《牛頓第二定律》教學感悟
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【摘要】教師在物理教學中更重要的是通過傳授學生物理知識規律的同時，讓學生學會學習。在教學中要正確引導學生在探究中學習物理的思維方法和用數學處理物理問題的能力。
【關鍵詞】數據處理 圖像法 邏輯思維
【中圖分類號】G61 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）13-0008-02
物理課堂上的實驗不但要重視實驗過程，同時要關注學生思維活動，幫助學生在動手實驗和動腦思考的過程，實現物理實驗教學的最優化。教師對課程內容的理解是先走一步的甚至可以說是滾瓜爛熟的，對教師而言簡單易懂的內容，對學生來說實際上是第一次接觸或者是第一次將這個方法運用在物理中，確實并不容易，教師在教學中必須設身處地為學生著想，不能把高一的新課上成復習課，總認為學生是懂得的。
《牛頓第二定律》這節課是動力學的重要內容，是高一物理必修1的重點和核心內容，在高中物理力學中占有非常重要的地位。本節內容如果用一節課完成猜想探究得出結論時間非常緊張，基本不太可能。如果采用數字化信息系統（DIS）現象顯著，能迅速得出結論，誤差小，但學生在這個過程失去自己探討，運用數學工具處理實驗數據得出結論的有趣有成就感的過程。是以在處理這節課時分成兩節課，在前一節實驗基礎上運用圖像法探究加速度與力F和質量m三者間的關系，然后通過分析論證、邏輯推理解決比例系數k=1而得出力的單位設置問題。這樣處理教材，知識點過渡自然而且流暢。在教學中把探究實驗的猜想假設實驗操作獨立成一節課，就大大緩解第二節課的教學壓力使教師能夠有充裕的時間引導學生完成由圖像歸納規律的歷程;新課改對實驗探究能力中運用數學知識處理物理問題的能力進一步提高，本節課通過細節處理提高學生通過作圖運用數學圖像的解決物理問題的能力。
一、運用圖像法處理a與F關系數據
高一學生經過半個多學期的物理學習，經歷了運動學s-t圖像，v-t圖像的學習知道了物理在描述物理量之間關系為了直觀形象會采用數學圖像這種表達方式后，這一次再次在力學中接觸圖像，已經有一定的知識基礎和思想基礎，但此次對圖像的要求提高就是不但要讀圖還要學會繪制圖像。在教學中采用并提供給學生。當m一定時，a與F的一列5組實驗數據，先判斷根據實驗數據猜想a與F的變化關系，當然學生有些就直接說是成正比，這時要通過反問質疑什么是成正比，學生馬上就會明白成正比必須是過圓點而且要滿足y=kx關系，數據只能說明當m一定時，a隨著F增大而增大。此時介紹物理處理實驗數據的一種方法——圖像法。采用圖像法處理數據，通過描點作出圖像，可以直觀地看出兩個物理量之間的關系，也可以有效地減小誤差，確定并排除實驗中測出的一些錯誤數據。這時候的學生已經完全理解并認同圖像法的作用，在這基礎上，引導學生根據實驗時a與F兩個物理量的因果關系確定變量和自變量，確定以F/N為橫坐標，a/m·s-2為縱坐標建立直角坐標系。而橫縱坐標的單位長度的選擇則根據數據選取，學生動手在提供的坐標紙上描出5個點，這個過程要求學生只描點不要急著連線，描點后根據上節課猜想a與F成正比，要將數據連成過原點的直線（由于力這時候不取負，圖像只在第一象限），強調實驗做圖的原則，讓絕大多數的點落在線上，無法在線上的點要均勻分布在線上和線下，如果點偏離太多，說明此點是錯誤的，要剔除，要防止學生出現將相鄰的點用直線相連成折線。
學生此時是熱情高漲的，積極作圖，大部分都完成很好，只有個別學生因為橫縱坐標找點錯誤圖畫錯的，此時實物投影部分圖象標準的學生表揚并指出優秀之處，對于有問題的圖象也進行指正;此時PPT的動畫功能也發揮作用，模擬學生找點畫點，做出圖象，再次規范作圖要求。根據所作圖像得出規律：當m一定時，a與F成正比。
二、運用圖像法處理a與m關系數據
數據處理過程類似處理a與F關系數據過程，這一回學生比較明確直接說a隨m增大而減小，必須作圖，這時候就請了一位學生來描述解決問題的過程：橫縱坐標的確定和取值，然后描點作圖。讓學生在坐標紙上描點作圖，這時描完點的學生就發現問題了，不在直線上，怎么辦？沒有發現用直線把相鄰的點連成折線，表揚全體同學。指導學生在實驗猜想階段是當F一定時a與m成反比，所以要畫成光滑的曲線。在作圖時描繪光滑的曲線要注意的問題也一一指出。曲線畫出來但問題出現，問學生這曲線能直觀說明成正比嗎？當然不能。教師指導學生數學中y與x成反比，也就是y與x-1成正比，將反比例函數轉化為正比例函數，在圖中以m-1為橫坐標，以a為縱坐標作出圖像，可以直觀找出a與m-1的關系，及當F一定時，a與m-1成正比，也就是當F一定時，a與m成反比。
三、牛頓第二定律
根據數據處理得出a與F和m關系，表述出牛頓第二定律內容“物體的加速度跟所受的外力成正比，跟物體的質量成反比?！苯處熤赋鑫锢碓诒磉_物理規律概念是喜歡用數學表達式，如何用數學表達式將上面的結論表示出來？學生用以學過的數學知識列出得出加速度跟力、物體的質量的關系：a ∝ F/m 或F ∝ ma，再次引導學生這還不是等式，等式如何寫呢？要將表達式寫成等式，將上式改寫成等式：F=Kma，等式不夠簡潔，如何把等式簡化？ 從而引出力的單位問題，在國際單位中，質量m的單位是kg，加速度a的單位是m/s2，取外力F的單位是N，當1N=1kg·m/s2時k=1，使等式簡化為：F=ma，也解決了1N這個單位的大小問題。這個過程實驗組參與討論交流，教師理論上的分析、邏輯推理使學生層層推進，運用已有的數學物理知識，建立嚴密的邏輯思維過程。
現在再次拋出問題：這是我們研究物體受到一個力時得出的結論，那么當有兩個或更多的力作用時，牛頓第二定律還成立么？如果還成立那么怎么描述牛頓第二定律呢？學生以實驗組討論，很快就有學生說不可以，也有學生提出合力可以解決問題，對于這樣教師要重視說不可以的學生，引導學生回憶力學中有關力的合成這個知識點，得出結論，一個力會產生加速度，兩個力也是可以分別產生各自的加速度，但我們在處理一個研究對象的加速度時，通常將力合成考慮合力的加速度，得出牛頓第二定律的進一步表述：“物體的加速度跟所受的合外力成正比，跟物體的質量成反比” [2]。此時表達式“F合=ma”。教師再次分析提出所描述的牛頓第二定律的內容不完善之處，得出因為力與加速度都是矢量，牛頓第二定律說明了加速度的大小，同時也要說明加速度的方向。牛頓第二定律進一步表述為：“物體的加速度跟所受的合外力成正比，跟物體的質量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同” [2]。到這里才真正把牛頓第二定律表述完整，要求學生打開書本109頁，閱讀教材中關于牛頓第二定律的具體描述，加深理解。 四、牛頓第二定律的性質
對于牛頓第二定律的理解其實不容易，首先要從性質入手，如果單單列舉牛頓第二定律的四個性質，學生過眼既忘，印象淺淡。對于這個問題的處理沒有太多的時間，而且在處理中也要兼顧之前提到的建立學生嚴密的邏輯思維的一個能力要求，所以也是如之前教材處理那般采用層層推進，環環相扣的推導法，在教學中通過教師以問題的方式抽絲剝繭把結果展現在學生面前。
牛頓第二定律表達式雖然是一個很簡單的數學等式，但是它蘊涵了相當復雜的物理含義。力與加速度都是矢量，那么，這兩個矢量的方向有什么關系嗎？合外力改變時加速度也改變嗎？合外力和a是不是同時產生的？是先有力作用，再積累一段時間才產生加速度還是有力既有加速度呢？力與加速度誰是原因誰是結果？這些問題在教師的指導下學生逐個解決，1.矢量性：物體所受合外力的方向決定物體的加速度方向，等式的等號不僅僅表示兩邊數值相等，同時也表示物理量方向的一致，即物體的加速度方向與物體所受合外力的方向相同[1]。2.因果性：F是力，ma卻不是力，a是力F的作用效果。力是原因，加速度是結果。力是物體產生加速度的原因[1]。如果不存在力則沒有加速度。3.瞬時性：合外力改變，加速度也一定改變，合外力和a一定是同時產生。當物體所受合外力發生突變時，加速度的大小和方向也要同一時間發生突變;當合外力大小為零時，加速度也一定為零。牛頓第二定律是瞬時對應的規律，體現了力的瞬間性。4.同一體性：牛頓第二定律表達式：F=ma中的三個物理量是對同一物體或同一系統而言的，分析物體的受力情況和確定物體的加速度時切不可對象不一致。探究實驗中小車的加速度由小車受到的繩子的拉力決定，與繩子拉重物的力無關，因為這個力的受力體是重物，對象不同。
反思這節課，1.本節課分為四個部分內容，重難點在實驗數據的分析與處理，也就是前面分析的第一和第二部分，大概占25-30分鐘左右，目的在于教會學生用已測的實驗數據用圖象法判斷得出加速度與力和質量的定量關系;2.課的引入采用復習上節課實驗操作，教師操作實驗，學生認真觀察，找出實驗中不規范及不合理操作并從實驗中總結操作要點，培養學生的動手操作能力，并使學生學會觀察的方法以及在探討中質疑的精神。3.提出問題，讓學生自己運用已學過的數學物理知識發現得出規律，體驗成功的喜悅，培養學生利用數學工具的能力。在教學過程中指導學生處理不同條件下的實驗數據，得出結論;指導學生學會分析實驗數據，根據所畫的圖象尋找物理規律[1]。同時將物理知識中包含的“美”展現出來，充分把學生學習物理的興趣調動起來。把物理學實驗、歸納、總結的教育研究方法滲透到教學中。讓學生在探討中養成實事求是的科學態度[1]，形成樂于探究生活中的常見現象，能體驗得出規律的艱苦辛勞與快樂喜悅。4.鍛煉學生學會自己探討問題的能力，通過對牛頓第二定律的延伸教學從而進一步理解牛頓第二定律，充分發展學生的邏輯思維能力。積極培養學生在實驗組實驗討論的合作意識，相互學習交流，共同進步的學習態度。通過實際操作的研磨和規律理論上的分析與論證和進一步的邏輯推理，使學生在學習物理規律的過程中得到科學方法的訓練和科學素養的培養和提升，并加強訓練學生的邏輯思維能力。
參考文獻：
[1]普通高中課程標準實驗教科書物理1（必修）教師用書 廖伯琴主編
[2]普通高中課程標準實驗教科書物理1（必修）廖伯琴主編
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