巧設(shè)情景 突破“四性”
——以《牛頓第二定律》為例

李勝強(qiáng)

(江蘇省鄭集高級中學(xué)城區(qū)校區(qū) 221116)

《牛頓第二定律》是人教版第四章第三節(jié)的內(nèi)容，是動力學(xué)的基礎(chǔ)，也是牛頓運(yùn)動定律的核心.人教版教材第一節(jié)是《牛頓第一定律》，本節(jié)通過科學(xué)家研究運(yùn)動與力的物理學(xué)史回顧，引出慣性的概念和運(yùn)動與力的定性規(guī)律.第二節(jié)《實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》，本節(jié)通過控制變量法研究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)得出：質(zhì)量一定的前提下，加速度與力成正比；力一定的前提下，加速度與質(zhì)量成反比.第三節(jié)《牛頓第二定律》，本節(jié)通過歸納法構(gòu)建加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系，第三節(jié)是前兩節(jié)內(nèi)容的延續(xù)，從定性到定量也是人類認(rèn)識運(yùn)動與力的歷程.教學(xué)過程中，深入理解牛頓第二定律中運(yùn)動與力的關(guān)系是個難點(diǎn)，若采用情景教學(xué)，巧妙設(shè)置情景，讓學(xué)生循序漸進(jìn)的理解因果性、矢量性、瞬時性、獨(dú)立性.

一、關(guān)于對“矢量性”的理解

情景1 如圖1所示，在光滑水平面上物體受一個水平向右的力F的作用.

圖1

(1)物體將做怎樣的運(yùn)動？

(2)從運(yùn)動學(xué)的角度判斷物體的加速度a1方向如何？

(3)一段時間后，將F的方向改為水平向左，那么此后一小段時間內(nèi)物體將做怎樣的運(yùn)動？ ，從運(yùn)動學(xué)的角度判斷物體的加速度a2的方向如何？

(4)由以上分析可以得到加速度a方向與水平力F方向間的關(guān)系怎樣？

情景分析光滑水平面上物體受一個水平向右的力F的作用后，物體將向右做加速直線運(yùn)動，此時力F的作用效果是動力，從運(yùn)動學(xué)的角度判斷物體的加速度a1方向向右(a1與速度方向相同);一段時間后，將F的方向改為水平向左，那么此后一小段時間內(nèi)F的作用效果是阻力，故物體將繼續(xù)向右做減速運(yùn)動，從運(yùn)動學(xué)的角度判斷此過程物體的加速度a2的方向向左(a2與速度方向相反)，當(dāng)物體做加速直線運(yùn)動時，加速度a方向與水平力F方向保持一致，與速度方向保持一致；當(dāng)物體做減速直線運(yùn)動時，加速度a方向與水平力F方向保持一致，與速度方向保持相反.由以上分析可以得到加速度a方向與水平力F方向始終相同，這就是F合=ma中的關(guān)于矢量性的理解.

進(jìn)一步說明：F合=ma中共三個物理量，其中矢量有兩個，標(biāo)量有一個，這也說明加速度a方向與合力F合保持一致，這樣的解釋理論性太強(qiáng)，對于高一的學(xué)生而言，思維水平還達(dá)不到這個層次，故不宜直接告知學(xué)生，而應(yīng)通過情景的設(shè)計，讓學(xué)生結(jié)合運(yùn)動學(xué)和力的作用效果以及牛頓運(yùn)動定律的內(nèi)容，潤物細(xì)無聲的體會到加速度a方向與合力F合方向始終保持一致，即加速度a方向是由合力F合方向決定的.

二、關(guān)于對“瞬時性”的理解

情景2 如圖2所示，物體靜止在光滑水平面上.

圖2

(1)現(xiàn)對物體突然施加水平向右的力F，此時物體是否具有加速度？ 為什么？

(2)一段時間后，將F突然撤掉，那么此時物體的加速度a又怎樣變化？ 此后物體將做怎樣的運(yùn)動？

(3)由以上分析可以得到加速度a與水平力F存在怎樣的瞬間對應(yīng)關(guān)系？

情景分析物體靜止在光滑水平面上，現(xiàn)對物體突然施加水平向右的力F，此時物體是否具有加速度，對于這個問題可以采用假設(shè)法判斷.假設(shè)物體沒有加速度，則物體仍會靜止，而此時水平力F的作用效果是動力，這樣就出現(xiàn)了矛盾，故對物體突然施加水平向右的力F的同時物體就具有水平向右加速度，此后物體才能逐漸的向右加速.一段時間后，將F突然撤掉，那么此時物體的加速度a也會突然消失，因?yàn)樗较蛴业牧的作用效果也突然消失，此后物體將向右做勻速直線運(yùn)動(由于慣性).由以上分析可以得到加速度a與水平力F存在著同時產(chǎn)生同時消失同時變化的瞬間對應(yīng)關(guān)系，這就是F合=ma中的關(guān)于瞬時性的理解.

進(jìn)一步說明：F合=ma中物體的質(zhì)量保持不變，則加速度a與合力F合成正比，故合力F合若存在則加速度a也存在，合力F合若消失則加速度a也消失，合力F合若變大則加速度a也變大，合力F合若變小則加速度a也變小，這實(shí)際上是控制變量法的具體應(yīng)用和理解，仍是停留在理論層面的認(rèn)知，略顯粗糙和生硬，而應(yīng)通過情景的設(shè)計，拉近了與學(xué)生的距離，增強(qiáng)了學(xué)生的主動性和積極性，通過學(xué)生思考和體會，最終理解加速度a大小是受合力F合大小影響的，加速度a與合力F合存在著瞬間對應(yīng)關(guān)系.

三、關(guān)于對“獨(dú)立性”的理解

圖3

情景3 在粗糙水平面上，有一質(zhì)量m=1 kg的物體在水平拉力F=5 N作用下做勻加速直線運(yùn)動，已知物體與水平面間的動摩擦因數(shù)μ=0.1如圖3.

(1)求此時物體的加速度a的大小

(2)一段時間后，將F突然撤掉，求此時物體的加速度a1的大小

(3)若水平面是光滑的，僅在水平拉力作用下物體的加速度a2的大小

圖4

進(jìn)一步說明：水平拉力F單獨(dú)作用在物體上產(chǎn)生的加速度是a2，滑動摩擦力Ff單獨(dú)作用在物體上產(chǎn)生的加速度是a1，水平拉力F和滑動摩擦力Ff共同作用下物體產(chǎn)生的加速度是a，力的合成和加速度的合成都滿足矢量合成的法則.水平拉力F的存在與否或變化情況不影響滑動摩擦力Ff單獨(dú)作用在物體上產(chǎn)生的加速度是a1的大小及方向，水平拉力F和滑動摩擦力Ff共同決定物體做加速運(yùn)動的加速度a，即任一個力均有與之對應(yīng)的加速度，具有獨(dú)立性，只要這個力不變，其對應(yīng)的加速度也不變，不受其它力的存在及變化的影響.物體的加速度是由合力決定的，構(gòu)成合力的某個力若發(fā)生變化則物體的加速度也會隨之變化，但各個力對應(yīng)的加速度是由各個力決定的，即獨(dú)立性.

四、關(guān)于對“因果性”的理解

F合=ma從標(biāo)矢量間的關(guān)系可以得出：F合的方向決定了a的方向，即矢量性.F合=ma從控制變量的思想可以得出：F合的大小決定了a的大小，即瞬時性.矢量性和瞬時性都是因果性的進(jìn)一步理解，因?yàn)榕ｎD第一定律即表明“力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因”、“力是改變物體速度的原因”、“力是產(chǎn)生加速度的原因”，牛頓第二定律則具體表明了力對加速度的直接影響和決定作用，從定性描述到定量計算均滲透了力與加速度的關(guān)系.有了力這個因，才會有加速度這個果，力這個因的方向決定了加速度這個果的方向，力這個因的大小決定了加速度這個果的大小，力這個因的變化決定了加速度這個果的變化，即因果性.

牛頓運(yùn)動定律是物理學(xué)的基石，也是動力學(xué)的核心規(guī)律，牛頓第二定律是牛頓運(yùn)動定律的關(guān)鍵，F(xiàn)合=ma是牛頓第二定律的簡單表述，應(yīng)從因果性、矢量性、瞬時性、獨(dú)立性等角度理解牛頓第二定律深邃的物理思想.情景教學(xué)法貼近學(xué)生的實(shí)際，符合學(xué)生的認(rèn)知水平和思維發(fā)展歷程，能帶領(lǐng)學(xué)生步步前行，循序漸進(jìn)螺旋式進(jìn)步.