應該明確以下問題:
1.第一定律為何亦稱慣性定律?因為它揭示了保持靜止或勻速直線運動是一切物體的固有屬性,即慣性。
2.第一定律是描述“不受力”的運動規律,為何又說它反映了力的涵義呢?因為第一定律說明了物體間的相互作用一動力,是改變運動狀態而不是維持運動狀態的原因。正因為該定律所描述的物體運動現象是以“不受力”為前提,而這在自然界中不存在,所以第一定律不能用實驗直接驗證。但它又反映了客觀事實,該定律是以間接實驗事實為基礎(如,物體受摩擦力越小,保持原有運動狀態的時間就越長),經過思維推理、概括總結的產物。
3.還要明確,第一定律在慣性係中成立,描述的對象是質點,這裏的慣性是指平動慣性,而不涉及轉動慣性。
【牛頓第二定律】物體的加速度與其所受合外力成正比,與其質量成反比。
第二定律是質點動力學的核心方程。學習時要明確:
1.與第一定律不同,牛頓第二定律是直接建立於實驗事實的基礎上;同樣是適用於慣性係,研究的對象限於可視為質點的低速宏觀物體。
2.使用兮時,兩個量的矢量式和瞬時性。方向總是與F的方向一致,方向上的合外力,因而用它的分量式問題更為方便。須知,第二定律還是靜力學的基本方程。
【牛頓第三定律】兩個物體間的作用力和反作用力,總是大小相等,方向相沿直線,並分別作用物體上。
1.作用力與反作用力不能相互抵消,這對於物理中的數學表達式應明確它的物雙意各,是把兩個相互作用的物體作為一個研究,就成為係統的一對內力,其矢量和為零。此時,對係統控加連度不產生影響。但是,係統內的兩個物體仍然分別各受一力F和F1沒有抵消。
2.要明確,牛頓第一定律和牛頓第二定律都涉及運動描述何題,所以都對慣性係成立。而牛頓第三定律未涉及運動描述,所以與參照係無關,對慣性係和非慣性係都成立。
【非慣性係】相對於慣性係作加速運動或相對於某一“靜止”軸轉動的參照係。
初學者不理解,為什麼作勻速轉動的參照物也是非慣性係這是因為勻速轉動的物體雖然切向加速度為零,但它相對於慣性係仍然有加速度——即法向加速。所以作勻速自轉的地球在不忽略其自轉時,地球也是非慣性係。按運動分,有平動非慣性係和轉動非慣性。
【慣性力】當非慣性係相對於慣性係以加速度:運動中的物體由於慣性則產生相對於非慣性加速度:這種現象被認為物體受到一種力,即慣性力。
慣性力是一種“虛擬力”,它不存在反作用力,因此隻有受(慣性)力者,沒有施(慣性)力考。不存在非慣性力。
【單位製】在基本物理量及其單位確定下所組成的單位係列。
1960年第十一屆國際計量大會決定采用製的七個基本量和七個基本單位。
當單位製選定後,可由它確定的基本單位根據物理公式或定律推導出其他一些物理量的單位,稱為導出單位。
我國已經頒布,自1991年7月1日起,采用國際單位製為法定計量單位。
【量綱】亦稱因次。用基本量表示導出量的冪次式。若以L、M、T分別表示基本量長度、質量、時間,則任一物理導出量A的量綱式可表示為式中p、q、r即為物理量A的量綱。由於任何一物理方程式兩邊的物理量的量綱和量綱式應該一致,所以利用量綱可驗證所得方程的正誤。
2.3習題指導
合理確定研究對象,準確分析研究對象受力情況,從而判斷它的動力學特征,並以研究對象的力學特征為依據建立方程。這.是解決力學問題的基本思路。
動力學問題大體上有兩類:已知物體的運動狀態(速度、加速度)求物體的受力狀況;從物體的受力求解物體的運動。二者是互逆問題,都是以牛頓運動定律作為基本方程。運用牛頓運動定律解題的一般步驟是:
1.合理確定研究對象
在審清題意,明確物理過程的基礎上,根據所給條件的充分程度及解題的方便,選取所要研究的對象。有的讀者認為這是可有可無的一步,見連體就隔離,而不深入分析是否方便解題,閱讀例一後會有啟發。
2.分析力、畫圖示
“分析力”是指對所確定的“對象”(不是別的物體)受到的全部外力(不是內力)進行準確地分析其大小和方向,先易後難,逐個分析。建議初學者按下列順序分析力。
(1)先確定重力,一個“對象”僅受一個重力,不易出錯;再分析彈力,對連體係統,要防止遺漏彈力,防止的辦法是看研究對象與幾個其他的物體直接接觸,一般就受幾個彈力;最後分析摩擦力,注意不要搞錯靜摩擦力的方向,吃透“與相對運動趨勢方向相反”的確切含義。
(2)同時畫出受力圖,既直觀又便於建立坐標係。已作為坐標投影量分解了的力,不能重複考慮。
3.建立坐標,判斷特點
這是為建立方程提供依據。坐標原點要建在慣性係參考點上,軸向應與已知矢量多的方向或與所求矢量方向一致,使分量式方程簡潔,也便於求解。經過受力分析,使可判斷沿坐標軸方向上的合外力是否為零,不為零的是恒力還是變力,從而定性地得出研究對象的力學特征:是靜止或作勻速直線運動?還是作勻變速或是非勻變速運動?是直線運動還是曲線運動?
4.列方程、作計算
有了研究對象沿坐標軸方向所受外力的特點,便不難建立分量式方程。
當方程數少於未知量數目時,則應從其他物理途徑(如運動學、功和能、動量)或幾何關係中列出補充方程,以滿足可解。
2.4教學建議
一、內容處理
1.本章地位
上一章討論了質點運動的描述及其基本規律,並未涉及運動變化的原因和質點運動所遵循的基本定律,而這些正是本章所要解決的基本問題。牛頓運動三定律是質點動力學的基礎,是認識質點、質點係和剛體運動、功和能的關係、流體運動以及振動和波動的基礎,也是進一步學習其他物理內容的必備知識。因此,本章內容在整個物理學中是特別重要的,應予充分重視。
1687年,牛頓總結了哥白尼、伽利略等前人的研究成果,發表了《自然哲學的數學原理》一書,標誌著力學發展的飛躍。從此,力學形成一個經過實踐檢驗的普遍性的理論體係,成為整個物理學以後迅速發展的基礎。可以說,物理學作為一門科學是肇始於牛頓運動定律的。學習和掌握牛頓運動定律,是學習物理科學的真正起點。
2.講授係統
一般有三種:在講述力、常見的三種力(重力、彈力、摩擦力)的基礎上,討論牛頓運動三定律、單位製及量綱;先講牛頓運動三定律,後講三種力,再講單位製和量綱;隻講三條定律、單位製和量綱,在講解例題分析受力時,利用學生中學物理基礎對三種力順便予以複習或講述。
方法一為直接應用牛頓運動定律解題提供方便}第二種授課線索,因為有了三定律的理論基砥,所以對力概念的認識會更深刻一些;為解決學時緊內容多的矛盾,第三種講授係統也許是有效方法之一。
二、教法建議
1.學生問題
學生對本章內容要比上一章更為熟悉,因此確定教學起點,使之符合學生實際,是本章教學的一個重要問題。同時,要估計到學生仍然可能存在下列問題:
(1)力是一個普通、常用的概念,但卻是個抽象的,並馬民就能準確理解的概念。雖然從初中就學習力的定義,但仍有不少模糊認識。如“維持運動需要力”;物體速度的大小是物體受力大小的標誌“內力為什麼不改變係統的運動狀態”等等。特別是運用牛頓第三定律分折物體間力的相互作用感到困惑。
(2)會背牛頓運動三定律的定義和公式而不能完整、準確地理解。認為牛頓第一定律是第二定登在一個推論,而不是獨立的定律;對矢量式中的數學關係及物理意義認識不清。