巧設情景 突破“四性”
——以《牛頓第二定律》為例

李勝強

(江蘇省鄭集高級中學城區校區 221116)

《牛頓第二定律》是人教版第四章第三節的內容，是動力學的基礎，也是牛頓運動定律的核心.人教版教材第一節是《牛頓第一定律》，本節通過科學家研究運動與力的物理學史回顧，引出慣性的概念和運動與力的定性規律.第二節《實驗：探究加速度與力、質量的關系》，本節通過控制變量法研究加速度與力、質量的關系，實驗得出：質量一定的前提下，加速度與力成正比；力一定的前提下，加速度與質量成反比.第三節《牛頓第二定律》，本節通過歸納法構建加速度與力、質量的定量關系，第三節是前兩節內容的延續，從定性到定量也是人類認識運動與力的歷程.教學過程中，深入理解牛頓第二定律中運動與力的關系是個難點，若采用情景教學，巧妙設置情景，讓學生循序漸進的理解因果性、矢量性、瞬時性、獨立性.

一、關于對“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)物體將做怎樣的運動？

(2)從運動學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物體將做怎樣的運動？ ，從運動學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動，此時力F的作用效果是動力，從運動學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F的作用效果是阻力，故物體將繼續向右做減速運動，從運動學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)，當物體做加速直線運動時，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；當物體做減速直線運動時，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中的關于矢量性的理解.

進一步說明：F合=ma中共三個物理量，其中矢量有兩個，標量有一個，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，對于高一的學生而言，思維水平還達不到這個層次，故不宜直接告知學生，而應通過情景的設計，讓學生結合運動學和力的作用效果以及牛頓運動定律的內容，潤物細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關系？

情景分析物體靜止在光滑水平面上，現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法判斷.假設物體沒有加速度，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，因為水平向右的力F的作用效果也突然消失，此后物體將向右做勻速直線運動(由于慣性).由以上分析可以得到加速度a與水平力F存在著同時產生同時消失同時變化的瞬間對應關系，這就是F合=ma中的關于瞬時性的理解.

進一步說明：F合=ma中物體的質量保持不變，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，這實際上是控制變量法的具體應用和理解，仍是停留在理論層面的認知，略顯粗糙和生硬，而應通過情景的設計，拉近了與學生的距離，增強了學生的主動性和積極性，通過學生思考和體會，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合存在著瞬間對應關系.

三、關于對“獨立性”的理解

圖3

情景3 在粗糙水平面上，有一質量m=1 kg的物體在水平拉力F=5 N作用下做勻加速直線運動，已知物體與水平面間的動摩擦因數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

進一步說明：水平拉力F單獨作用在物體上產生的加速度是a2，滑動摩擦力Ff單獨作用在物體上產生的加速度是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單獨作用在物體上產生的加速度是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動的加速度a，即任一個力均有與之對應的加速度，具有獨立性，只要這個力不變，其對應的加速度也不變，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，構成合力的某個力若發生變化則物體的加速度也會隨之變化，但各個力對應的加速度是由各個力決定的，即獨立性.

四、關于對“因果性”的理解

F合=ma從標矢量間的關系可以得出：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一步理解，因為牛頓第一定律即表明“力是改變物體運動狀態的原因”、“力是改變物體速度的原因”、“力是產生加速度的原因”，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.

牛頓運動定律是物理學的基石，也是動力學的核心規律，牛頓第二定律是牛頓運動定律的關鍵，F合=ma是牛頓第二定律的簡單表述，應從因果性、矢量性、瞬時性、獨立性等角度理解牛頓第二定律深邃的物理思想.情景教學法貼近學生的實際，符合學生的認知水平和思維發展歷程，能帶領學生步步前行，循序漸進螺旋式進步.