核心素養(yǎng)視角下牛頓第三定律的教學(xué)實(shí)踐①

(江蘇省寶應(yīng)中學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225800)

1 引言

以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)是高中物理的主干知識(shí)，牛頓第一定律和第二定律解決了運(yùn)動(dòng)與力之間的關(guān)系問(wèn)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(xué)生解決受力分析問(wèn)題之外，還是學(xué)習(xí)碰撞、反沖等的基礎(chǔ)。學(xué)生在初中雖然學(xué)習(xí)了力的相互性，但對(duì)其規(guī)律一知半解，甚至還經(jīng)常與二力平衡相混淆。通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生感受高中與初中物理知識(shí)的聯(lián)系與區(qū)別，體會(huì)到高中物理更定量、更抽象的特點(diǎn)。

2 教學(xué)目標(biāo)

(1) 物理觀念:通過(guò)實(shí)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(shí)際問(wèn)題中的作用力和反作用力；

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

(3) 實(shí)驗(yàn)探究:讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，親身經(jīng)歷提出問(wèn)題、獲取證據(jù)、作出解釋、交流表述等環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的動(dòng)手和探究能力；

(4) 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感:通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)和問(wèn)題的解決，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)欲望和動(dòng)機(jī)，養(yǎng)成實(shí)事求是、不迷信權(quán)威、敢于質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 教學(xué)片段

實(shí)驗(yàn)1：將電吹風(fēng)豎直放置在電子臺(tái)秤上。接通電吹風(fēng)電源后，觀察電子臺(tái)秤的示數(shù)(圖1)；電吹風(fēng)吹起乒乓球后，觀察電子秤的示數(shù)，它會(huì)不會(huì)發(fā)生變化(圖2)？

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖1

圖2

3.2 辨析作用力與反作用力

問(wèn)題1：人用力推桌子，誰(shuí)是施力物體？誰(shuí)是受力物體？人對(duì)桌子的力產(chǎn)生了什么效果？

問(wèn)題2：人用手拉彈簧，誰(shuí)是施力物體？誰(shuí)是受力物體？人對(duì)彈簧的力產(chǎn)生了什么效果？

問(wèn)題3：用磁鐵吸引小球，誰(shuí)是施力物體？誰(shuí)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(gè)物體中的一個(gè)稱作施力物體，另一個(gè)稱作受力物體。

問(wèn)題4：?jiǎn)栴}1中的桌子對(duì)人有力嗎？人為什么不動(dòng)呢？問(wèn)題2中的彈簧對(duì)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(shí)對(duì)人施加了力，此時(shí)桌子為施力物體，人為受力物體。把人對(duì)桌子的力稱為作用力，那么這個(gè)力的反作用力就是桌子對(duì)人的力；也可以把桌子對(duì)人的力稱為作用力，那么這個(gè)力的反作用力就是人對(duì)桌子的力。

小結(jié)3：作用力與反作用力一定成對(duì)出現(xiàn)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)具體問(wèn)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(wèn)題：作用力和反作用力大小有什么關(guān)系？

學(xué)生容易認(rèn)為贏的一方作用力大，從而引起思維沖突。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)真實(shí)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，引起學(xué)生高度注意和積極參與，為接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)探究(對(duì)拉彈簧測(cè)力計(jì)以及DIS實(shí)驗(yàn))作鋪墊。

3.3 實(shí)驗(yàn)探究

實(shí)驗(yàn)2：對(duì)拉彈簧測(cè)力計(jì)(圖3)實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)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(lái)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(cè)力計(jì)不水平、沒(méi)有校零或者彈簧老化等。引導(dǎo)學(xué)生借助第三只彈簧測(cè)力計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，操作過(guò)程如下：分別用2只彈簧測(cè)力計(jì)與老師的標(biāo)準(zhǔn)彈簧測(cè)力計(jì)對(duì)拉，記下兩彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)，作相應(yīng)校準(zhǔn)。

圖3

實(shí)驗(yàn)3：利用DIS探究作用力和反作用力的關(guān)系

課本上的實(shí)驗(yàn)很好地說(shuō)明了靜態(tài)情況下作用力與反作用力總是大小相等，學(xué)生可能會(huì)質(zhì)疑運(yùn)動(dòng)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(jìn)行了如圖4所示的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)步驟為：① 小車靜止不動(dòng)時(shí)，兩個(gè)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(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)都變化，但在任何時(shí)刻都相等；③ 在彈簧作用下重物減速運(yùn)動(dòng)后振動(dòng)，兩個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)在任何時(shí)刻仍相等。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，師生總結(jié)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：作用力與反作用力大小相等的規(guī)律與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。

圖5

小結(jié)4：① 作用力與反作用力同時(shí)產(chǎn)生、同步變化、同時(shí)消失，時(shí)間上沒(méi)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。

師生總結(jié)、得出牛頓第三定律內(nèi)容：兩個(gè)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(dá)式為：F(作用力)=-F′(反作用力)，式中的“-”號(hào)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(yàn)槠涫艿降睦Υ笥诘孛媸┘拥哪Σ亮?。拔河時(shí)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(dòng)摩擦因數(shù)，穿底粗糙的鞋。

3.4 一對(duì)相互作用力和一對(duì)平衡力的比較

通過(guò)具體實(shí)例分析受力，要求學(xué)生畫出示意圖，說(shuō)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(guò)轉(zhuǎn)換研究對(duì)象，從一個(gè)物體的受力分析過(guò)渡到另一個(gè)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(guò)對(duì)比突破教學(xué)難點(diǎn)，深入理解牛頓第三定律，將知識(shí)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(yīng)教學(xué)引入環(huán)節(jié)：學(xué)生用實(shí)驗(yàn)回答開始提出的問(wèn)題：電吹風(fēng)吹起乒乓球后，電子秤的示數(shù)會(huì)不會(huì)變化？引導(dǎo)學(xué)生作出解釋，提升學(xué)生運(yùn)用知識(shí)分析問(wèn)題的能力，培養(yǎng)他們的實(shí)事求是、敢于質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度。

4 教學(xué)反思

對(duì)于本節(jié)內(nèi)容學(xué)生在初中已有所接觸，高中再學(xué)習(xí)時(shí)容易降低學(xué)習(xí)的欲望，如何引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并突破初中的已有認(rèn)知？這是這節(jié)課要重點(diǎn)要解決的問(wèn)題，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)很好的解決途徑。

實(shí)驗(yàn)一(吹風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn))作為引入實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)要具備以下要素：新穎有趣、對(duì)比設(shè)疑、符合本節(jié)課主題。實(shí)驗(yàn)二(DIS實(shí)驗(yàn))是探究實(shí)驗(yàn)，要比以前的實(shí)驗(yàn)深刻，探究了小車在靜止、超失重、振動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)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(guò)親身體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。