淺談運用牛頓第一定律解決力學問題的技巧與方法

湖北省武漢市第一初級中學(430024) 南鳴燕

牛頓第一定律在初中物理8年級下學期學習,內容如下:一切物體在沒有受到力的作用時,總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態。

在日常生活中,物體都受到重力,還可能受到其它力,如:支持力、拉力、摩擦力、壓力等,表面上看不滿足牛頓第一定律的前提條件。其實不然,如果物體受到的力是平衡力,即物體受到的合力為零,與不受力的效果是一樣的,也可以運用牛頓第一定律。我們可以把牛頓第一定律理解推廣為物體不受力或受平衡力作用時,總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態。下面就學生常見的問題來進行探討,加深對牛頓第一定律的理解,從而提高學生運用知識解決問題的能力。

1 一個物體不受力或受平衡力時,該物體一定是靜止的

這個觀點是錯誤的,物體不受力,滿足牛頓第一定律的條件,則它有兩種可能:①保持靜止狀態;②保持勻速直線運動狀態,如何確定它的狀態,得看物體不受力時的瞬時速度,瞬時速度為零,則保持靜止狀態,瞬時速度不為零,則以此瞬時速度作勻速直線運動。舉例分析:細線系著一小球作單擺運動:①當小球運動到最高點時,突然不受力,小球將如何?此題中,小球在最高點時瞬時速度為零,突然不受力,則由牛頓第一定律可知:小球將保持靜止狀態停在最高點處;②若小球不是在最高點時,突然不受力,小球又將如何?此題中,小球不處于最高點,小球此時瞬時速度不為零,突然不受力,則小球將以此時刻速度作勻速直線運動;③小球運動到最高點時,繩子突然斷了,小球又將如何呢(不計空氣阻力)?系住小球的繩子突然斷了,小球不再受拉力,但仍受到重力,所受合力不為零,在最高點瞬時速度為零,由于小球受到重力,因而小球將沿豎直方向做加速下落運動。

因此可以得出結論:一個物體不受力或受平衡力作用時,該物體有兩種可能:①保持靜止狀態 ②保持勻速直線運動狀態。

2 物體只受一個力的作用,一定做變速運動

這個觀點是正確的,分析如下:物體只受一個力,合力一定不為零,無法平衡,則物體受到的力一定是非平衡力,因此物體所受合力不為零,不滿足牛頓第一定律及推廣條件,物體不可能靜止,也不可能保持勻速直線運動,則它的運動狀態一定改變,物體將做變速運動。

3 物體受平衡力的作用,一定做勻速直線運動

這個觀點是錯誤的,物體受平衡力的作用,即物體所受合力為零,滿足牛頓第一定律的推廣條件,那么物體的運動狀態如何分析呢?我們應該先確定物體受平衡力作用時的瞬時速度。例如:①空中加速下落的小球,在某一時刻突然不受力或受平衡力的作用,該小球會如何?此題中小球先是作加速下落,在某一時刻不受力或受平衡力作用,這個瞬間小球速度不為零,此時刻滿足牛頓第一定律,則小球就會以此時刻速度作勻速直線運動;②天花板下懸掛的電燈,受拉力和重力作用,這兩個力是一對平衡力,電燈受平衡力的作用保持靜止狀態。若某時刻所有力都消失了,電燈的運動情況會如何?分析:當電燈不受力時,電燈此時的速度為零,由牛頓第一定律可知電燈會停在原來的位置并保持靜止狀態。

4 一個物體保持靜止或勻速直線運動狀態,則該物體受的力一定是平衡力

這個觀點是正確的,因為物體的運動狀態沒有發生改變,符合牛頓第一定律,則物體受到力的效果和不受力的效果完全一樣,這個物體受到的合力一定為零,即物體受到的一定是平衡力。

教學之后的感悟:在生活中,學生很容易誤認為物體運動是需要力來維持的。教師在教學中可以多舉例來加強力是改變物體運動狀態的原因。而物體運動狀態是否改變,是由物體所受合力決定的,當物體所受合力為零時,即受平衡力作用時,物體的運動狀態不會改變,物體會保持原來的運動狀態,因此物體有兩種可能情況:①保持靜止狀態;②保持勻速直線運動狀態。當物體所受合力不為零時,即受非平衡力的作用,物體運動狀態一定改變,物體做變速運動。