定量驗(yàn)證牛頓第三定律

陳　芳，周曉棣，拾景忠

(江蘇師范大學(xué) 教師教育學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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定量驗(yàn)證牛頓第三定律

陳芳，周曉棣，拾景忠

(江蘇師范大學(xué) 教師教育學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

摘要：通過(guò)2臺(tái)電子天平的示數(shù)變化，定量地探究作用力與反作用力的關(guān)系，驗(yàn)證壓力、浮力、磁力等多種形式的力均滿(mǎn)足牛頓第三定律.

關(guān)鍵詞：牛頓第三定律；作用力；反作用力；電子天平

牛頓第三定律是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的重要組成部分，要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)并記憶牛頓第三定律并不難，但這僅僅停留在感性認(rèn)知的層面，一涉及到具體問(wèn)題，他們就可能會(huì)由于片面的認(rèn)識(shí)而產(chǎn)生錯(cuò)誤. 因此，需要做更深入地研究，也就是用數(shù)據(jù)做定量分析，讓學(xué)生逐步建立起科學(xué)的規(guī)律[1]. 力在生活中是無(wú)處不在，教材通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)的對(duì)拉實(shí)驗(yàn)可以定量地驗(yàn)證彈簧彈力滿(mǎn)足牛頓第三定律，但諸如浮力、磁力等其他形式的力采取該方法則不容易驗(yàn)證. 為此，作者利用身邊已有的儀器設(shè)計(jì)了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，定量地驗(yàn)證了牛頓第三定律，幫助學(xué)生深入理解相互作用力的關(guān)系.

1實(shí)驗(yàn)器材

該裝置由2臺(tái)型號(hào)相同(精度為0.1 g)的電子天平1和2(分別置于升降臺(tái)上和桌上)、1個(gè)固定裝置、1個(gè)升降臺(tái)構(gòu)成.

2驗(yàn)證浮力與壓力滿(mǎn)足牛頓第三定律

2.1實(shí)驗(yàn)操作

1)如圖1所示，在固定裝置上懸掛重物，在電子天平2上放置盛水的燒杯，記錄此時(shí)2臺(tái)天平的示數(shù)，即為初始值.

2)調(diào)節(jié)升降臺(tái)，將重物緩慢浸入水中，記錄此時(shí)幾組電子天平1和2的讀數(shù)，并將這幾組數(shù)據(jù)分別減去初始值，比較其變化值(如表1所示). 表1中第1～3次是重物部分浸入水中時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)，第4次是重物完全浸入水中時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù).

次數(shù)m1/gm2/gΔm1/gΔm2/g初始值843.9476.41820.3500.1-23.623.72798.6521.7-45.345.33745.0575.4-98.999.04729.0591.5-114.9115.1

2.2實(shí)驗(yàn)分析

1)將重物緩慢浸入水中，發(fā)現(xiàn)電子天平1的示數(shù)不斷減小，說(shuō)明水對(duì)重物有向上的作用力，即浮力；同時(shí)，電子天平2的示數(shù)不斷增大，說(shuō)明重物對(duì)水也有向下的反作用力，即壓力.

2)隨著重物逐漸浸入水中，2臺(tái)電子天平示數(shù)變化的絕對(duì)值都在不斷增大，即浮力與壓力在同時(shí)變大.

3)計(jì)算表明，2臺(tái)天平示數(shù)變化的絕對(duì)值始終相等，即所產(chǎn)生的浮力與壓力大小始終相等.

4) 變化值的正負(fù)代表方向，負(fù)號(hào)代表向上，正號(hào)代表向下，即浮力與壓力方向相反.

所以，無(wú)論重物是部分浸入還是全部浸入水中，重物所受浮力與其對(duì)水的壓力這對(duì)作用力與反作用力總是滿(mǎn)足牛頓第三定律.

3驗(yàn)證磁鐵與鐵塊間的吸引力滿(mǎn)足牛頓第三定律

3.1實(shí)驗(yàn)操作

1) 如圖2所示，在固定裝置上固定1塊磁鐵，再在電子天平2上放置1塊鐵塊，記錄此時(shí)2臺(tái)電子天平的示數(shù)(即初始值).

2) 調(diào)節(jié)升降臺(tái)，將磁鐵緩慢靠近鐵塊正上方，記錄幾組電子天平1和2的讀數(shù)，并將這幾組數(shù)據(jù)減去初始，比較其變化，如表2所示.

圖2　驗(yàn)證磁鐵與鐵塊間的吸引力

次數(shù)m1/gm2/gΔm1/gΔm2/g初始值677.3363.11684.3356.27.0-6.92707.3333.230.0-29.93725.9314.548.6-48.64741.8298.664.5-64.5

3.2實(shí)驗(yàn)分析

1) 在磁鐵緩慢靠近鐵塊的過(guò)程中，電子天平1的示數(shù)不斷增大，說(shuō)明鐵塊對(duì)磁鐵有向下的作用力，即鐵塊對(duì)磁鐵的吸引力；同時(shí)，電子天平2的示數(shù)不斷減小說(shuō)明磁鐵對(duì)鐵塊也有向上的反作用力，即磁鐵對(duì)鐵塊的吸引力.

2) 隨著磁鐵不斷靠近鐵塊，2臺(tái)電子天平示數(shù)變化的絕對(duì)值都在不斷增大，即鐵塊對(duì)磁鐵和磁鐵對(duì)鐵塊的吸引力同時(shí)變大，也可說(shuō)明距離越近，磁鐵與鐵塊之間的吸引力越大.

3) 計(jì)算表明，2臺(tái)天平示數(shù)變化的絕對(duì)值始終相等，即鐵塊對(duì)磁鐵和磁鐵對(duì)鐵塊的吸引力大小始終相等.

4) 變化值的正負(fù)代表方向，負(fù)號(hào)代表向上，正號(hào)代表向下，即鐵塊對(duì)磁鐵和磁鐵對(duì)鐵塊的吸引力方向相反.

所以，鐵塊對(duì)磁鐵和磁鐵對(duì)鐵塊的吸引力這對(duì)作用力與反作用力總是滿(mǎn)足牛頓第三定律.

4實(shí)驗(yàn)拓展

根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，還可設(shè)計(jì)許多實(shí)驗(yàn)方案：

1)如果將圖1中盛水的燒杯拿去，此時(shí)電子天平2的初始讀數(shù)為零. 調(diào)節(jié)升降臺(tái)將重物直接緩慢放置在電子天平2上. 可見(jiàn)，電子天平1減少的讀數(shù)與電子天平2增加的讀數(shù)相同，即可驗(yàn)證支持力和壓力也滿(mǎn)足牛頓第三定律.

2)如果將圖2中的鐵塊換成磁鐵，并且使2塊磁鐵同性磁極相對(duì)，即可驗(yàn)證磁斥力也滿(mǎn)足牛頓第三定律.

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)及分析論證，生活中很多形式的力都可以通過(guò)定量探究的方法驗(yàn)證牛頓第三定律的成立. 本實(shí)驗(yàn)借助電子天平來(lái)讀數(shù)，具有原理突出、操作方便、結(jié)果精確直觀等優(yōu)點(diǎn)，有效地幫助學(xué)生利用自己已有的感性認(rèn)知和定性分析，通過(guò)定量探究的方式更加深刻地理解牛頓第三定律，并且能夠更好地激起學(xué)生的好奇心和探索欲，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]劉煥奇. 從定性到定量 引導(dǎo)學(xué)生探究牛頓第三定律[J]. 中學(xué)物理,2015,33(4):2-3.

[2]陶洪. 物理實(shí)驗(yàn)論[M]. 南寧:廣西教育出版社,1996:64-65.

[3]熊建新. 關(guān)于浮力的2個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2015,35(4):23-24.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Quantitative validation experiment on Newton third law

CHEN Fang, ZHOU Xiao-di, SHI Jing-zhong

(College of Teacher Education, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221116, China)

Abstract:The relationship between action and reaction was quantitatively explored by the changes of the display of the two electronic balances, and all kinds of forces, such as pressure, buoyancy and magnetic force, were verified to obey Newton third law.

Key words:Newton third law; action; reaction; electronic balance

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)04-0042-02

作者簡(jiǎn)介：陳芳(1994-)，女，江蘇昆山人，江蘇師范大學(xué)教師教育學(xué)院2012級(jí)本科生.通訊作者：拾景忠(1959-)，男，江蘇徐州人，江蘇師范大學(xué)教師教育學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究.

收稿日期：2015-12-21