王偉偉++王中宇

摘 要：牛頓第二定律的內(nèi)容是物體的加速度跟物體所受的合外力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向始終與合外力的方向一致。牛頓第二定律的瞬時性是指物體的加速度與合外力同時產(chǎn)生、同時變化、同時消失。應用牛頓第二定律的瞬時性解決彈簧和繩連接物的問題，在各類考試試卷中屢見不鮮。本文結(jié)合筆者的物理教學實踐，介紹如何運用DIS實驗突破這一教學難點。

關(guān)鍵詞：牛頓運動定律；瞬時性；彈力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）12-0050-2

1 典型例題

如圖1，A、B兩個質(zhì)量均為m的小球之間用一根輕繩（不計質(zhì)量）連接，并用輕彈簧懸掛在天花板上，兩小球均保持靜止。若用火將細繩燒斷，則在繩剛斷的這一瞬間，A、B兩球的加速度大小分別是多少？

學生的困惑：火將細繩燒斷瞬間，彈簧和繩子的彈力都會發(fā)生變化，具體是怎樣的情況根本說不清楚。

設計DIS實驗解決困惑：為了更好地理解繩和彈簧彈力在突變時的特點，運用DIS的通用軟件設計演示實驗，通過實驗圖像的對比，讓學生更好地理解這一難點。

實驗器材 兩個力傳感器，計算機，數(shù)據(jù)采集器，鐵架臺（帶鐵夾），細線，彈簧，50克的鉤碼，剪刀或者打火機。

實驗過程

（1）組裝成如圖2的實驗裝置示意圖。

（2）開啟電源，運行DIS（朗威）應用軟件，進入“通用軟件”界面。

（3）點擊“組合圖線”，然后點擊“添加圖線”，X軸選時間，左Y軸選擇F1，圖線顏色選“紅色”，線性選擇“實線”。

（4）再點擊“添加圖線”，X軸選時間，左Y軸選擇F2，圖線顏色選“黑色”，線性選擇“實線”。

（5）點擊“調(diào)零”，然后點“開始”實驗。

（6）燒斷細線，兩個傳感器分別記錄彈簧彈力和繩彈力隨時間變化的情況。

（7）然后利用圖線控制調(diào)整圖線的大小。

（8）通過實驗圖像（圖3）的對比，得出實驗結(jié)論。

實驗注意事項

鉤碼的質(zhì)量大一些，細繩的彈性要小。

彈簧和細繩的彈力隨時間變化的圖像（圖3）。

2 實驗結(jié)論

兩個力在同一坐標系下的圖像對比，得知在細繩燒斷瞬間，彈簧的彈力（紅色圖線）還未變化，而繩子的彈力（藍色圖線）已經(jīng)變化。所以在處理實際問題時，建立如下兩種模型：

（1）“輕繩”模型：輕繩的重力可忽略，發(fā)生形變產(chǎn)生彈力。若斷后，其中彈力立即消失。

（2）“輕彈簧”模型：輕彈簧的重力可忽略，因其發(fā)生形變需要一定時間，其彈力不能發(fā)生突變，但當彈簧和橡皮筋被剪斷瞬間，其所受的彈力可以看成不變。

3 說 明

在動力學問題中，物體受力情況在某些時候會發(fā)生突變。根據(jù)牛頓第二定律的瞬時性，物體受力發(fā)生突變時，物體的加速度也會發(fā)生突變，突變時刻物體的狀態(tài)稱為瞬時狀態(tài)。分析某一時刻的瞬時加速度，要分兩步，先明確瞬間前物體所受各力的大小和方向；再明確瞬間后哪些力不變，哪些力突變，即分析瞬時前后的受力情況及運動狀態(tài)，再由牛頓第二定律求出瞬時加速度。

通過DIS實驗，讓學生更好地理解繩和彈簧彈力的區(qū)別，進而學會處理瞬時性問題。

參考文獻：

[1]高中物理拓展型課程Ⅰ第一冊（試用本）[M].上海：科學技術(shù)出版社，2007.

[2]上海市中學物理課程標準[M].上海：上海教育出版社，2004.

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（欄目編輯 王柏廬）