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《力與運動》教師備課準備

來源:不詳       更新時間:2013-4-7 12:59:07
 
    1.知識概念的把握
  
  對牛頓第一定律的認識
  
  牛頓第一定律指出:“一切物體在沒有受到外力作用的時候,總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,直到有外力迫使它改變這種狀態為止.”這條定律包含著兩個重要的概念:1.定律說明了力和運動的關系,物體的運動并不需要力去維持,只有當它運動狀態發生變化時,才需要力的作用.2.定律說明物體具有能夠保持靜止狀態或勻速直線運動狀態的性質,物理學中,把物體這種固有的、保持原來運動狀態不變的特性叫做慣性.
  
  牛頓第一定律科學地說明了力和慣性這兩個概念,正確地解釋了力和運動的關系,是物理學中一條基本定律.然而,不少的人對這條定律還存在一些錯誤的看法,歸納起來有如下幾方面:
  
  其一:“牛頓第一定律本身就是唯心的,因為在自然界中不受外力作用的物體是找不到的”.
  
  應該認為:牛頓第一定律是從大量天文觀察中間接推導出來的結論,是物體運動所遵循的規律的抽象概括.由于完全不受其它物體作用的孤立物體實際上并不存在,所以牛頓第一定律不能簡單地按字面意義用實驗直接加以驗證.但是,許多簡單的事實都可以幫助我們理解定律的含義.例如我們沿水平地面拋出一個石塊,地面越平滑,即地面對石塊的摩擦力越小,則石塊滑行越遠,也就是說石塊的速度變化越慢.又如在天文觀察中,我們可以看到一種彗星,當它遠離其它各星體時,即當其它各星體對它的引力極小時,它的速度就幾乎保持不變.第一定律的正確性主要是由它所推出的結論和實驗事實符合而得到證明的.
  
  其二:“牛頓第一定律是牛頓第二定律的特殊情況,若物體運動的加速度為零,第二定律就變成了第一定律,所以第一定律可有可無.”持這種意見的人,首先是不了解牛頓第一定律在牛頓運動三定律中的邏輯地位.他們說:牛頓本人是精通數學的,他未必沒有發現第一定律和第二定律由數學形式上說存在著上述“隸屬關系”.但他仍然堅持要用三條定律來描述力學規律,并且把第一定律置于首位,顯然是經過深思熟慮的.那么,牛頓第一定律的邏輯地位是什么呢?可以這么說,它是第二定律的基石或出發點,沒有第一定律為前提,也就沒有第二定律.理由有二:
  
  (1)第一定律說明維持物體的速度不需要力,改變物體的速度才需要力.這就給力的科學定義的產生創造了條件.第二定律是在力的科學定義的基礎上建立的.
  
  (2)第一定律在揭示出慣性的普遍存在后,給力學體系選擇了一類特殊的參考系──慣性參考系,而第二定律就是在慣性參考系中建立的.
  
  另外,由這兩個定律的直接相互關系來看,也不能說它們之間是特殊情況隸屬于一般情況的簡單隸屬關系.因為第一定律揭示出,當物體不受力時,一切物體都毫無差別地表現出慣性;而第二定律則揭示出,一當物體受力(無論它多么小),不同的物體就表現出不同的慣性。如果我們不知道物體在不受力的情況下處于怎樣的運動狀態,要研究物體在力的作用下將作怎樣的運動,顯然是不可能的.所以牛頓第一定律是研究力學的出發點,是不能用牛頓第二定律代替的.
  
  其三:“牛頓第一定律應當表述為物體在平衡力的作用下,保持靜止或勻速直線運動的狀態.”
  
  在我們所遇到的實際問題中,保持靜止或作勻速直線運動的物體確實不是不受外力,而是它所受的外力互相平衡了.例如桌子上放著的物體處于靜止狀態,是由于物體所受的重力跟桌面對它的支持力互相平衡.作勻速直線運動的飛機,是由于飛機所受的重力、發動機產生的牽引力、空氣對它的升力和阻力等互相平衡.也就是說,一切物體在平衡力的作用下,是保持靜止和勻速直線運動狀態的.這個結論,我們在討論了牛頓第二定律以后可以看到,它不是一個獨立的規律,而是牛頓第二定律的一種特殊情況,當然也就不能用它來取代牛頓第一定律.
  
  其四:“由牛頓第一定律可以推知,轉動物體存在著轉動慣性.”
  
  應該認為:牛頓第一定律里所談的物體,指的是質點.也就是說,慣性是指質點的慣性,或物體作平動時的慣性.對于轉動的物體來說,也是存在著慣性的,但和這里所說的慣性不是一回事.由牛頓第二定律可以知道,質點的慣性是用質量來量度的,質量大,慣性大.而轉動物體的慣性是用一個叫做轉動慣量的物理量來量度的.質量的大小是跟物體的形狀無關的,而轉動慣量的大小跟物體的形狀有關.比如柴油機的飛輪,靠近邊緣部分做得比較厚,靠近轉軸

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