利用DISLab验证牛顿第三定律

利用DISLab验证牛顿第三定律
杭州第十四中学吴凤星
实验一：让学生两手各持一只力传感器,保持两传感器的手柄平行,让两传感器的测钩互相钩住,两手用力拉,得两条“力—时间”组合显示图线(图1) . 让学生观察发现两条图线基本重合,表示两力大小相等. 选中其中一条图线,设为“镜像显示”,对两力的方向加以区别,如图2 镜像显示的图线与另一条图线以x 轴呈上
下对称,说明两力方向相反. 实验中力的大小随
时可变,并实时显示.
如果是两力传感器的手柄没平行,测钩没正对,就会产生扭力和分力,会影响实验效果,两力的大小相差较大. 围绕实验数据的误差研究和改进,让学生养成正确操作和使用仪器设备的习惯.
虽然图像中相互作用的力大小相等、方向相反的规律得以清晰展现,但学生还是很难理解牛顿第三定律(两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在一条直线上. ) 中的“总是”这两个字.为了更好地理解牛顿第三定律,再进行下面一系列的探究活动.
实验二：运动中的物体之间的相互作用力学生会提出疑问,教师也可引导学生提出这样的问题:运动中的物体之间的相互作用力还是“大小相等、方向相反”的吗?利用DISLab ,学生很容易进行这个问题的探究.即让自己处于匀速运动或加速跑的运动状态,看“镜像显示”中的两条“力—时间”图线是否以x 轴呈上下对称. 学生通过实验会发现运动对两力“大小相等、方向相反”基本不构成影响,这说明了运动中的物体之间的相互作用同样遵循牛顿第三定律.
实验三：物体相碰时的相互作用力两个运动的物体相碰时,它们之间的作用力的关系会是怎样的呢? 让两只力传感器的测钩正对,相互敲击,获得两条以x 轴呈上下对称的图形(如图3) .如果一个运动的物体去碰一个静止的物体,它们之间的作用力与反作用力还是不是“大小相等、方向相反”的? 为了探究这个问题,可引导学生设计这样的实验:将一只力传感器固定在铁架台上,另一只力传感器固定在小车上(确保两只力传感器在同一高度,测钩正对) . 给小车以不同的初速度,两只力传感器相碰时的力不同,实验结果如图4 所示. 质量大的物体去碰质量小的物体,它们之间的作用力与反作用力的关系又如何? 这就激起了学生的探究兴趣,拓宽实验探究范畴,学生会积极动脑思考,改进现有的实验装置,完成探究活动.
实验四：前面所测的物体之间的作用力与反作用力,两个物体都是相互接触的. 如果是两块磁铁,它们之间的作用是怎样的? 让学生手拿两块磁铁,保持很短的一段距离,不管是两个相同的磁极靠近还是不同的磁极靠近,学生都能理解两磁铁之间的斥力或吸引力是相等的. 通过这个实验学生可能获得关于作用力和反作用力关系的正确答案,因为,学生自己两手握
磁铁,亲身感受了吸引力或斥力. 在这里可定量的测量磁力. 在力传感器的测钩上固定好磁铁,保持两传感器的手柄平行,并保持适当的一段距离,慢慢靠近或分开两传感器(但两传感
器不接触) 实验结果如图5 所示.磁铁间的相互作用也遵循牛顿第三定律,学生是很难理解的. 磁力这个问题可引发一系列的探究问题. 可向学生设置这样的问题情境:如果一个磁性较弱的磁铁与一个磁性强的磁铁相互作用,这时再问学生它们间的相互作用力时,学生的意
见就会产生分歧,很多学生都认为磁力强的磁铁产生的作用力大. 我们再采用极限一点的实验,如用几枚回形针来代替磁性较弱的磁铁,结果又会怎样呢? 回形针的枚数会不会影响它
和磁铁之间的作用力? 学生应用DISLab 对这些问题进行定量的科学探究,使学生清楚认识
到牛顿第三定律中作用力和反作用力的大小总是相等的。

结论：作用力和反作用力的大小总是相等的。