間上沒有先后順序；② 作用力和反作用力方向總是相反，大小總是相等，與物體運動狀態(tài)無關(guān)。

師生總結(jié)、得出牛頓第三定律內(nèi)容：兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一直線上。表達式為：F(作用力)=-F′(反作用力)，式中的“-”號表示方向相反。

解釋拔河比賽：兩人的拉力大小是相等的，輸?shù)囊环绞且驗槠涫艿降睦Υ笥诘孛媸┘拥哪Σ亮Α０魏訒r怎樣才能贏？可以增加腳底與地面的摩擦力，其方法有：增大壓力，即增加重力；增大動摩擦因數(shù)，穿底粗糙的鞋。

3.4 一對相互作用力和一對平衡力的比較

通過具體實例分析受力，要求學生畫出示意圖，說明作用力反作用力與平衡力的關(guān)系，明了作用力、反作用力與平衡力的區(qū)別。牛頓第三定律揭示了物體間的相互作用，利用牛頓三定律，通過轉(zhuǎn)換研究對象，從一個物體的受力分析過渡到另一個物體的受力分析，為我們提供了受力分析和求力的新途徑。

總結(jié)出作用力、反作用力和平衡力的區(qū)別。通過對比突破教學難點，深入理解牛頓第三定律，將知識內(nèi)化為能力和素養(yǎng)。

小結(jié)5：作用力、反作用力和平衡力的異同如表1所示。

表1

呼應教學引入環(huán)節(jié)：學生用實驗回答開始提出的問題：電吹風吹起乒乓球后，電子秤的示數(shù)會不會變化？引導學生作出解釋，提升學生運用知識分析問題的能力，培養(yǎng)他們的實事求是、敢于質(zhì)疑創(chuàng)新的科學態(tài)度。

4 教學反思

對于本節(jié)內(nèi)容學生在初中已有所接觸，高中再學習時容易降低學習的欲望，如何引起學生的學習興趣，并突破初中的已有認知？這是這節(jié)課要重點要解決的問題，精心設計實驗是一個很好的解決途徑。

實驗一(吹風機實驗)作為引入實驗，設計時要具備以下要素：新穎有趣、對比設疑、符合本節(jié)課主題。實驗二(DIS實驗)是探究實驗，要比以前的實驗深刻，探究了小車在靜止、超失重、振動等多種運動狀態(tài)下作用力與反作用力的關(guān)系，為牛頓第三定律提供多樣的證據(jù)，通過親身體驗科學探究過程，培養(yǎng)學生的思維能力。