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[牛顿运动定律理解精要] 牛顿运动定律的综合应用

发布时间:2019-07-11 03:52:49 影响了:

  牛顿运动定律是动力学的基础,它包括三条具体定律。  1对牛顿运动定律关系的认识  由于亚里士多德的“力是维持物体运动的原因”这一错误观点的影响,动力学在其后的两千年间一直没有多大进展,牛顿第一定律的重要历史功勋在于彻底颠覆了这一错误观点,让伽利略所发现的“理想实验”方法闪烁出灿烂光芒,并深刻地革新了人们的思想,建立了影响深远的正确观点,驱动了动力学的蓬勃发展。他指出:保持运动状态不变是物体的固有属性,即物体有惯性,力的作用不但不是维持其速度不变,而且恰好反是改变其速度的原因。
  直接验证这一全新的观点必须找到一种完全不受任何外力的环境,而获得这种理想状况是绝无可能的,为了观点的间接验证和用于解决现实问题,这就需要研究影响物体速度改变的因素。牛顿循着找外因和内因这一正确思路进行深入思考后得出了正确结论。首先,物体速度发生改变是因为获得了加速度,而通过观察与分析发现力是能改变速度的唯一外因,这说明力的根本作用是使物体产生加速度。通过“控制变量法”实验得出“物体可获得的加速度与外力成正比”。再者,物体本身具有保持运动状态不变的惯性,这说明惯性必定是阻碍速度改变的内因。一辆空车和它在装满货物时,在相同牵引力下由静止开始运动,它的运动状态改变的情况并不相同,这一方面说明物体的惯性有大有小,另一方面说明物体所含物质的多少即质量也在影响速度改变的难易程度。再详细分析又可发现速度改变越困难的物体,即惯性越大的物体,其质量也正好越大,而且质量也恰好是物体本身的一种内在的固有的属性,由此可认为质量是惯性大小的量度,是影响速度改变难易的深层次内因。通过“控制变量法”实验得出“物体能获得的加速度与质量成反比”。最后通过简化,成功导出了牛顿第二定律F=ma。
  第二定律的建立不但巩固了第一定律,而且让它由定性的观念描述阶段发展到可定量分析的程度,也就是让这一思想有了广泛的实用价值。
  事物之间是相互联系在一起的,要想把第二定律真正用来解决复杂的实际问题,还必须考虑清楚物体之间的相互作用规律,于是牛顿第三定律就必须也必然要诞生了。
  简单说,第一定律提出了一个崭新的观念,第二定律发现了用该观念解决现实问题的方法,第三定律则是不可或缺的配套工程。三条定律构成了一个完整的体系,促使了经典力学的发展与完善,可非常圆满地解决宏观低速运动。
  2对牛顿运动定律内容的理解
  牛顿第一定律又称惯性定律,它指出一切物体在任何时候在任何情况下都具有惯性,这种固有性质不能被克服,力的作用改变的不是惯性而是运动状态即速度。
  惯性大小唯一取决于质量,与速度、受力等无关。静止的物体,其惯性表现为要物体永远静止,运动的物体表现为想保持现有的速度不增不减不变向。
  不受外力的状态是不存在的,但若物体所受外力的效果能完全抵消,则相当于不受外力,例如受平衡力时,所以第一定律也有一定实用价值。
  从应用的角度看,第二定律是体系的核心。一要把握其使用条件上的相对性,即必须以惯性系为参考系,二要把握其内涵上的对应性,即a与F存在以下对应关系:①、时间对应:a与F同“生”同“死”、同变同定,(瞬时性);②空间对应:a与F必定同向,(矢量性);③、数量对应:质量一定时a与F成正比,(同体性);④、地位对应:F合产生a合,F分对应a分,(独立性和叠加性)。
  也就是说,物体只有在同方向上受到力的作用才具有该方向的加速度;力恒定不变,加速度也恒定不变;力随着时间改变,加速度也相应地随着时间改变;在某一时刻,力停止作用,加速度也随即消失,而物体由于具有惯性,将保持该时刻的运动状态不变即速度不再改变。
  牛顿第二定律从根源上看是要研究a与F、m间的决定关系,结果发现a与F成正比,a与m成反比,也就是说a=F/m是加速度a的决定式,a=Δv/t仅是从运动学角度量度a的式子。F=ma和m=F/a也只表示可从动力学角度量度F和m。
  牛顿第三定律的涵义可概括为作用力和反作用力总是“同‘生’同‘死’、同性同线、等大反向异物”。这一关系最易与一对平衡力的“等大反向、同线同物”相混淆,其实由“异物”与“同物”可看出相互作用力绝不可能平衡。
  一对平衡力相当于“一对仇敌对付第三人”,它们对同一物体运动状态的改变效果可以完全抵消。作用力和反作用力则是两者之间彼此相互作用,由于分别对不同物体产生效果,所以绝不可能抵消。
  3对牛顿运动定律教学的处理
  教师虽深刻理解了牛顿运动定律,但如何让学生建立起与其基础相适应、与教学要求相协调的理解水平,还需把握好“度”、“序”、“法”。
  “度”,包括知识描述的精确度与知识应用的深难度。该高中学习的定量描述就不要在初中就要求,也不要在初学时就举复杂情境实例,当然也不要在反复学习时老是举同一水平层次的实例。
  “序”,一是要遵守学生心理上的认知顺序,二是要遵循规律本身的逻辑顺序,三是要遵守认识论上的螺旋式上升顺序。不宜追求深难度一步到位,不要认为学习一次就可替换掉根深蒂固的错误观念,要注意由“点”到“面”,由浅入深,反复抓、抓反复。
  “法”上要注重运用足够数量的直观实例现象进行刺激形成正确观念,注重运用新异刺激及强烈刺激来更正错误观念,注重培养主动调用逻辑思维的能力与习惯。

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