定量驗證牛頓第三定律

陳　芳，周曉棣，拾景忠

(江蘇師范大學 教師教育學院，江蘇 徐州 221116)

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定量驗證牛頓第三定律

陳芳，周曉棣，拾景忠

(江蘇師范大學 教師教育學院，江蘇 徐州 221116)

摘要：通過2臺電子天平的示數變化，定量地探究作用力與反作用力的關系，驗證壓力、浮力、磁力等多種形式的力均滿足牛頓第三定律.

關鍵詞：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動定律的重要組成部分，要讓學生認識并記憶牛頓第三定律并不難，但這僅僅停留在感性認知的層面，一涉及到具體問題，他們就可能會由于片面的認識而產生錯誤. 因此，需要做更深入地研究，也就是用數據做定量分析，讓學生逐步建立起科學的規律[1]. 力在生活中是無處不在，教材通過彈簧測力計的對拉實驗可以定量地驗證彈簧彈力滿足牛頓第三定律，但諸如浮力、磁力等其他形式的力采取該方法則不容易驗證. 為此，作者利用身邊已有的儀器設計了幾個實驗，定量地驗證了牛頓第三定律，幫助學生深入理解相互作用力的關系.

1實驗器材

該裝置由2臺型號相同(精度為0.1 g)的電子天平1和2(分別置于升降臺上和桌上)、1個固定裝置、1個升降臺構成.

2驗證浮力與壓力滿足牛頓第三定律

2.1實驗操作

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2臺天平的示數，即為初始值.

2)調節升降臺，將重物緩慢浸入水中，記錄此時幾組電子天平1和2的讀數，并將這幾組數據分別減去初始值，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所測數據，第4次是重物完全浸入水中時所測數據.

次數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實驗分析

1)將重物緩慢浸入水中，發現電子天平1的示數不斷減小，說明水對重物有向上的作用力，即浮力；同時，電子天平2的示數不斷增大，說明重物對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臺電子天平示數變化的絕對值都在不斷增大，即浮力與壓力在同時變大.

3)計算表明，2臺天平示數變化的絕對值始終相等，即所產生的浮力與壓力大小始終相等.

4) 變化值的正負代表方向，負號代表向上，正號代表向下，即浮力與壓力方向相反.

所以，無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水的壓力這對作用力與反作用力總是滿足牛頓第三定律.

3驗證磁鐵與鐵塊間的吸引力滿足牛頓第三定律

3.1實驗操作

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2臺電子天平的示數(即初始值).

2) 調節升降臺，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，并將這幾組數據減去初始，比較其變化，如表2所示.

圖2　驗證磁鐵與鐵塊間的吸引力

次數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實驗分析

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

2) 隨著磁鐵不斷靠近鐵塊，2臺電子天平示數變化的絕對值都在不斷增大，即鐵塊對磁鐵和磁鐵對鐵塊的吸引力同時變大，也可說明距離越近，磁鐵與鐵塊之間的吸引力越大.

3) 計算表明，2臺天平示數變化的絕對值始終相等，即鐵塊對磁鐵和磁鐵對鐵塊的吸引力大小始終相等.

4) 變化值的正負代表方向，負號代表向上，正號代表向下，即鐵塊對磁鐵和磁鐵對鐵塊的吸引力方向相反.

所以，鐵塊對磁鐵和磁鐵對鐵塊的吸引力這對作用力與反作用力總是滿足牛頓第三定律.

4實驗拓展

根據這個實驗模型，還可設計許多實驗方案：

1)如果將圖1中盛水的燒杯拿去，此時電子天平2的初始讀數為零. 調節升降臺將重物直接緩慢放置在電子天平2上. 可見，電子天平1減少的讀數與電子天平2增加的讀數相同，即可驗證支持力和壓力也滿足牛頓第三定律.

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，即可驗證磁斥力也滿足牛頓第三定律.

5結束語

通過以上的實驗及分析論證，生活中很多形式的力都可以通過定量探究的方法驗證牛頓第三定律的成立. 本實驗借助電子天平來讀數，具有原理突出、操作方便、結果精確直觀等優點，有效地幫助學生利用自己已有的感性認知和定性分析，通過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生的好奇心和探索欲，調動學生自主學習的積極性，提高學生分析問題和解決問題的能力.

參考文獻：

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

[2]陶洪. 物理實驗論[M]. 南寧:廣西教育出版社,1996:64-65.

[3]熊建新. 關于浮力的2個實驗設計[J]. 物理實驗,2015,35(4):23-24.

[責任編輯：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

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)04-0042-02

作者簡介：陳芳(1994-)，女，江蘇昆山人，江蘇師范大學教師教育學院2012級本科生.通訊作者：拾景忠(1959-)，男，江蘇徐州人，江蘇師范大學教師教育學院高級實驗師，學士，從事物理實驗教學和研究.

收稿日期：2015-12-21