巧用DIS實驗突破牛頓第二定律瞬時性的教學難點
巧用DIS實驗突破牛頓第二定律瞬時性的教學難點
上海市青浦區東湖中學
摘要：牛頓第二定律的內容是物體的加速度跟物體所受的合外力成正比, 跟物體的質量成反比, 加速度的方向始終與合外力的方向一致。牛頓第二定律的瞬時性是指物體的加速度與合外力同時產生、同時變化、同時消失。應用牛頓第二定律的瞬時性解決彈簧和繩連接物的問題, 在各類考試試卷中屢見不鮮。本文結合筆者的物理教學實踐, 介紹如何運用DIS實驗突破這一教學難點。
關鍵詞：牛頓運動定律;瞬時性;彈力;
1典型例題
如圖1, A、B兩個質量均為m的小球之間用一根輕繩 (不計質量) 連接, 並用輕彈簧懸掛在天花板上, 兩小球均保持靜止。 若用火將細繩燒斷, 則在繩剛斷的這一瞬間, A、B兩球的加速度大小分別是多少?
學生的困惑:火將細繩燒斷瞬間, 彈簧和繩子的彈力都會發生變化, 具體是怎樣的情況根本說不清楚。
設計DIS實驗解決困惑:為了更好地理解繩和彈簧彈力在突變時的特點, 運用DIS的通用軟體設計演示實驗, 通過實驗圖像的對比, 讓學生更好地理解這一難點。
實驗器材兩個力感測器, 計算機, 數據採集器, 鐵架台 (帶鐵夾) , 細線, 彈簧, 50 克的鉤碼剪刀或者打火機。
實驗過程
(1) 組裝成如圖2 的實驗裝置示意圖。
(2) 開啟電源, 運行DIS (朗威) 應用軟體, 進入「通用軟體」界面。
(3) 點擊「組合圖線」, 然後點擊「添加圖線」, X軸選時間, 左Y軸選擇F1, 圖線顏色選「紅色」, 線性選擇「實線」。
(4) 再點擊「添加圖線」, X軸選時間, 左Y軸選擇F2, 圖線顏色選「黑色」, 線性選擇「實線」。
(5) 點擊「調零」, 然後點「開始」實驗。
(6) 燒斷細線, 兩個感測器分別記錄彈簧彈力和繩彈力隨時間變化的情況。
(7) 然後利用圖線控制調整圖線的大小。
(8) 通過實驗圖像 ( 圖3) 的對比, 得出實驗結論。
實驗注意事項
鉤碼的質量大一些, 細繩的彈性要小。
彈簧和細繩的彈力隨時間變化的圖像 (圖3) 。
2實驗結論
兩個力在同一坐標系下的圖像對比, 得知在細繩燒斷瞬間, 彈簧的彈力 (紅色圖線) 還未變化, 而繩子的彈力 (藍色圖線) 已經變化。 所以在處理實際問題時, 建立如下兩種模型:
(1) 「輕繩」模型:輕繩的重力可忽略, 發生形變產生彈力。 若斷後, 其中彈力立即消失。
(2) 「輕彈簧」模型:輕彈簧的重力可忽略, 因其發生形變需要一定時間, 其彈力不能發生突變, 但當彈簧和橡皮筋被剪斷瞬間, 其所受的彈力可以看成不變。
3說明
在動力學問題中, 物體受力情況在某些時候會發生突變。 根據牛頓第二定律的瞬時性, 物體受力發生突變時, 物體的加速度也會發生突變, 突變時刻物體的狀態稱為瞬時狀態。 分析某一時刻的瞬時加速度, 要分兩步, 先明確瞬間前物體所受各力的大小和方向;再明確瞬間後哪些力不變, 哪些力突變, 即分析瞬時前後的受力情況及運動狀態, 再由牛頓第二定律求出瞬時加速度。
通過DIS實驗, 讓學生更好地理解繩和彈簧彈力的區別, 進而學會處理瞬時性問題
作者簡介：王偉偉 (1980-) , 男, 中學一級, 上海師範大學教育碩士, 從事物理教學工作, 曾被評為教學能手, 示範教師;
作者簡介：王中宇 (1990-) , 男, 遼寧師範大學碩士研究生。
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