1、Vol.41No.10物理实马验物理教学探讨对“弹簧测力计对拉实验”的思考2023年第1 0 期黄德斌中山市第二中学，广东东中山528400摘要：对多个版本高中物理教材中“牛顿第三定律”一节课引入的探究实验一一“弹簧测力计对拉实验进行深入分析，讨论该实验的原理和探究过程，并对探究作用力与反作用力的大小关系的实验教学提出建议。关键词：作用力；反作用力；弹簧测力计；牛顿第三定律中图分类号：G633.7用“两个弹簧测力计相互对拉实验”来探究一对作用力与反作用力的大小关系，是多个版本高中物理教材在“牛顿第三定律”一节课中引入教材版本实验装置示意图BAK人教版（2 0 1 9B年版）必修一粤教版（2 0
2、 1 9年版）必修一教科版（2 0 1 9年版）必修一沪科教版（2 0 1 9年版必修一收稿日期：2 0 2 3-0 7-0 8基金项目：广东省中山市2 0 2 2 年度立项课题“导引式教学在高中物理模型建构中的应用研究”（C2022136)。作者简介：黄德斌（1 9 8 6-），男，中学高级教师，主要从事高中物理教学工作。文献标识码：A表1 不同版本教材的“弹簧测力计对拉实验”内容弹簧测力计B的一端固定，用手拉测力计A，观察测力计的FAF乙甲CAB文章编号：1 0 0 3-6 1 4 8(2 0 2 3)1 0-0 0 4 5-4的一个探究实验。对于这个实验的操作过程和问题讨论，不同版本教材
3、的处理稍有不同，如表1所示。实验过程示数。在水平桌面上把两个弹簧测力计甲、乙的挂钩钩在一起。改变实验条件：（1)固定弹簧测力计乙的一端，用手拉弹簧测力计甲；(2)甲、乙都不固定，用手在水平桌面上相互对拉甲、乙。在水平桌面上把两个弹簧测力计A和B的挂钩钩在一起，弹簧测力计B的另一端固定，再用手缓慢拉弹簧测力计A的另一端。一个男孩和一个女孩之间加上两个同样的弹簧测力计，让他们对拉比力气。改变实验条件：(1)让女孩“主动 拉男孩；(2)让男孩“主动 拉女孩；(3)双方同时施加拉力；(4)让男孩穿上溜冰鞋站在水泥地上，女孩站在草地上对拉。提出的问题B受到A的拉力F两弹簧测力计和A受到B的拉力的示数是相
4、等F有什么关系？的。甲、乙的指针同观察两测力计指针时移动；稳定后移动情况及示数变两测力计指针化情况。的示数都相同。观察这时两个弹簧没有具体描述测力计上的示数情实验的结果。况。(1)观察不同条件下测力计的示数；(2)如果把一个测力计的一端固定在墙两个测力计的上，用手拉另一个测示数总是相同力计，两个测力计的的。示数也相等吗？-45-实验结果无论是一方“主动施力，还是双方同时施力，2023年第1 0 期从表1 可以看出，无论是怎样的实验操作过程，实验的目的都是通过这个实验来探究作用力与反作用力的大小关系，并利用“两弹簧测力计的示数相等”这个结果来说明作用力与反作用力的大小是相等的。在表1 所述的实验
5、过程中,两个弹簧测力计的示数相等,真的能说明作用力与反作用力的大小总是相等的吗？对这个问题,笔者进行以下讨论。1“弹簧测力计对拉实验 的分析表1 所列出的不同实验过程涉及两弹簧测力计在不同运动状态下的对拉实验，概括起来有三种情况，分析如下。1.1平衡状态下的“弹簧测力计对拉实验”分析粤教版教材对实验结果的描述强调“稳定后两测力计指针的示数是相等的”。稳定后，弹簧测力计处于平衡状态，为了讨论方便，将两弹簧测力计简化为两根水平连接的弹簧，如图1 所示。FAFAFAB?图1 平衡状态下的弹簧测力计对拉实验原理图在两根弹簧都静止的情况下，讨论图1 中各个力的大小：由平衡条件,把弹簧A,B看成整体，有
6、Fi=F2;对弹簧A，一端受到弹簧B对其的拉力FBA,另一端受到拉力 FiI,大小关系为FBA=Fi;对弹簧B，一端受到弹簧A对其的拉力FAB,另一端受到拉力F2,大小关系为FAB=F2。由此可以推理得出FAB=FBA，可见，此时两弹簧的弹力大小是相等的。所以，在平衡状态下，两个对拉的弹簧测力计稳定后的示数一定是相等的,FAB与FBA是一对作用力与反作用力。1.2一起做变速运动状态下“弹簧测力计对拉实验”的分析若对拉的两个弹簧测力计一起做变速运动，简化的原理图如图2 所示，A,B为两根相同的弹簧,设其质量均为m,在外力Fi,F的共同作用下,加速度均为。由牛顿第二定律计算各个力的大小：对弹簧A,
7、B整体,有 F2-Fi=2ma;对弹簧A,有 FBA-Fi=ma;对弹簧B,有 F2-FAB=ma。由此可以推理得出-46-物理教学探讨F+F2,可FAB=FBA=可见，在两弹簧一起运动的情况2下,两个弹簧测力计的示数也应该是相等的。FAFAWFBABF2FABWW图2 一起做变速运动的弹簧测力计对拉实验原理图1.3两弹簧测力计不同加速度状态下的“弹簧测力计对拉实验分析若两个对拉的弹簧测力计具有不同的加速度,简化的原理图如图3 所示。A,B为两根相同的弹簧,设其质量均为m,在外力Fi,F2的作用下,A的加速度大小为i,方向向左,B的加速度大小为a2,方向向右。FAB一BF2FBABVol.41
8、 No.10BF2F2FAFBABF2FAB?WWF2图3 不同加速度状态下的弹簧测力计对拉实验原理图实际中，由于弹簧测力计挂钩连接处不可伸长，当两弹簧分别向不同方向运动时，弹簧的长度会一直处于变化当中，其示数不稳定，难以测量和讨论其大小的瞬时对应关系。为此，我们假设图3 中弹簧连接处的长度可以变化，两弹簧运动过程中，其加速度大小不变，两弹簧测力计的示数恒定，在这个条件下讨论图3 中各个力的大小：以水平向右为正方向，由牛顿第二定律得，对弹簧A,B整体,有 Fz-Fi=-mai+ma2;对弹簧 A,有FBa-Fi=-mai;对弹簧 B,有 F2-FAB=ma2。由此仍可推理得出FBA=FAB，可
9、见，两弹簧加速度不相等的情况下，对拉的两个弹簧测力计的弹力大小也是相等的。综上所述，无论弹簧测力计处于平衡状态还是非平衡状态，从理论上分析，对拉的两弹簧测力计示数都是相等的。究其原因，是上述推理过程均用了整体法，把两个弹簧测力计看作整体后，两个弹簧测力计之间的相互作用力属于系统的内力，而用牛顿第二定律的整体法分析系统的运动时，强调的是ZF=Zm（Z F,为系统所Vol.41No.10受外力的矢量和），那么，是不是应用牛顿第二定律的整体法时，本身就默认了系统相互作用的内力是大小相等、方向相反的，所以才都得到了FBA=FAB的结论？如果是这样，是不是先有作用力与反作用力总是大小相等、方向相反这个基
10、础，才有整体法应用牛顿第二定律时的ZF=Zm,呢？其实，牛顿运动定律是在引人力的概念后，动量守恒定律的推理。牛顿的自然哲学之数学原理(以下简称原理)一书中,对牛顿第二定律的描述为“运动的变化正比于外力，变化的方向沿外力作用的直线方向”2 。“运动的量 是现代意义的“动量”,力的大小为F=是(mu)。应dt用牛顿第二定律分析系统的力与运动关系时，不需要分析系统内力，其根本原因是系统内部的相互作用不会改变系统的总动量，外力的量和等于系统内各个物体的动量对时间的变化率,对多个物体组成的系统,有ZF=量（Zmui),所以才有ZF=Zmao2又对牛顿第三定律实验教学的思考与改进原理中对牛顿第三定律的描述
11、为：“每一个作用都有相等的反作用”，并指出：“作用造成的物体运动的量的变化是大小相等、方向相反的”“运动的量是运动的度量，可由速度和物质的量共同求出”2 。可以看到，牛顿第三定律强调的是“在物体间存在相互作用时，作用造成物体的运动变化是相等的”。“运动的变化 即物体“动量的变化”。对于高一的学生来说，显然是在没有学习过“动量”这个概念的前提下学习牛顿运动定律的，但通过对牛顿第一定律和牛顿第二定律的学习，学生对“力与运动的关系”的认识是清楚的。2.1按探究相互作用力关系的实验设计思路牛顿第三定律探究实验的教学，可以在学生学习了牛顿第一定律、牛顿第二定律的基础上，沿着“力与运动的关系”这条主线进行
12、教学设计，思路如图4 所示。2.2扶探究作用力与反作用力大小关系的实验方案及分析按图4 的思路，设计的实验方案如下。物理教学探讨由牛顿第一定律可知，力是物体运动状态改变（物体速度改变）的原因，即力是使物体产生加速度的原因。由牛顿第二定律可知，通过测量物体的加速度和质量，可以求得物体所受的合外力。力的大小可以这样求出：F=ma,即F=m力是一个物体对另一个物体的作用，对存在相互作用力的两个物体，可以通过测量其质量、相同时间内速度的变化量来探究两个物体间作用力与反作用力的关系。利用力传感器，观察两物体在相互作用的过程中，作用力与反作用力的瞬时对应关系。dt图4 牛顿第三定律探究实验的设计思路实验一
13、：探究两滑块在水平气垫导轨上碰撞的过程中，相互作用力的关系。实验仪器：两个滑块（含挡光片）、光电计时器、气垫导轨、刻度尺等。实验原理：两滑块在水平气垫导轨上发生碰撞的过程中，在水平方向上,两滑块之间仅存在相互作用的力，如滑块1 受到滑块2 的作用力，速度发生了改变。因此，可以通过测量两滑块的质量及碰撞过程中速度的变化量,代人 F=m会来探究滑块之间的相互作用力的大小关系。实验步骤：(1)在两滑块上安装挡光片、滑块前端安装弹簧片，测量两滑块的质量和挡光片的宽度。如图5 所示，滑块1 的质量mi=0.223kg，滑块2 的质量m2=0.275kg,挡光片的宽度为0.0 3 m(计时器设置为从图5
14、所示的挡光片第一次挡光开始计时，再次挡光停止计时）。滑块2滑块10.223kg图5 滑块的质量和挡光片的宽度2023年第1 0 期(At0)。0.03m0.275kgB275档光片-47-2023年第1 0 期(2)按图6 所示安装实验装置后，调节气垫导轨水平。光电门传感器挡光片滑块2滑块气垫导轨图6 探究两滑块在气垫导轨碰撞过程实验装置(3)接通光电计时装置，将两滑块分别置于气垫导轨两端，气垫导轨正常工作后，同时轻推两个滑块，两滑块分别经过两个光电门后发生碰撞，碰撞后两滑块弹开，速度均反向，再次分别经过两光电门，计时器记录滑块上的挡光片经过光电门时的挡光时间。(4)重复步骤(3),得到多组数
15、据。实验结果：某次测量得到的一组数据如表2所示。表2 两滑块在气垫导轨碰撞前、后的实验数据滑块2碰撞前挡光时间(s)0.049 73碰撞后挡光时间(s)0.069 31碰撞前、后滑块的速度变化量（单位：m/s，以滑块1 碰撞前的运动方向为正方向）碰撞前后，滑块1 和滑块2 的质量与速度变化乘积分别为miAui=-0.230kgm/s,m2v 2=0.231kgm/s,对两个滑块来说，碰撞过程相互作用的时间是相等且极短的,设为t(t 0),由此可以得到m2,即 F2u=-Fi2。由At于t0,可以认为，在两滑块发生碰撞相互作用过程中，两滑块之间的相互作用力大小是相等的。利用该实验装置还可以设计不
16、同的实验情境（如不同的碰撞类型)进行探究，限于篇幅，本文只列举以上一个实验方案。上述实验过程测到的是在极短时间内相互作用力的平均值。利用力传感器，可以进一步观察碰撞过程中作用力与反作用力的瞬时对应关系。实验二：利用力传感器观察碰撞过程中，物体间作用力与反作用力的瞬时对应关系。实验装置如图7 所示，实验时，将其中一个-48-物理教学探讨力传感器固定，手持另一个力传感器与之多次碰撞。通过数据采集器，可以在计算机上显示碰撞过程中，两个力传感器之间的相互作用力的瞬时对应关系，结果如图8 所示。图7 用力传感器探究碰撞过程中的相互作用力关系滑块10.085 800.060 78-1.030.84-m2V
17、ol.41 No.10图8 用力传感器探究碰撞过程中的相互作用力关系的结果3结语用滑块在气垫导轨上碰撞来探究相互作用力的大小关系，是在学生没有学习过“动量”的背景下进行的。在教学中可以先不提“动量”这个概念，但实验的教学设计始终沿着“力与运动的关系”这条线索进行，通过分析物体运动的变化来探究其受力的情况。学生经历这样的探究过程后，不会觉得牛顿第三定律就只是讲了“作用力与反作用力大小相等、方向相反”这么简单。这样进行教学设计，可以进一步加深学生对“力与运动关系”的认识的同时，也为今后学习“动量”内容打下良好的基础。另外，将来学生有机会进行更深入的学习，讨论电磁相互作用时，可以认识到“作用力与反作用力大小总是相等”这个结论在有些电磁相互作用的过程中并不成立，需要考虑“场”的动量，描述物理过程更本质的规律是动量守恒定律和能量守恒定律。参考文献：1漆安慎，杜婵英.普通物理学教程：力学 M.北京：高等教育出版社,1 9 9 7:6 3.2牛顿.自然哲学之数学原理 M.王克迪,译.北京：北京大学出版社,2 0 0 6:8-9.刘荣）(栏目编辑
