牛顿第三定律

牛顿第三定律的教学设计
【教材内容分析】：
本节课是司南版高中物理必修1第六章第3节的内容，涉及的内容有“理解牛顿第三运动定律，并运用该定律解释生活中有关的问题”。该内容标准包含了对牛顿第三定律的理解及应用该定律解释生活中有关的问题，牛顿第三定律是对牛顿第一、二定律最有效的补充，加上它就可把受力分析的对象从一个物体扩展到多个物体，拓宽分析思路和解题范围。学生在初中已对力是物体间的相互作用有了初步的了解，而且力的相互作用在生活中也很常见，要学生从形式上理解牛顿第三定律并不困难，但真正理解定律是不容易的，因此本节课，着重让学生参与定律形成过程的探讨，以实验探究方式来归纳总结规律。最后再通过对比辨析一对平衡力与一对作用力、反作用力，加深理解。通过这一学习过程的体验，让学生掌握研究物理问题的科学方法，同时更好地体会“生活到物理，物理到社会”，加深学生学习物理的兴趣。
【学习者分析】：
初中时学生已经初步认识了力的相互作用，前面也学过几个具体的力，学会了对物体的受力分析，掌握了物体的运动规律。但是学生有时会凭直觉解释现象：如拔河比赛时，力气大的人之所以会取胜，是因为力气大的人施加给力气小的人的力大于力气小的人施加给力气大的人的力。如果直接给出牛顿第三定律，学生从丰富的生活经验对定律的内容会较熟悉，但对定律的理解却比较片面。因此，可以利用与高中生已有认识的冲突，学生学习的自主性比较强的特点，设置适当的问题情境激发学生的思考、讨论，通过一些生活实例的分析让学生了解物体间力的作用都是相互的，且采用实验讨论给出牛顿第三定律，以达到对知识深入理解的目的，增强学生的学习兴趣，同时培养学生研究物理问题的科学方法和解决实际问题的能力。
【教学目标】：
通过生活中的实例讨论，知道力的作用是相互的，理解作用力与反作用力的概念，培养学生学习物理的兴趣，调动学生的积极性，体会物理与生活的联系；
通过学生实验，理解牛顿第三定律，并能用它解决有关问题，体验研究现象、总结规律的方法，培养学生独立思考和实验能力，以及分析解决实际问题的能力，养成一种科学探究的意识；
通过典型事例的分析，能区分一对平衡力与一对作用力、反作用力，培养学生分析问题的逻辑思维能力。
【教学重点】：
探究如何从实验观察、归纳、总结出牛顿第三定律
【教学难点】：
区别一对平衡力与一对作用力、反作用力
【教学策略分析】：
根据在此之前学生对力是物体间的相互作用初步的了解，学会了物体的受力分析和运动规律，具有力与运动知识的基础且具备基本的物理实验能力。同时牛顿第三定律的实验装置简单，且易于得出结果。
因此，教法上本课采用问题讨论和实验探究相结合的教学方法，先用生活实例讨论作用力与反作用力的概念，接着教师提供探究实验的素材以及所要探究的问题，让学生从素材挑选自行设计实验，教师作为引导者对学生进行指导。然后对学生不同类型的实验组织学生对问题的分析、讨论后归纳出牛顿第三定律，并学会应用定律。最后通过典型事例的分析，让学生总结出力的相互作用力与二力平衡的异同之处，且能够很好的区别它们。
通过探究实验让学生参与定律的形成过程中，教师给学生充分的独立思考和设计实验的空间，体现学生的主体地位。利用学生已有知识和方法来研究牛顿第三定律，培养学生研究物理问题的科学方法及自主学习和探究的能力，同时在获取知识时体会探索的乐趣及物理与生活的联系。
【教学过程】：
创设情景，提出问题
请一位同学做一个游戏：先双脚并拢，用手撑着墙壁保持身体成一直线而与地面成一定的倾角，要求在双脚不移动的情况下，设法让身体直立起来。
学生解释：该同学用双手推壁使自己直立，说明手推墙壁时，手对墙壁有力的作用，同时墙壁对手也有力的作用，力的作用是相互的。
接着老师提问：该游戏说明手与墙壁间力的作用是相互的，在生活中同学们能不能再举些例子说明力的作用是相互的？
预测：学生举例如：
双手鼓掌时，一只手对另一只手有力的作用，甚至手有疼痛感；
人走路时，脚蹬地，地对脚也有作用力，使人前进；
手推桌子，桌子对人也有作用力，让人推不倒；
磁铁之间也有作用力，使之相互吸引或排斥
……
老师：同学们举的例子都说明力的作用是相互的，在物理学中，物体间的这一对相互作用力叫做作用力与反作用力。我们可以把其中的任意一个力叫做作用力，则另一个力就叫做反作用力。既然力是物体与物体之间的相互作用，那么，物体间的作用力与反作用力存在怎样的关系呢？
设计意图：游戏、举例都为了使学生体会到物理就在身边；调动学生的积极性与主动性，进而引发学生对现象背后隐藏的物理规律做进一步思考。接着开门见山，从生活经验中提出问题进行开始探究。
实验探究，归纳规律
分组实验
四个同学一组，老师提供的器材有：两根同型号的条形磁铁、两个气球、两个同一型号的弹簧秤、两辆相同的小车。
老师：请同学们利用所提供的仪器（可以全选，也可以选择部分仪器，还可以利用你们各自有的文具等材料）在15分钟内自主设计能表现作用力与反作用力的实验，并研究以下四个问题：
作用力与反作用力的大小如何？
作用力与反作用力的方向情况怎样？
作用力与反作用力分别作用在什么物体上？
作用力与反作用力分别是何种性质的力
实验过程同学们可以展开讨论，主动与同学合作，后再请组的代表来分享你们的探究结果。
学生实验过程，老师巡视，观察各组设计实验的情况；对学生在实验中遇到的困难和问题老师给予启发、点拨。如：探究相互作用力存在怎样的关系？有的学生不清楚应从哪几个方面入手，可以启发学生：探究相互作用力间的关系，就是探究力的大小、方向、作用点三要素的关系。鼓励学生并注意纠错，如在车上的条形磁铁受到的力叫作用力，其施力物是谁？方向？作用效果如何？反作用力 等。
设计意图：本探究实验不给学生讲解如何选择仪器、设计、观察并得出结论，是因为一方面本次探究的实验装置简单，且容易得出结论；另一方面是给予充分的时间，给学生充分的自由，发挥学生的主体性，让他们充分发挥想象，自己提出猜想并多角度、多途径地提出解决问题的方法，学会研究物理问题的科学方法，并主动与他人合作，尝试经过思考发表自己的见解，展开充分讨论。
学生实验汇报
学生证实力的作用是相互的方法预测：
方法一：
将两只弹簧秤A和B的挂钩勾在一起，两只手分别拉两只弹簧秤。其中弹簧秤A的示数可一指出弹簧秤B对A作用力的大小，而弹簧秤B的示数可以指示弹簧秤A对B反作用力的大小。改变两手的拉力，观测两只弹簧秤的读数如何改变。
学生得出的结论:从弹簧秤A和B的读数可得作用力与反作用力大小相等；二者方向相反；作用在两个不同的物体上且作用在同一条直线上；都是弹力。
老师提问：要是两个弹簧秤一起运动，两弹簧秤的示数是否还相等呢？
学生演示回答：相等。把两只弹簧秤挂钩对挂后，一只与小车系在一起，手拉另一只使之在桌面运动，可以观察到两只的示数仍一样。
方法二：
将两辆小车放在桌面，且车尾与车尾接触，其中小车尾部安有弹簧，当手同时放开时，可观测到两辆小车相向运动，经过的位移几乎相同。
学生得出结论：小车受弹簧的作用而运动，同时也施加给弹簧一个反作用力，因为两辆小车同型号且同时放手运动位移相同，因此可得，作用力与反作用力大小相等，方向相反，作用在两个不同的物体上且作用在同一条直线上，都是弹力。
老师提问补充：从刚才同学的演示，能完全说明作用力与反作用力的大小相等吗？
学生：不能，有阻力等因素
老师：对了，因为有其他因素存在所以这一结论就不能站住脚，所以要把其他因素避免了再进行试验观测结果是否相同。这里因为条件没那么理想，我们一起来看一个视频，观察结果如何。
视频演示：两辆相同的小车在相对比较光滑的桌面，车尾相对接触。当手同时放开时，小车在弹簧的弹力下相向运动，通过测量小车的运动距离相同，得作用力与反作用力的大小相等。
老师：前面我们学会对物体进行受力分析，以及物体的运动规律，同学们从刚才的实验还能得出什么结论？
学生：小车从静止开始，受弹力作用而运动，当两车分开即弹簧伸为原长时，在较光滑的桌面小车做直线运动。弹簧对小车的作用力消失，小车对弹簧的反作用力也消失。
老师：这也就说明了
学生：作用力与反作用力的是同时产生同时消失的
方法三：
在两辆相同的小车上分别放置两块同型号的磁铁，当两车靠近时同时放开手，两车因车上磁极的相互吸引而相对运动至磁极靠拢。
学生得出结论：因为磁极之间相互作用，异名磁极相互吸引而使小车运动靠拢，说明作用力与反作用力大小相等，方向相反，分别作用在两个不同的物体上且作用在同一直线上，都是磁力。
老师补充说明：这里作用力与反作用力大小是不是跟上个小车实验相同，同样存在其他因素不确定性。因此只要消除其他因素进行实验来验证是否大小相等。那同学是利用异名磁极相吸进行试验，同名磁极呢？
学生：也可以，结论相同。让磁极相接触，同时放手，小车就会相向运动。和前面小车受弹力作用相同。
老师：很好，那从小车上面磁力之间的作用，二者是不是也是
学生：同时产生同时消失
方法四：
将两个气球对压，二者发生形变
学生得出结论：A球挤压B球使B球发生形变，同时B球也对A球有反作用是A球也发生形变，说明作用力与反作用力大小相等，方向相反，分别作用在不同的物体上且在同一直线，都是弹力。
老师提问：刚才说方向相反怎么得出？
学生：当把其中一球拿开时，形变就消失，把球挤压就发生形变，从形变的位置可以看出。
老师：恩，那大小呢？同学们说说大小可以知道相等吗？
学生：不可以
老师：是的，这个实验我们无法判断大小相等，也许有的同学会说观察形变是否想同，有没有这种现象呢？
学生：有
老师：但从现象中我们直观看到的是两个小球的形变不同。所以要做到形变相同的实验不容易操作的，也就是说这个实验的大小从直观上我们没办法知道。从刚才的同学的描述也说明了
学生：作用力与反作用力同时产生同时消失
设计意图：该汇报过程让学生展示成果，使他们感受到科学探究的乐趣、增强科学探索意识，激发学生的学习动机和兴趣。同时教师进行点评、学生讨论，将学生引向更深入的问题，引导学生观察要仔细、思考要全面，比如为了使实验更具有一般性，可以变化多种运动，重复实验。老师在听取学生汇报时也可以边用笔画把典型实验示意图画在黑板上，为后面分析实验、总结规律所用。
教师演示实验
老师：同学们的设计都很精彩，都充分表现了力的作用是相互的，也达到了探究的目的。老师这边再演示一个与大家不同性质的力的作用。
桌面上并排一些圆棒，在棒上铺一块三合板，把一遥控电动小车放在三合板上，观察小车向前运动而板向后运动，说明摩擦力的作用也是相互的。
老师：从前面的这些实验，我们可以归纳出什么规律呢？
学生：物体间的作用总是相互的；两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反，作用在一条直线上。
老师：很好，这就是我们今天学习的重点——牛顿第三定律
设计意图：该演示实验的目的是用来弥补学生实验中只讨论弹力、磁力的相互作用，加上摩擦力使归纳的物理规律更全面，体现规律的普遍性。由于学生前面自己实验总结，因此对规律的归纳并不难得出，在此老师前面画的实验示意图也可以帮助学生回忆、归纳。
解释现象、巩固提高
提出问题：既然两物体间的作用力与反作用力大小总是相等，为什么会出现这些情况：鸡蛋碰石头，总是鸡蛋破碎而石头不破；马拉马车时，车会往前运动而不后退。
学生：因为鸡蛋比石头脆弱，所以受到同样大小的力时鸡蛋会破碎，而石头不碎
老师：是的，这主要看所施加的力大小与物体的承受能力。鸡蛋破碎而石头不破，是因为鸡蛋可以承受的力小而石头可以承受的力大。而马车不后退，是因为马车所受马给车的力大于马车受地面的摩擦力，除此之外马车没有受到向后的力，故不会向后退。现在同学们能解释拔河比赛中为什么力气大的人能取胜了吧？
学生：拔河比赛中，人对绳子有拉力的作用，绳对人也有反作用。因此力气较大的人对绳子的拉力作用较大，即绳子所受两方人拉力的合力方向指向力气大的人一边，故力气大的一方就取胜。
设计意图：通过分析讨论使学生进一步明确两个物体间的作用力与反作用力总是相等，效果不同的原因还与物体本身的特性和物体受到其他力的情况有关，这就与牛顿的第一、二定律很好的结合起来。同时通过解释生活现象，再次使学生体会到物理与生活的联系，既体现了牛顿第三定律的应用，又澄清了对一些物理现象的模糊认识。
对比辨析、加深理解
提出问题：如果两个力大小相等、方向相反，作用在同一直线上，这两个力一定就是一对作用力与反作用力呢？
学生：不一定，还可能是平衡力
老师：很好，那到底一对平衡力与一对作用力、反作用有什么区别于联系呢？下面我们通过一个最简单的例子来分析。
一个球放在桌面上，受到哪些力呢？
学生：重力与支持力
老师：这两个力都作用在
学生：小球
老师：是什么关系呢？
学生：一对平衡力
老师：那么这个支持力有没有反作用呢？
学生：有，球对桌面的压力
老师：好，那重力有没有反作用力呢？
学生：有；没有
老师：有同学说没有，如果没有，那牛顿第三定律是不是就不成立了？
学生：……
老师：我们来回忆一下重力是怎样定义的？
学生：地球给物体的吸引所产生的，根据力是相互的，所以
学生：重力的反作用力就是物体对地球的吸引
老师：好，接下来我们先通过这个例子来对平衡力与作用力、反作用力进行比较一下。结合前面所学，大家一起来完成表格
关系 类 别 作用力和反作用力 平衡力
相同 大 小 相等 相等
方 向 相同,作用在同一条直线上 相同,作用在同一条直线上
不同 作用点 作用在两个不同的物体上 作用在同一个物体上
性 质 相同 不一定相同
效 果 不一定相同（不可抵消） 一定相同（可抵消）
产 生 同时产生同时消失 不一定同时产生同时消失
掌握平衡力与作用力、反作用力的区别与联系后，有助于对物理问题的正确分析与理解。
老师请两位同学做一个游戏，甲乙两同学用绳子牵着，先乙同学站着不动，甲去拉他，结果拉不动；后乙同学坐在轮椅上，甲再去拉他就拉动了。
学生解释原因，分析甲乙两个同学的受力及运动情况。区分出一对平衡力与作用力、反作用力。最后老师再进一步结合火箭上空的讨论再次对牛顿第三定律的应用。
设计意图：学生在初学时往往不易区分平衡力与作用力、反作用力，教师利用静止在桌面的这个例子，既简单，分析平衡力与作用力、反作用力又典型，同时结合上面实验探究中的例子引导学生讨论，使得学生较易理解。通过该内容的教学，教师可以引导学生自己辨析更能知其所以然，且克服学生中的被动行为。最后再举例应用加深理解，让学生在愉快的氛围中体会学习的乐趣。
【板书设计】：
一、作用力与反作用力的概念
在物理学中，物体间的这一对相互作用力叫做作用力与反作用力。我们可以把其中的任意一个力叫做作用力，则另一个力就叫做反作用力。
二、实验探究
1、学生实验
2、归纳总结：
牛顿第三定律：物体间的作用总是相互的；两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反，作用在一条直线上。
3、牛顿第三定律的应用
平衡力与作用力、反作用力的区别、联系及应用
关系 类 别 作用力和反作用力 平衡力
相同 大 小 相等 相等
方 向 相同,作用在同一条直线上 相同,作用在同一条直线上
不同 作用点 作用在两个不同的物体上 作用在同一个物体上
性 质 相同 不一定相同
效 果 不一定相同（不可抵消） 一定相同（可抵消）
产 生 同时产生同时消失 不一定同时产生同时消失