3.3 牛顿第三定律 教学设计 -2024-2025学年高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

3牛顿第三定律 目标素养 1．物理观念：知道二力平衡和牛顿第三定律的区别与联系。 2．科学思维：通过力传感器探究物体运动过程中相互作用力的关系。通过查阅资料认识“定律”的内涵，了解牛顿第三定律的适用范围。 3．科学探究：通过同学间掰手腕、拔河等活动理解力的作用是相互的。通过实例分析概括平衡力与相互作用力的不同之处。 4．科学态度与责任：通过应用二力平衡知识和牛顿第三定律分析实际问题，感受物理知识在实际生活中的应用。 重点难点 重点 1．相互作用力的关系。 2．应用牛顿第三定律分析问题。 难点 1．运动过程中物体间的相互作用力关系。 2．平衡力与相互作用力的区分。 教学准备 教师准备 1．力传感器一对（课前完成传感器软件的安装调试），加装磁铁后的力传感器一对，数据采集器，量程、最小分度相同的弹簧测力计一对，200g钩码一个。 2．儿童电动小汽车一辆。 3．两只充好气的大气球。 学生准备 复习二力平衡的知识。 导入新课 导入一（活动导入） 教师 请同学们前后两人一组掰手腕，说说在掰手腕过程中，自己的手和手臂的感受，并思考：两只手受到的力是谁施加的？这两个力之间有什么关系？ 学生 学生活动体验，并思考回答。 导入二（活动导入） 教师 请同学们起立，前后两人一组相对站立，双掌相对互推。说说互推过程中每个人 手和手臂的感受，并思考：每个人的手掌受到的力是谁施加的？这两个力之间有什么关系？ 学生活动体验，并思考回答。 导入三（实验导入） 教师 演示：如图所示，用手拉弹簧，弹簧发生形变。 提出问题：弹簧发生形变，是由于弹簧受到了手施加的拉力，手是否受到弹簧的拉力？如果受到拉力，这个拉力与弹簧受到手的拉力之间是什么关系呢？ 观察、思考并回答。 教学过程 环节一：相互作用力的大小关系 请同学们举例说明谁与谁是作用力和反作用力的关系，并说明它们的施力物体和受力物体分别是谁，并思考：两者之间是同时产生的吗？是否存在相互依赖的关系？ 学生学生思考并回答。 教师分析学生列举出的实例，归纳、概括得出作用力和反作用力的概念，并进行讲解：当一个物体对另一个物体施加了力，后一个物体一定同时对前一个物体也施加了力。物体间相互作用的这一对力，通常叫作作用力和反作用力。作用力和反作用力总是互相依赖、同时存在的。我们可以把其中任何一个力叫作作用力，另一个力叫作反作用力。 让一个同学演示用力挤压两个气球，学生一起观察现象，然后请同学来描述现象，并说明在气球被挤压过程中，两个气球之间的作用力与反作用力的大小关系。 学生学生观察、思考并回答问题：两个气球都有形变，而且增大压力时，两个气球的形变都增大，说明作用力与反作用力是相互的，两个力的大小始终相等。 展示鼓掌欢呼的图片，提出问题：两手同时相向运动拍击，说说两只手各自的感觉，若一手不动，一手运动拍击另一只手，再说说两只手各自的感觉。思考：这两个过程中，两只手之间的相互作用力的大小关系是否仍然分别相等？ 观察图片，体验拍手过程，思考问题后回答。 学生可能回答： 1．两只手互拍的过程，两手的感觉一样，两只手受力大小应相等。 2．一只手主动拍击另一只静止不动的手，对两手的感觉，有的同学回答相同，有的同学回答可能不一样，认为静止不动的手疼，受到的力大，主动拍击的手疼痛感弱一点，受到的力小一点。 3．两种情况中，两只手的感觉都一样，两只手受力大小都分别相等。 基于初中对作用力和反作用力的学习，我们知道气球间、手掌间的相互作用力大小是相等的，但有的同学可能还存在疑惑，或者并不是发自内心地接受这个结论。 比如这样的问题： （1）两个气球在挤压形变逐渐变大的过程中，这一对相互作用力是否一直相等呢？ （2）主动拍击的手受力真的和被打击的手受力一样大吗？如果一样大，那怎么还有“打人”和“被打”之说呢？ （3）两个力真的是同时产生、同时存在的吗？ （4）能否设计实验来证明相互作用的两物体之间的作用力和反作用力大小相等呢？ 设计意图 通过创设情境，引导学生回忆在初中已学过的关于相互作用力的知识，即大小相等、方向相反、作用在不同物体上，明确要研究的问题是作用力和反作用力的大小关系。让学生思者不同的情境中，尤其是运动状态不同时，作用力和反作用力的大小是否还相等，暴露学生的前概念，并邀发学生寻求证据的意识。 环节二：实验探究相互作用力的大小关系 学生.分组讨论验证相互作用力的大小关系的方法。 教师请同学们交流设计方案，表述清楚需要的实验器材和简要的实验步骤。 学生.各自发表意见。 方案1：利用两只弹簧测力计，连接在一起，分别拉动，测量两个力的大小，进行比较。 方案2：利用两只力传感器，连接在一起，分别拉动或者挤压，在电脑上展示出两个力的数值或图线，进行比较。 教师 在前面的分析中，同学们可能针对某一个实际情境中，作用力和反作用力的大小是否相等还存在疑惑，大家在设想实验方案的时候是否考虑到针对哪些情境呢？也就是验证在哪些具体情境中，两个力的大小也是相等的？请再次思考，然后回答你要探究哪种情境中的两物体间的作用力的关系，并简要说明需要用到的实验器材。 学生.各自发表意见。 情境1：两物体均静止时，探究两物体间相互作用力的大小关系。 情境2：两物体均静止，在两物体间相互作用力逐渐变大的过程中，探究两力之间的大小关系。 情境3：两物体一个静止、一个运动，探究两物体间相互作用力的大小关系。 情境4：探究两个磁体之间相互作用力（磁场力）的大小关系。 情境5：两个质量不等的物体发生碰撞的过程中，探究两物体间相互作用力的大小关系。 教师 介绍传感器的使用，并分析说明：如果探究静止物体间的作用力，用弹簧测力计或传感器均可；如果探究运动的物体之间的作用力，用弹簧测力计不易操作，也不易读数，用传感器比较方便。请每组同学相互配合，进行下面的实验探究。 思路一 实验：用弹簧测力计探究作用力和反作用力的关系 实验装置：两个弹簧测力计。 实验步骤：如图所示，把A、B两个弹簧测力计连接在一起，B的一端固定，用手拉测力计A。读出并记录两个测力计的示数F与F＇。 实验结论： 。 思路二 实验：用力传感器探究两个物体间的相互作用力大小发生变化的过程中，作用力和反作用力的关系 （1）用两个力传感器对拉，探究两个直接相互作用的拉力在大小发生变化的过程中的关系。实验装置：两个力传感器（如图所示）。 实验步骤： ①将力传感器接入数据采集器并调零，设置图像显示信息。 ②两位同学各持一个力传感器，互相连接。一个人静止，另一人用大小变化的力拉动传感器。观察图像的变化情况。 实验结论： 。 （2）用力传感器探究质量不等的物体碰撞过程中，作用力和反作用力的关系。 实验装置：力传感器（亦可在起吊导轨上用滑块代替小车进行实验）。 实验步骤： ①将力传感器接入数据采集器并调零，设置图像显示信息。 ②对力传感器的探头端进行改造，增大面积，方便碰撞，然后分别固定在质量不等的小车上，让两车相对运动（如图所示），发生碰撞。观察图像的变化情况。 实验结论： （3）用力传感器探究磁极间作用力和反作用力的关系。 实验装置：如图所示。 实验步骤： ①在力传感器的受力端固定强磁体，接入数据采集器并调零，设置图像显示信息。 ②一位同学双手各持一个同名磁极传感器，相隔2cm。分别演示静止状态、用力将一传感器沿两磁极连线靠近的过程。观察图像的变化情况。 实验结论： 。 组织学生交流实验过程和结果。 学生 交流实验过程和结果，以思路二实验（1）的情况为例，讨论如下： 实验获取图线如图所示，由图像可知： 1．两个力的方向是什么关系？ 2．两个力的大小是否每时每刻都是相等的？是否是同时产生，同时消失的？ 3．在物体运动的过程中，作用力和反作用力是否是相等的？ 教师］小结实验情况，从图像可以看到，两物体无论是静止还是在运动的过程中，无论是弹力还是磁场力，尽管力的大小随运动时间不断变化，但在运动中的任何时刻，作用力和反作用力总是大小相等、方向相反的，与物体的运动状态无关。 另外，弹力的反作用力是弹力，摩擦力的反作用力是摩擦力，磁场力的反作用力是磁场力，电场力的反作用力是电场力，即作用力与反作用力是同一性质力。 设计意图 引导学生针对自己还存在理解障碍的前概念设置探究问题，以帮助学生对不同情境、不同运动状态下物体间作用力的大小关系有感性的认识，以突破理解难点和纠正错误的前概念，让学生树立证据意识。 环节三：牛顿第三定律 教师布置阅读任务，反思学习过程中还存在的问题。 学生阅读教材，整理笔记，之后互相交流。 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，作用在同一条直线上。 表达式：，负号表示作用力和反作用力的方向相反。 教师强调“总是”指该定律对宏观物体在所有低速运动状态下都适用。 定律是对客观规律的一种表达形式，是通过大量具体事实归纳而成的结论，而事实是无穷尽的，不可能一一验证。牛顿第三定律也有一定的适用条件，并不是任何情况下都能成立。牛顿第三定律适用于宏观物体做低速运动的情况，对不适用的情况将在以后学习。 让学生通过阅读教材，学习牛顿第三定律的具体内容，目的是给学生一定的时间，将课堂实验的现象能够与理解牛顿第三定律的内容活动相结合，以促进学生感性认知与理性思考的结合。同时通过对定律的介绍和对牛顿第三定律适用条件的一个简要提示，为学生的学习留下一个开口，也让学生用发展的眼光看待前人的研究成果。 环节四：物体受力的初步分析 例1 如图甲所示，一个木块静止在粗糙斜面上，请分析木块的受力情况，并画出它的受力示意图。 解析 我们按重力、弹力和摩擦力的顺序来分析它的受力情况。木块受到重力G，方向竖直向下；木块和斜面接触并相互挤压，木块受到垂直于斜面向上的弹力假设木块和斜面之间没有摩擦，木块就会向下滑动，由此可以判断，静止的木块相对斜面有向下滑动的趋势，所受的静摩擦力F1是沿斜面向上的。 答案 如图乙所示 例2 如图甲所示，一台加湿器置于水平地面上，当加湿器水平向左喷出水汽时仍保持静止不动，下列判断正确的是 ( ) A．加湿器受到5个力作用 B．加湿器受到6个力作用 C．与加湿器有关的相互作用力有2对 D．与加湿器有关的相互作用力有4对 解析 加湿器受到地球的重力G，地面的支持力，喷出的水汽对加湿器的作用力F，地面对加湿器的静摩擦力，如图乙所示。每一个力都有反作用力。重力G的反作用力是加湿器对地球的引力；地面的支持力的反作用力是加湿器对地面的压力；喷出的水汽对加湿器的作用力F的反作用力是加湿器对喷出水汽的作用力；地面对加湿器的静摩擦力的反作用力是加湿器对地面的静摩擦力。D正确。 答案 D 例3 一个箱子放在水平地面上，箱内有一固定的竖直杆，在杆上套着一个环，箱与杆的总质量为M，环的质量为m，如图甲所示。已知环沿杆匀加速下滑时，环与杆间的摩擦力大小为，则此时箱子对地面的压力大小为多少？ 答案 研究方法：隔离法 以环为研究对象对其进行受力分析。 环受到重力mg和杆对环的向上的摩擦力，如图乙所示。 以箱子为研究对象对其进行受力分析。 箱子受到重力Mg、支持力环对杆的向下的摩擦力Fí，如图丙所示。 箱子受到地面的支持力 依据牛顿第三定律，箱子对地面的压力大小 设计意图 学生在分析此类问题时很容易认为，而不会从相互作用力的角度分析环对杆的力，此处可以指导学生先应用隔离法分析小环的受力情况，再根据相互作用力的特点判定环对杆的摩擦力的方向。 核心总结 1．平衡力和相互作用力的区别 （1）相互作用力一定是同性质力，平衡力则不一定； （2）相互作用力一定同时存在、同时消失，平衡力则不一定； （3）平衡力作用在同一物体上，相互作用力一定作用在不同物体上。 2．受力分析的一般步骤： （1）明确受力分析的对象； （2）根据力的产生条件，按照重力、弹力和摩擦力的顺序分析物体受到的力； （3）结合物体的运动状态判断这些力是否真实存在； （4）只画出研究对象受到的力，而不画出研究对象作用于其他物体的反作用力。 学科网（北京）股份有限公司 $$