物理教学专题研究期末论文牛顿三大定律的研究班级:13应用物理班姓名:高洋学号:134090152摘要:牛顿在伽利略等人工作的基础上进行深入研究,总结出了物体运动的三个基本定律:①任何物体在不受外力或所受外力的合力为零时,保持原有的运动状态不变,即原来静止的继续静止,原来运动的继续作匀速直线运动.②任何物体在外力作用下,运动状态发生改变,其动量随时间的变化率与所受的合外力成正比.通常可表述为:物体的加速度与所受的合外力成正比,与物体的质量成反比,加速度的方向与合外力的方向一致.③当物体甲给物体乙一个作用力时,物体乙必然同时给物体甲一个反作用力,作用力和反作用力大小相等,方向相反,而且在同一直线上.这三个非常简单的物体运动定律,为力学奠定了坚实的基础,并对其他学科的发展产生了巨大影响.第一定律的内容伽利略曾提出过,后来R.笛卡儿作过形式上的改进,伽利略也曾非正式地提到第二定律的内容.第三定律的内容则是牛顿在总结C.雷恩、J.沃利斯和C.惠更斯等人的结果之后得出的.牛顿三定律是适用于宏观低速物体的力学定律,在量子力学问世之前统治着力学研究的领域,同时牛顿三定律也是研究经典力学的基础。在现实生活中对牛顿定律的理解可以解决大部分宏观低速世界中的运动问题,同时牛顿三定律也是支撑初高中物理教学中力学部分支柱知识,研究认识牛顿三定律也可以为以后教师教育工作打下基础。本文通过在云南师范大学实验室的实验和现实生活中简单易解决的问题来验证和研究其定律,规律。分析其适用范围给出相应的研究数据。关键词:牛顿;运动;宏观低速规律1牛顿三大定律的解释1.1牛顿第一定律内容:在受到其他物体作用力影响之前,任何物体都会保持它原有的运动状态既静止或匀速直线运动。说明:牛顿第一定律又称惯性定律,惯性与物体本身质量相关,属于一种物体本身属性惯性表现为物体在受到外力的时候改变其现有运动状态的难易程度。同理,一个物体质量越大要改变其现有运动状态越难,质量越小改变其现有运动状态越容易。牛顿第一定律阐明了力的概念,指出了是力改变了物体的运动状态。而不是维持物体匀速持续运动的原因。力和加速度联系,而不是和物体当前所保持的速度联系。且惯性定律与楞次定律有相同的理解,一个物体的惯性总在阻碍力改变其当前状态。注意:牛顿第一定律是判断物体是否在惯性参考系里运动的依据,如果一个物体在非惯性参考系中运动,牛顿第一定律不成立。PS:非惯性参考系(非惯性系)就是能够对同一个被观测的对象施加作用力的观测参照框架和附加非线性的坐标系的统称。非惯性系的种类无穷多。在经典力学中,任何一个使得“伽利略相对性原理”失效的参考系都是“非惯性参考系”。例如,一个加速转动的参考系;一个加速振动的参考系;一个随机任意加速运动的参考系;等等。即任何一个使得牛顿第一定律和牛顿第二定律不再成立的参考系。在经典电动力学中,任何一个使得“爱因斯坦相对性原理”失效的参考系,任何一个使得洛仑兹电磁作用力定律F=qE+qv×B,或者麦克斯韦方程组不再成立的参考系都是“非惯性参考系”。1.2牛顿第二定律内容:对一个物体持续施加合外力,该物体的运动会产生加速度,加速的方向与合外力的方向相同,加速度大小和合外力大小成正比,与该物体的质量大小成反比。说明:牛顿第二定律描述了力的效果而第一定律描述的是力的作用,牛顿第二定律物理教学专题研究期末论文公式为F=ma,将其变形可以写成m=F/a或者a=F/m。可以看出牛顿第二定律的特点。第一该式为矢量式,力和加速度为矢量,质量为标量。第二该式可通过合外力和加速度算出物体质量的大小,所以其定量的量度了物体惯性的大小。第三该式中没有t(时间),可以说明力不会随着时间的增加和变化,并且是瞬时关系。物体在真空中做自由落体运动,由于重力为合外力物体下落过程中只受重力G=mg,加速度a=F/m=g。该物体在下落过程中任何时候都受到了相同的加速的。所以在相同的间隔当中,物体下落速度的改变量是相同的。注意:在非惯性参考系中牛顿第二定律不成立。PS:非惯性参考系详见牛顿第一定律解释。1.3牛顿第三定律内容:物体A在对物体B施加作用力的同时自身受到物体B对物体A施加的反作用力,这两个力大小相等,方向相反,在同一条直线上。说明:要改变一个物体的运动状态必须有相互作用,物体之间的相互作用通过力来体现。其次第一作用力和反作用力是没有主次、先后之分。同时产生、同时消失。第二这一对力是作用在不同物体上,不可能抵消。第三作用力和反作用力必须是同一性质的力。2对牛顿三大定律的验证及探究实验结果2.1对牛顿第一定律的验证及探究内容:在云南师范大学物电学院力学试验室通过两个实验验证牛顿第一定律。在云南师范大学足球场跑道验证牛顿第一定律的应用。实验一:气垫导轨实验。其目的在于验证力是改变物体当前运动状态的条件。实验仪器:1.气垫导轨(气垫导轨是一种现代化的力学实验仪器。它利用小型气源将压缩空气送入导轨内腔。空气再由导轨表面上的小孔中喷出,在导轨表面与滑行器内表面之间形成很薄的气垫层。滑行器就浮在气垫层上,与轨面脱离接触,因而能在轨面上做近似无阻力的直线运动,极大地减小了以往在力学实验中由于摩擦力引起的误差。)2.高速照相机。3.光电门及遮光器。实验内容:将气垫导轨实验仪打开,滑块在导轨上静止,通过手与滑块接触施加力后将手离开,滑块开始做直线运动,在滑块运动中,通过高速照相机对其进行照相,高速照相机每0.5秒拍摄一次照片。通过对照片内两相邻滑块之间的距离测量发现距离不变。打开光电门,每个光电门之间距离设定为10CM,重复实验发现通过两个光电门之间的时间不变。由此可看出滑块在受到力作用后,从原先的静止状态变为匀速直线运动状态。实验二:小车拉水实验。其目的在于验证惯性总在阻碍力改变其当前状态。实验仪器:1.四轮平木板小车。2.装满水的小瓶盖。3.长木板。实验内容:将瓶盖用胶水粘牢在小车的木板上,将小车放在已经平衡摩擦的长木板上并在瓶盖里装满水。小车在长木板上静止通过手与小车接触并施加力,手离开后小车开始做匀速直线运动可以观察到在手对小车施加力时瓶盖里的水向后溢出。重复上述实验,当小车开始做匀速直线运动后,用手在木板终端充当障碍物,当小车撞击到障碍物时会发生停止运动或向后运动(取决于小车质量)。当小车改变当前运动状态的同时,瓶盖中的水向前溢出。这两个现象说明一个物体的惯性总在阻碍力改变其当前状态。实验三:自行车滑行实验。牛顿第一定律在生活中应用。物理教学专题研究期末论文实验仪器:飞轮没有锁死的自行车。实验内容:做实验的同学骑着实验用自行车绕足球场做运动,当速度加速到30迈左右停止蹬动踏板让自行车自行运动。验证力不是维持物体运动的因素。2.2对牛顿第二定律的验证及探究。内容:在云南师范大学物电学院力学试验室通过两个实验验证牛顿第二定律。实验一:小车在力持续施加的情况下的运动情况。其目的在于验证持续施加合外力是物体产生加速度的原因。实验仪器:1.15克砝码两个。2.带滚轮的小车。3.打点计时器。4.刚性绳。5.定滑轮。6.纸条。7.小木块。8.长木板。9.交流电源。实验内容:将定滑轮固定在桌子边沿,刚性绳从滑轮中穿过,一端与小车相连,一端系上砝码,调节木板垫上小木块平衡摩擦力,将小车拖动至木板起端,使砝码刚好与桌沿对齐,小车尾端系上纸条1,将打点计时器安装至木板起端,纸条穿过打点计时器,开启交流电源,使打点计时器工作一会儿,放开小车,在砝码的重力的作用下小车做直线运动,取下纸条1,装上纸条2,加重一个砝码后,重复实验。对比两个纸条可发现,纸条上的点并没有均匀分布,且纸条2两相邻点之间距离比纸条1距离更宽。由此验证牛顿第二定律持续施加合外力是物体产生加速度的原因。通过计算后验证牛顿第二定律公式F=ma。实验二:自由落体实验。其目的在于验证物体自由下落的加速度是固定的与其质量无关。实验仪器:1.真空管。2.羽毛。3.小铁球。4.秒表。实验内容:将羽毛和小铁球装入两个不同的真空管1,2中,真空管竖直摆放向上的一端为A端向下的一段为B端,将B端快速翻转向上同时开始计时,当羽毛到达真空管1的A端时停止计时。重复十次,获得结果。将真空管2重复真空管1的实验。重复十次。获得结果。对比两组实验结果,排除误差后,验证出物体自由下落的加速度是固定的与其质量无关。2.3对牛顿第三定律的验证及探究。内容:在云南师范大学物电学院力学试验室通过一个实验验证牛顿第三定律。实验:弹簧秤互拉实验。其目的验证牛顿第三定律。实验仪器:1.弹簧秤A。2.弹簧秤B。实验内容:将弹簧秤A与弹簧秤B的挂钩系在一起。将弹簧秤A顶端拴在铁杆上,用弹簧称B对其进行拉长发现弹簧秤AB示数始终保持一致。验证出力的作用是相互的。3本文所用参考文献(1)邹荣.质量是物体惯性大小的量度吗?新世纪教育文集.中国广播电视出版社,2000,11,1版,454.(2)徐祖年.质量是惯性或引力的量度.物理教师,2001,11,27.(3)梁昆淼.力学,上册(修订版).高等教学出版社(4)漆安慎杜婵英.力学,高等教育出版社.1997,7,1版,222.物理教学专题研究期末论文(5)尼采文集.查拉斯图拉卷.青海人民出版社,1995,11,1版,163.(6)〔古罗马〕奥古斯丁.忏悔录.商务印书馆,1963,7,1版,242.(7)中国大百科全书,物理学,Ⅱ.中国大百科全书出版社,1987,7,1版,1236.(8)九年义务教育三年制初级中学试用课本,物理,第一册.上海科学技术出版社,1996,5,1版,109.