牛顿运动定律对中学生的作用.docx

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牛顿运动定律对中学生的作用

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渤海大学本科毕业论文（设计）

牛顿运动定律对中学物理教学的作用

Newton'sLawsOfMotionInPhysicsTeachingInMiddleSchoolAs

学院（系）：

数理学院

专业：

物理系

学号：

********

*******

入学年度：

2011年

*******

完成日期：

年月日

渤海大学

BohaiUniversity

摘要

本文研究的方向为牛顿在《自然哲学的数学思想》当中提出的牛顿运动定律，牛顿运动定律一共分为三条，分别为：

牛顿第一第二第三运动定律，首先在每章节的前部分叙述牛顿运动定律的三条定律分别的书中原始表述和个人理解以及定律的研究背景和具体的研究手段和方法。

后部分在牛顿运动定律的内容的基础上从两个大方面深入的探究牛顿运动定律究竟给当代的中学生带来怎样的帮助和作用，第一个方面是牛顿运动定律对学生日后学习物理其他定律时具体意义和帮助；第二部分为牛顿运动定律对学生以往那些不正确的感性理解的纠正作用，以及如何正确看待生活中的物理问题。

关键词：

中学生；牛顿；运动；教育

Newton'sLawsofMotionontheRoleofHighSchoolStudents

Abstract

DirectionofthisresearchwasNewton'slawsofmotionNewtoninthe"naturalphilosophyofmathematicalthinking,"whichraisedatotalofNewton'slawsofmotionisdividedintothree,namely:

Newton'sthirdlawofmotionfirstandsecond,firstinthefirstpartofthenarrativeofeachchapterbackgroundandspecificresearchtoolsandmethodologiesthreelawsofNewton'slawsofmotionareexpressedintheoriginalbookandpersonalunderstandingaswellaslaw.

OnthebasisofthelatterpartofNewton'slawsofmotiononthecontentsofthetwomajoraspectsofNewton'slawsofmotionindepthexplorationofcontemporaryhighschoolstudentstobringexactlywhatkindofhelpandtheroleofthefirstaspectofNewton'slawsofmotiontotheotherlawsofphysicsstudents'futurelearningthespecificsignificanceandhelp;thesecondpartNewtonianeffectsonthestudentsinthepasttocorrectthoseincorrectemotionalunderstanding,andhowtolookatlifeinthecorrectphysicalproblems.

KeyWords：

NewtonMotionEducationHighSchoolStudents

引言

在日常的生产生活和学习物理的过程中，牛顿运动定律的作用广为人知，那么牛顿运动定律是怎么样被牛顿发现的？

牛顿运动定律是怎么样拜托了当时社会神学如此发达的束缚？

牛顿运动定律是如何通过了无数物理学者的检验？

现如今中国初中高中义务教育物理教材为何把牛顿运动定律放在了如此重要的位置？

它对学生的生活和学习产生了哪些深渊的影响和改变？

本文就上述问题展开研究讨论。

1牛顿运动定律是经典力学的基础

1.1牛顿运动定律的起源与发展

1.1.1牛顿运动定律的起源

牛顿的著作——《自然哲学的数学原理》、发表于公元1687年，其中阐述并发表了他的运动三定律。

三个多世纪过去了，小到年仅15岁的初二学生，乃至白发苍苍的科学家们，无人不知晓牛顿运动定律，它是最广为人知的少数几个自然定律之一。

可以看出牛顿定律作为一门科学的基础性和普及型。

在人类日常的生产生活中，最经常接触到的自然现象之一，就是物体之间的相互作用导致的天上的地面物体的机械运动。

几千年来，人们对物体之间的相互作用和由于物体之间相互作用导致的运动的关系仅仅停留在感性的认知上，有些甚至是不正确的。

哥白尼（波兰学者）曾经在临终前发表了颠覆当时人类对天体认知的论文——天体行星论，其中“日心说”阐述了太阳系中的星体均围绕太阳做曲线运动（圆周运动或椭圆运动）。

彻底的否定了神学论、并且使科学得以开始发展。

随后，近代的一些科学家例如伽利略、开普勒、笛卡尔等等，用自由开放的精神去研究自然界中小到地面上的石块大到天上的星体运动现象，为牛顿发现运动三定律提供了良好的环境。

正如牛顿所说：

“如果说我比别人看得更远些，那是因为我站在了巨人的肩膀上。

”

1.1.2牛顿运动定律的发展

牛顿在《原理》一书中，首先用科学的语言阐明了惯性，动量等基本的概念，定性的定义了力，接着把支配宇宙万物运动的基本规律总结成了牛顿运动三大定律。

第一定律也称为惯性定律，阐明了物体在不受任何力的条件下的运动状态，颠覆了日前人们对物体运动的看法。

并通过对物体不受力的运动状态的陈述定义了惯性参考系，成为了经典力学的出发点。

第二定律揭示了物体运动中受力与运动定量关系。

第三定律阐述了物体之间的相互作用的一种依赖关系。

这三条定律支配了宏观世界中宇宙万物做机械运动的基本规律。

在《原理》中，继三定律之后的“六推论”，包括了力的平行四边形法则，动量守恒，质心运动定理，相对性原理，力系等效原理等，还有他根据开普勒行星运动定律揭示出的力学原理等等，所有的这些，使得牛顿运动定律显示出惊人的价值、成为了广为认可的力学体系。

根据牛顿运动定律，推导出了质点和质点系的三个运动定律，及动量守恒、动能定理、和角动量守恒，并得到了动量守恒，机械能守恒，和角动量守恒三大守恒定律。

虽然在爱因斯坦相对论之后，牛顿力学已经不再适用，但三个守恒定律仍然是普遍适用的，尤其是在日常的生活中。

在只涉及机械动量、机械角动量、机械能的情况下。

牛顿定律包容了三个守恒定律，使他们从最初的实验结论上升为科学结论。

以牛顿的运动定律为基本的三个守恒定律以及三个运动定理，组成了如今的经典力学的基础。

在此基础上得以发展了刚体力学，流体力学等等力学体系，构成了一个完整的几乎完美无瑕的力学体系。

直到20世纪的今天，这些已经对人类的现代生产生活产生了巨变和无数价值。

加以学者们的实践应用和发明者的努力，数以万计给我们生活提供便利的机器和工具被发明出来，创造了无法估量的市场价值，可见牛顿运动定律的重要性。

2牛顿第一运动定律

2.1牛顿第一运动定律的表述与由来

2.1.1牛顿第一运动定律的表述

牛顿在《自然哲学的数学原理》中的原始表述是：

“任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。

该描述人加班高中物理必修一交差中被引用并作为重点知识点，用数学公式表示为

。

”在中学阶段牛顿第一定律被表述为“一切物体在没有受到外力作用的时候，总是保持匀速直线状态或静止状态。

”

2.1.2牛顿第一运动定律的由来

牛顿第一运动定律是基于伽利略的理想斜面实验，伽利略在研究运动学时的方法是把运动和实验联系到一起，逻辑推理和实验检验并重。

由于光滑的斜面在生活中是不存在的，以为摩擦力并不是完全可以消除，他对光滑斜面的推论是通过实验观察并进行逻辑推理得到的，因此理想斜面实验属于伽利略的逻辑推理部分。

图1

伽利略把一个小球放置在斜面上，示意图如图一所示，随后放弃固定，使得小球可以从静止状态自由的向下滚，小球在重力的作用下沿斜面向下移动并移动到另一个斜面上，最后到达的最大高度与释放位置的高度大体相等，他推论只是因为摩擦力的存在才使得球没能到达原来的高度。

随后他减小后一个斜面的倾角，小球在这个斜面上仍达到同一高度，但是可以看出它滚的要远一些，继续下去就发先球仍然到达同一高度并且滚的更远了。

于是他对斜面平放时的情况进行研究，结论显然是球将永远滚下去。

据此可以推断力不是维持物体运动既维持物体速度不变的原因，而是恰恰是改变物体运动状态即改变物体速度的原因。

牛顿在伽利略的实验基础上进行归纳总结，最终得出了牛顿第一运动定律。

2.2牛顿第一定律对中学生的作用

2.2.1牛顿第一定律对中学生理解物体运动的作用

牛顿第一定律的基本表述在上文中阐述过，牛顿第一定律又称惯性定律，所谓惯性是指物体抵抗其运动状态被改变的性质，物体的惯性可以用他的质量来衡量，质量越大，惯性也就越大，牛顿在《自然哲学的数学原理》定义惯性为：

“惯性，是物质固有的力，是一种抵抗的现象，它存在于每一物体当中，大小与该物体质量相当，并尽量使其保持现有的状态，不论是静止状态或是匀速运动状态。

”中学生在学习牛顿第一定律时老师会告诉学生牛顿第一定律又称惯性定律，但是并不把教授惯性的概念作为重点，我认为，惯性的意义应当被重视，对中学生理解惯性定律及牛顿第一定律有本质性的帮助。

在课堂上教师通常会问一个问题“运动的起因是什么？

”学生们通常会回答“是因为力!

”还会有学生举例“铅笔盒放在那里是静止的，我用力去推它，他就会动”教师都会加以总结“力是使物体发生运动”这恰恰符合了公元前300多面亚里士多德的经验总结：

力是维持物体运动的原因，教师点拨：

人们对自然规律源于对自然的观察，但是这种观察通常是肤浅的，没有根据的，有时甚至是错误的，为了探究真想，我们必须用实验来证明。

教材中把伽利略的实验作为重点内容，该实验为牛顿第一定律的起源，通受到实验的严谨性，使学生感知实验与物理知识的紧密关系，避免了学生在学习物理过程中的死记硬背现象。

在教学过程中我发现学生在理解运动时总是把日常生活中的错误的感性想法当成正确的想法，而伽利略的实验让他们认识到他们曾经的感性的想法是错误的，这便是教学的意义，扳正的学生们的思维。

让学生从正确的想法上出发去解决问题，让学生改变曾经的那些错误的看法，用正确的看法去联系实际，正确理解生活中的物理。

2.2.2牛顿第一定律对中学生学习其他定律的作用

牛顿第一定律只能在惯性参考系中使用，牛顿运动定律在非惯性参考系中会发生矛盾（无法使用），在学习牛顿第一定律时，学生们了解到了惯性参考系，为接下来的学习界定了范围。

牛顿第一定律作为一条独立的定律，它不能被任何其他定律代替，它是其他原理的前提和基础，第一定律中包含的基本概念，积淀了经典力学的概念基础，从而使它处于理论系统中第一个原理的前提地位，这表现在：

（1）第一次批驳了延续两千多年的亚里士多德等人错误对力的理解，为确立正确的力的概念奠定了基础。

（2）第一次科学地给出了力的定性定义（含力的本质和力的效果）。

（3）第一次提出了经典力学的几个基本概念，为第二、第三定律以及由牛顿运动定律建立起来的质点力学体系原理奠定了概念基础。

它可以看成是学习物理的基础，也是整个经典力学的基础，换句话说，如果没有第一定律，那其他定律也都是空谈。

3牛顿第二运动定律

3.1牛顿第二运动定律的内容与产生

3.1.1牛顿第二运动定律的内容

牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出：

“原著表述为动量为P 的物体，在合外力为F的作用下，其动量随时间的变化率等于作用于物体的合外力。

通常表述为物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。

”牛顿第二定律可以用比例式来表达，及

或

；也可以用等式来表达，即

，其中K是比例系数；只有当F以牛顿、m以千克、a以m/s2为单位时，F=ma成立。

3.1.2牛顿第二运动定律的产生

1662年，伽利略指出“以任何速度运动着的物体，只要出去加速或减速的外因，此速度就可以保持不变。

笛卡尔也认为，在没有外加作用时，粒子或者匀速运动，或者静止。

”牛顿把这种假定的思想归纳整理并作为牛顿第一定律，并把伽利略的思想进一步的推广到力存在时的情况，提出了牛顿第二定律，1684年8月起，牛顿在哈雷的劝说下开始写作《自然哲学的数学原理》，重新考虑一部分问题，系统的整理手稿，1685年11月，形成了两卷著作。

《原理》在绪论部分——运动的公理或定律中提出了牛顿第二运动定律。

牛顿第二运动定律定义了国际单位制中的单位---牛顿（符号N）；使质量为一千克（Kg）的物体产生一米每二次方秒（m/s2）加速度的力叫做一牛顿（N）；即

3.2牛顿第二运动定律对中学生的作用

3.2.1牛顿第二运动定律实验对中学生的作用

牛顿第二运动定律在中学生教学中是用实验探究的方式引入的，实验如图2所示一个水平放置的桌面，固定一定滑轮，桌面上摆放一个小车并用细线绑定，另一端挂一个砝码（要求砝码质量远远大于小车质量），通过小车右端连接的打点计时器中得到的数据探究三个物理量之间的关系，分别为质量、受力、加速度。

通过控制变量法得到结论：

在质量一定的情况下，受力与加速度成正比。

在受力一定的情况下，加速度与质量倒数成正比。

图2

在受力一定的情况下，加速度与质量倒数成正比。

据此得到结论F=Kma、简化为F=ma。

此实验从多个角度影响学生对牛二定律的理解，第一、使学生学会了物理量的代替，其中加速度通过打点计时器的数据测量得出，受力由砝码提供；第二、介绍了一种新的工具：

打点计时器。

使学生初次接触打点计时器，打点计时器是研究运动的最有利手段，让学生把运动量化成数据，更加具体且直接的了解运动，把运动变成了运动曲线，使得学生在解决问题的过程中多了一种思路；第三、介绍了一种新的实验手段，控制变量法。

控制变量法在实验中的作用十分显著，在高中阶段成为了实验的基本手段，使学生在理解牛二的过程中知道实验的一种重要手段；第四、通过实验可以让学生们了解实验与物理定律之间的关系，很多年前物理学家通过实验来发现物理规律，由牛顿总结得出如今的牛顿第二定律。

现如今同学们通过一个简单的实验直观的感受到物理学家在发明过程中的乐趣与价值，使学生们对物理的兴趣大大提高。

通过实验老师会介绍实验中的误差所带来的影响也使实验更加科学可信，使学生们感受到物理的科学性和可信性。

3.3.2牛顿第二运动定律对中学生理解运动的作用

牛顿第一定律揭示了力与运动的关系，在高中阶段牛顿第二定律所阐述的内容为物体所受到的合力与其运动时加速度之间的关系，其中物体所受到的合外力是物体的力的分析，加速度是物体在运动过程中关键性的物理量，揭示了牛顿第二定律的“桥梁”作用。

让学生们把力与运动真真正正的联系到一起。

牛顿第二定律作为整个力学计算的基础，成为了学生们在学习力学的根基，通过受力导致运动的各式各样的习题使学生充分的感受到受力与运动的数量关系。

在理解牛顿第二定律的过程中，教师会从定律的五个特点来丰富学生对牛顿第二定律的理解：

1瞬时性：

牛顿第二定律阐述了力与运动的同时存在性，共同出现、共同消失、共同改变。

2矢量性：

加速度的方向与合力的方向永远在同一条直线上。

3独立性：

物体受到几个力作用，其中由一个外力产生的加速度的作用效果只与这个外力有关，独立于其他外力，各个力产生的加速度矢量相加等于合外力产生的加速度，合外力产生的合加速度。

4因果性：

力是产生加速度的原因，加速度是力的作用效果（故力是改变物体运动状态的原因）。

5等值不等质性：

虽然F=ma，但是ma并不是力，他只是反应物体状态变化的一种情况；虽然m=F/a，但仅仅是一种度量物体质量大小的方法，m与F或a无关。

五种性质分别阐述了力与运动之间的各种关系，让学生们对力与运动的理解更加透彻，也明确的力怎样具体的产生加速度，与牛顿第一定律之间的紧密联系，恰恰证实了前课中牛顿第一定律中的疑惑。

在中学生学习牛顿第一定律之后的一堂课学生们开始学习自由落体运动，自由落体运动在生活中的普遍性不言而喻，根据牛顿第二定律推导出了在地球上不同地点的不同重力加速度，日常生活中通过可压力计测得物体对压力计的压力大小，根据牛顿第三定律的内容可以准确的得知物体所受到的重力，再根据该点的重力加速度可以准确的测得物体的质量，学生们可以深切的感受到物理带给人生活的便利，也能把物理定律和生活联系到一起，物理并不是纸上谈兵。

在实际生活中，学习牛顿第二定律之前，学生可能对汽车火车加速过程中加速度的不同有所困惑，学习牛顿第二定律之后，学生会懂得是由于火车比汽车的动力大，但是阻力与质量却更大，才导致的火车加速度没有汽车加速度大。

通过老师的引导，学生很轻松的把牛顿第二定律联系到实际的生活中，使物理这门自然学生真真正正的走进学生们的生活，使学生们更加科学的去看待问题。

3.3.3牛顿第二运动定律对中学生学习物理其他知识的作用

根据牛顿第二运动定律，定义了国际单位制中力的单位——牛顿（符号N）：

使一千克的物体产生一米每二次方秒的加速度的力，叫做一N。

牛顿第二定律定量的说明了对它作用力和物体运动状态的变化之间的联系，和牛顿第一运动定律、牛顿第三运动定律共同组成的牛顿运动定律，是力学中的重要定律，基本阐述了经典力学中的基本运动规律的重要定律。

牛顿第二定律作为力与运动的纽带，对学生学习其他物理问题起到了关键性的作用。

例如在学习带电粒子在电场磁场中运动时，同学们搞不清楚粒子为什么会移动或者搞不清楚粒子做什么运动，在我看来恰恰是因为他们没有正确的理解牛顿第二定律。

如果真正的理解牛顿第二定律，学生们首先会去分析带电粒子的受力情况进而得到其所受合力的大小及方向，通过牛顿第二定律计算出其加速度的大小及方向，再根据带电粒子的原有速度结合其加速度推断出其运动轨迹。

其中牛顿第二定律起到了关键性的作用,它的存在揭示了物体运动的原因：

产生了加速度，而加速度是改变物体速度的原因，物体的速度就是物体的运动状态。

在学生们学习恒定电流这一章节时，学生们通常是在计算电流电阻电压之间的关系，但是极少有人了解电流是如何产生的，那少部分同学正是正确的理解了牛顿第二定律，电流是由于带电粒子的移动产生的，既然带电的粒子移动说明只有两种情况，第一：

没有阻力，根据牛顿第一定律可以在不受外力的情况下，将保持静止或匀速直线运动状态。

第二：

有外力作用。

在现实中没有阻力的情况的不会存在的，在电线中电阻既是阻力，那么也就是说明是有外力的作用导致带电粒子的移动。

正是因为电线两端存在着电势差使其产生了电场，带电粒子在电场中会受到电场力，从而导致了带点粒子的移动进而产生电流。

这些恰恰说明了学好牛顿第二定律对中学生理解运动，理解物理起到了十分重要的影响，对学生脱离死记硬背真正的走进物理这门自然科学的重要意义。

4牛顿第三运动定律

4.1牛顿第三运动定律的内容与产生

4.1.1牛顿第三定律的内容

牛顿在1687年《自然哲学的数学原理》一书中提出该定律，通常阐述为：

相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用于同一条直线上。

表达式为F=-F’牛顿运动定律的第三条，与前两条共同组成了广为人知的牛顿运动定律。

4.1.2牛顿第三定律的产生

公元1700年以来，科学界统一关注的课题之一是碰撞问题，不少科学家都致力于研究碰撞问题。

对碰撞问题最早有所研究的是著名物理学家笛卡尔。

1664年牛顿在笛卡尔的影响下也开始对球形非弹性刚体的碰撞问题进行研究。

1665年至1666年间牛顿正式的对两个球形刚体的碰撞问题进行了研究。

牛顿并不像其他学者一样把研究的集中在动量守恒这个方面，而却是把研究的重点放在物体之间的相互作用上，牛顿提出，“于是它们向彼此运动的时间中（就是他们碰撞的瞬间）它们的压力处于最大值，它们的整个运动时彼此一瞬间彼此之间的压力所阻止，只要这两个物体都不相互屈服，它们之间将会持有同样猛烈的压力，它们将会象以前弹回之间彼此趋近那样对的运动相互离开。

”

从牛顿的表述中可以看出牛顿在发表本段之前就已经认识到在物体碰撞的瞬间它们的运动被两球之间的压力所改变。

稍后，牛顿又表述到：

“如果两物体相遇，因为两个物体受到的压力是一样大小，所以二者的阻力是相同的。

”同时他还用图形证实了两个压力是在同一条直线上。

由此可见，牛顿早在1665年中期就已经意识到了牛顿第三定律的全部内容，但是作为牛顿运动定律的第三条是在《自然哲学的数学原理》中正式发表却是在20多年之后，事隔300多年，经过无数专家学者的探讨，发展，研究以及质疑，它在宏观低俗前提下的科学性和严谨性都毋庸置疑。

1673年马里奥用两个单摆进行了碰撞试验，运用十分精巧的手段测量了两个球在碰撞前后瞬间的速度。

牛顿也重复做了此实验，他进一步的改进了办法和谈论了空气阻力对实验的误差影响，并对结果进行了修正。

这样，牛顿从研究总结碰撞问题出发提出了作用与反作用定律，并从理论和实验两方面进行了验证。

直至1687年，牛顿才把第三定律作为“运动定律三”在书中发表出来，牛顿在书中是这样表述的：

“每一个作用总有一个大小相等而方向相反的反作用；或者说，两个物体的像雾作用总是大小相等方向相反。

”

如果说牛顿第一运动定律和牛顿第二运动定律是站在了巨人的肩膀上提出的话，那么牛顿第三运动定律则是有牛顿本人完全独立研究出的伟大定律。

4.2牛顿第三运动定律对中学生的作用

4.2.1牛顿第三运动定律对中学生理解生活中物理问题的作用

牛顿第一运动定律和牛顿第二运动定律是指单个物体在不同受力情况下的运动规律，然后单单研究一个物体是不够的，因为自然界是物质的，不同物质之间是互相作用互相联系互相影响的，只有充分的研究物体之间的相互作用，才能全面的认识物体在运动中的规律，正因如此牛顿的三个定律才比较全面的反应机械运动规律。

学生在实际应用过程当中，尤其是面临实际问题时还总是“口是心非”，很容易做出感性的判断，比如在面对“拔河”“马拉车”“掰手腕”等问题上是会很轻易犯错误的，因此，正确理解牛顿第三运动定律就显得十分重要了。

牛顿的三条定律中，学生们在生活中感受最多的莫过于牛顿第三运动定律，牛顿一定律、牛顿二定律受到日常生活中阻力的干扰，往往不容易体现出来。

而牛顿三定律描述的是两个物体之间的作用力，称之为作用力与反作用力，它包含了一切力应该有的性质，例如瞬间性物质性等等，在针对拔河问题学生们往往有不同的看法：

其一，认为决定性的因素是拔河运动员手臂的力气，也就是两边的拉力。

其二，认为决定性的因素是拔河运动员抓绳子的松紧和地面的摩擦力。

很显然后者是正确的，根据牛顿第三定律的表述，当甲对乙施加一个拉力时，乙也会同时会给甲一个大小相等方向相反的反作用力（设拔河两队为甲乙），因此可以判断拔河过程中，甲乙两队间的拉力大小相同，胜负取决于甲乙两队产生的摩擦力，根据受力平衡原理来保证自身不被移动。

因此拔河比赛中队员都想尽办法增加摩擦力，例如穿花纹的鞋，或者倾斜身体短时间增加对地面的正压力等等。

同样的一件事，两种不同的看法，显然正确理解牛三可以更加本质直接的增加获胜的机会。

4.2.2牛顿第三运动定律对中学生处理力学问题的作用

在中学生处理力学问题的过程中往往会有两种误区，其一是错误得把作用力与反作用力当成同一力，例如在探究物体A对桌面产生的压力时，会把物体A所