正文 第二章 牛頓運動定律(3 / 3)

(3)分析物體受力,思維程序混亂,運用牛頓運動定律解題,掌握不住其基本要領,而是憑“經驗”套用公式。

2.教法探討

關於牛頓運動定律的教學

第一定律中的“一切物體都具有保持其原來運動狀態的性質”的描述,指的是以速度矢量為表征的運動狀態。慣性是物體的固有屬性,應向學生明確,“固有”二字說明慣性與物體是否力無關。不能認為牛頓第一定律是第二定律的特例,甚至認為它可有可無。第一定律不僅提出了“力”和“慣性”兩個重要概念,而且為整個力學係統提供了一種特殊慣性係。沒有這樣的參照係,就不可能得到F=這一表達式。人們應用牛頓第二定律時,盡管全然不提及第一定律,然而第二定律是以第一定律為前提的。牛頓第一定律是以間接實驗事實為基礎,經過科學推理總結出來的,這是教學中培養學生邏輯推考辦力,思辨抽象能力的典型示例。

第二定律的表達式,在中學物理中是通過實驗總結運用較為嚴密的數學知識導出的,這裏可直接應用。如果上一章對了“三性”學得較好,則學生對與了的量性、同時性包及的相對掛的理解就會容易。而不是速度,隻有經過一定時間或空間的積累,變化相聯係,這是衝量、功能和概念的引入點。

第三定律正確理解和掌握牛頓第三定律,是學生突破“力的分析”這一難點的關鍵。為減少方程數目和代號,有意無意將作用力和反作用力混同是不應該的,隻會給學生帶來混亂。

認為牛頓運動定律的應用就是解題,是不全麵的。應用牛頓運動定律分析不同研究係統的運動狀態的變化與所受外力的關係,不僅是力學的根本問題,也是研究其他運動形式(如分子熱運動,電磁運動等)時經常遇到的基本問題。

當然,解題是應用的重要方麵。教師不論從何種途徑總結歸納的解題思路或解題步驟,都要結合具體例題的解析過程提供給學生,使學感到此法“學得到,行得通”,不可“離題”空談思路和方法。有些教師要求學生作業時,開始階段注明解題步驟,引導學生在解題思路和方法上從“必然”過渡到“自由”。雖然學生在高考前作了大量的質點力學習題,但限於條件和教學要求,他們解題的思維方法、基本程序,仍然要繼續訓練。因此,本章的作業習題仍要以恒力,恒質量條件下的動力學習題為主。

2.5參閱內容

力的分類和自然界的力

初學者往往對力的命名感到雜亂無序。眾所周知,按照不同的研究需要,從不同的角度出發,對同一事物群體會作出不同的分類和相應的不同的命名。

按力的表征形象分類可分為牽引力、阻抗力;合力、分力;作用力、反作用力;衝力、反衝力;向心力、離心力;張力、重力、支承力、浮力以及恢複力等。

按力的產生原因分類可分為重力、彈力、摩擦力、分子力、電磁力(庫侖力、安培力、洛倫茲力等)以及核力等。

按力所處係統分類可分為內力、外力;慣性力、作用力等。

按力的作功特點分類可分為保守力、非保守力等。

由於分類方法不同,對同一種力往往冠以不同的名稱。如某一質點所受的重力,在研究質點與地球所組成係統的功能問題時,可以叫作保守力、內力;在研究質點作單擺運動時,又可叫作恢複力等。又如繩係的小球在光滑水平麵上作圓周運動時,小球所受繩的拉力又可稱為向心力、法向力、合外力、張力、彈性力等。在分析物體受力時,隻要弄清力的名稱在某種分類下的特定含義,就不會因力的名稱交義或多重性而出現混亂。

盡管力的名目繁多,但近代科學研究發現存在於自然界中的基本力隻有四種:萬有引力、電磁力、強力、弱力。上述提到的;種種力,都是這四種基本力的不同表現。

萬有引力該力的規律即萬有引力定律是由牛頓最先總結並提出的。有關它的內容表述數學表達式以及由此引出的引力質量概念等,在2.2中已作過注釋,不再贅述。

電雄力存在於靜止電荷、運動電荷、電場、磁場、電磁場之間的相互作用力。運動電荷間的作用除了電力還有磁力,電力和磁力同出一源,故統稱為電磁力。庫侖力、洛倫茲力、安培力即屬此類。力學中說的彈力、張力、壓力、摩擦力鄭,究其本質都來源於物質內部分子間或原子間的電磁作用。電磁力的作用範圍和萬有引力一樣幾乎為無限遠,是一種“長程力電磁力不同於萬有引力的是,它既有引力又有斥力;萬有引力雖然存在於一切宏觀和微觀物體之間,但對巨大質量的物體(如天體)起主要作用,而在微觀粒子的相互作用中,電磁力要比萬有引力明顯得多。

強力存在於核子(中子和質子)、介子和超子之間以及它們的作用場之間的一種作用。比電磁力大,力程很短,約為10.15m,是一種“短程力”。正是強力的作用使得質子中子牢固地束縛在原子核內。

弱力存在於基本粒子之間的另一種相互作用。弱作用一般比強作用要小,力程更短,約10.17m以下。弱作用僅當粒子間發生某些反應時(如P—衰變)才會顯示出它的重要性。

四種基本自然力存在著極大的差別。它們大小的數量級之比約為強力:電磁力;弱力:萬有引力。

本世紀30年代末,當人們認識到自然界存在著這四種基本力之後,就立即探尋它們之間可能存在的某種聯係和規律。這就是所謂的大統一理論“大統一理論”的先驅和開拓者是愛因斯坦,他曾期望建立能把引力場與電磁場統一起來的理論,但未能實現。六十年代末,溫伯格和薩拉姆在楊振寧等人提出的理論基礎上,提出了一個把電磁力和弱力統一起來的理論。這種“弱電統一論”在70年代和80年代初期得到實驗上的證明。現在,一些科學家正在為建立弱電強“大統一理論”而努力,並期望最終能實現統一四種基本自然力的“超統一理論”。

已被科學家證明自然界存在著上述四種基本自然力。但是,自然界是否隻有這四種作用力呢?為了尋求答案,科學家近年來做了大量工作。

早在70年代,澳大利亞科學家在一座變質岩的礦井中進行重力測量時,發現在礦井深處測得的牛頓萬有引力常數比在實驗室中測得的數值要大些。如何解釋這種現象?或許存在著四種基本力以外的自然力?他們提出了“第五種力”的假設,設想它是一種與萬有引力相反的斥力。

1986年,美國西雅圖華盛頓州立大學的伊佛雷姆菲施巴赫博士等人也提出了宇宙中存在著“第五種力”的觀點。

後來一些科學家支持“第五種力”的說法,也有一些學者否定這一說法。因此,對“第五種力”的研究已成為世界物理學界引人注目的課題。英、美等國的科學家們已開始了這方麵的試驗和探索。據1987年12月報載:美國地球物理學家唐納德埃克哈特和同事們在北加利福尼亞州一座600m高的電視塔上和塔附近對地球引力作了精確測量後,報告說,“不僅存在著第五種力,而且還存在著第六種力。”有的科學彖認為第六種力也許是第五種力的一部分。更有持異議的學者認為,所謂第五種力和第六種力實際上都是引力的一部分。

是否存在第五種力,在物理學界引起的爭論非常激烈,主要是因為近年來的實驗驗證都不是完美無缺的,提出的論據難以說服眾人。從實驗結果看,有肯定第五種力的,也有否定其存在的。1988年8月在慕尼黑召開的國際高能物理大會上,學者們仍認為不能證實第五種力的存在。看來要得出結論,還需進一步實驗探索和論證。

如果一旦證明了存在著第五種自然力,那麼將對現有的物理學理論產生深刻的影響,除牛頓力學的基本原理需要修正外,天文學及其它學科也將受到衝擊。有人預計,隨著對第五種力的探索,愛因斯坦在內的許多科學家幾十年來的辛勤探索而尚未證實的大統一理論可能得到證實。