牛顿运动定律与万有引力定律教学分析及处理

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 牛顿运动定律与万有引力定律教学 分析及处理 摘 要 介绍大学物理教学中对 牛顿运动定律和万有引力定律的教学分 析与处理，旨在凸显大学物理在非物理 专业中的教学风格与特色，提高学生的 科学素质、创新意识，培养学生的科学 信息素养。 中国论文网 /8/view-12902643.htm 关键词 大学物理 牛顿运动定 律 万有引力定律 1.引言 众所周知，大学物理学是大学理 工科专业必修的基础理论课程，牛顿运 动定律和万有引力定律又是经典力学的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 基础与核心内容。学生在中学学习阶段 已经学过这些重要知识，在大学物理教 学过程中，不但要体现和中学物理的内 在联系，而且具有大学物理教学的风格 和特点，培养学生的科学素质、创新意 识以及科学信息素养，注重交叉学科的 相互结合，以激发学生的求知欲望，培 养和锻炼学生分析问题和解决问题的能 力，以满足高校创新应用型人才的培养 需要，使学生能适应时代和社会的发展 需要呢？笔者根据自己多年来对大学物 理的教学与实践研究经验，针对高校所 使用的大学物理教材，对牛顿运动三定 律和万有引力定律深入分析、充分理解， 并提出相应教学处理办法。 2.牛顿运动定律和万有引力定律 的教材分析 牛顿综合开普勒的天体力学和伽 利略的地上力学的成就，提出物体运动 三定律和万有引力定律，这标志着经典 力学向纵深发展并趋向成熟，同时也是 人类对自然界的第一次综合认识。然而， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 “由牛顿定律代表的经典力学是一个复 杂的，并在许多方面是精微的事物。这 定律的准确内容，在牛顿提出他的第一 种说法之后近三个世纪，仍然是一个在 辩论中的问题” 1。 2.1 牛顿运动定律的分析 在物理学史中，人们曾对牛顿运 动三定律在哲学上和逻辑上的矛盾展开 过热烈的讨论。爱因斯坦说：“惯性原 理的弱点在于它含有这样的一种循环论 证：如果有一物体离开别的物体都足够 远，那么它运动起来就没有加速度度； 而只是由于它运动起来没有加速度这一 事实，我们才知道它离开别的物体是足 够远的2”。即第一定律含有循环论证： 怎样判别物体是否受到外力，所使用的 参考系是否为惯性系这两件事情，要同 时依靠物体是否在做惯性运动（匀速直 线运动）来决定。 第二定律中涉及到重要的物理量 “质量”，牛顿在 1687 年出版的 自然 哲学的数学原理中，把质量看成“物 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 质的量”，指出 “物质的量是用它的密度 和体积一起来量度的。 ”但是牛顿又把物 质的量（单位为摩尔）也称为“物体” 或 “质量”，他提出的“质量”概念是一个朴 素含糊的概念，仍然需要加以提炼改造 才能形成为精确的科学定义。 第三定律认为作用力和反作用力 完全对称，它们沿着同一条直线，同时 出现、同时消失、同时发生变化，而且 是属于同一性质的力。可见，第三定律 的局限性表现在“ 同时性、同存性、同 线性、同质性” ，在经典力学范畴内， 第三定律对动力学和静力学都适合，但 在场的动量不能忽略（例如电磁相互作 用）的情况下不能应用第三定律。 事实上，第一定律和第二定律研 究单个物体及其运动状态是否发生变化， 它只和作用在该物体上的合外力有关， 没有讨论这个合外力的性质和来源，不 知道各个分力的种类和性质。若合外力 为零，则不可能有单个力作用在物体上。 第一定律可以从第二定律中推导出来， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 为什么牛顿还要单独提出第一定律呢？ 答案是第一定律除了描述不受外力作用 的自由运动之外，还确定了惯性参考系。 它是动力学的出发点，如果不首先确定 惯性系，就无法正确地表述其他定律， 对于牛顿运动定律不适用的非惯性系， 可引入惯性力的概念来解决问题。 第三定律研究两个物体间的作用 力和反作用力，但不能计算出这些力的 大小、也不能知道它们的起源。由此得 出的一个重要推论：力总是成对出现的。 没有其他的已知条件，单凭第三定律也 计算不出某个力，但它可从单个质点转 移到质点系统的研究。 2.2 万有引力定律的分析 开普勒在前人研究的基础上，通 过理论运算，解决了行星绕太阳在椭圆 轨道上运行的规律，即开普勒第一定律， 但不能揭示行星按此规律运动的真正原 因。英国物理学家牛顿(公元 16421727) 对该问题进行了艰苦的探 索，最后取得了重大突破。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 牛顿发现万有引力的过程是一个 循序渐进的过程。首先，牛顿论证了行 星的运行必然受到一种指向太阳的引力； 其次，牛顿进一步论证了行星沿椭圆轨 道运行时受到太阳的引力，与它们的距 离的二次方成反比；再次，牛顿从物体 间力的作用的相互性出发，大胆假设并 实验验证了行星受太阳的引力也跟太阳 的质量成正比，从而得出结论：太阳对 行星的行力跟两者质量之积成正比；最 后，牛顿做了著名的“ 月一地 ”检验，并 将引力合理推广到宇宙中任何两个物体， 使万有引力规律赋予普遍性。他通过对 月球运动的验证，得出万有引力定律， 即天体间的相互作用力大小与他们的质 量成正比，与天体中心距离的平方成反 正。理论在开始阶段只能以假设的形式 存在，在其后的一百多年间，由于不断 被实践所证实，最后才真正成为一种理 论。 后来，不断有物理事实验证了牛 顿万有引力的正确性，其中，最重要的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 几个事实。其一，月-地检验。根据牛 顿第二定律，物体在月球轨道上运动时 的加速度就是它在地面附近下落时的加 速度的 1/602，当时已测量得重力加速 度、月球与地球的距离和月球公转的周 期，推算得到月球运动的中心加速度。 其二，海王星的发现。英国剑桥大学的 学生亚当斯和法国的天文学家勒维耶根 据天王星的观测数据，用万有引力定律 计算得到这颗未知行星的轨道。1846 年 9 月 23 日，德国的伽勒在勒维耶预 言的位置附近发现了这颗行星，即后来 命名的海王星3。其三，哈雷彗星回归 的正确预言。1705 年英国天文学家哈雷 根据万有引力定律计算了一颗著名彗星 的轨道，正确预言了这颗在 1531 年、 1607 年和 1682 年被看到的彗星能在 1758 年回归。在 1758 年的圣诞节，也 即哈雷死后 16 年，乔治帕里什观测 到了这颗彗星，的确和哈雷的预言相差 无几哈雷以万有引力定律为基础推算 出这颗彗星的轨道是椭圆，所以这颗彗 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 星就以“哈雷 ”命名此后哈雷彗星在 1834 年、1910 年和 1986 年共出现了 3 次，这就有力地验证了万有引力定律 的正确性4。近代物理学认为，任何物 理都在周围空间存在引力场，物体之间 的引力是通过引力场来传递的5。 2.3 牛顿运动定律和万有引力定 律的区别和联系 牛顿在前人研究的基础上，从 1665 年开始研究万有引力问题，产生初 步的思想，应用开普勒行星运动三定律 和他总结的物体运动三定律，在 1687 年出版的自然哲学的数学原理是提 出了完整的万有引力定律。若应用近似 方法，把行星的椭圆运动看成圆周运动， 以普通物理和初等数学为工具，从开普 勒三定律和牛顿三定律求得万有引力表 达式。若根据理论力学，应用高等数学 和解析几何知识，也可以精确地推导出 万有引力定律。 牛顿运动定律和万有引力定律之 间有显著的区别，也许牛顿本人也意识 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 到这一点，所以，他没有把万有引力定 律称为物体运动第四定律。运动三定律 是物理学的基石，本身具有公理的性质， 牛顿在原理一书中也倾向于视其为 公理。第一定律阐述物体不受外力作用 下会做匀速直线运动，这是无法由实验 来验证的。人们接受它是因为由它推导 出来的结论不会和有限的实验事实相矛 盾，定律本身也限定了它的使用范围是 惯性参考系。 相反，万有引力定律给出计算宇 宙中的一个基本力的理论和数学公式， 本身不是公理。牛顿没有解释产生引力 现象的真正原因，没有合理说明为什么 万有引力存在，他只用形而上学的解释 一笔带过，而它的发现对天文学的发展 有巨大的推动作用。牛顿用它正确地解 释了潮汐现象，人们用它认识了新的太 阳系成员，如 1846 年发现了海王星。 同时以它和开普勒定律为基础，研究开 体运动的规律，确定行星的质量和轨道， 计算了行星、慧星、卫星的位置，在星 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 际航行方面趣了重要的作用6。当然它 也存在局限性，如它和电磁力无关，无 法解释谱线的引力红移现象、光线在太 阳引力场中的偏移以及水星近日点的运 动等问题。 3.牛顿定律和万有引力定律的 教学处理 针对非物理专业的大学物理的教 学情况，本文提出在教学中应该慎重对 待牛顿定律和万有引力定律，应从以下 两方面进行教学处理。 3.1 淡化定量计算，深化定性思 考 中学物理注重计算，采用选配物 理公式为主的解题策略，学生的物理定 性推理能力低于数学推理能力，高强度 的数学训练形成消极的思维定势。牛顿 定律和万有引力定律与中学重复的部分 让学生自学，引导学生把主要精力放在 理论的建立过程上：观察现象、提出问 题、猜测结果、设计实验、测量数据、 得出数学表达式。它涉及到定义新物理 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 量、定律成立的条件和适合范围、阐明 定律的理论地位、近代物理学发展的历 程，只有全面考察才能理解它们的内涵 与外延。 教学中注重体现牛顿的创新性， 比如，伽利略研究斜面运动，认识到在 忽略摩擦力的情况下地面上的物体一旦 运动起来将保持匀速直线运动的状态。 但是对于天体运动，他认为行星沿圆形 轨道绕太阳转动是不需要外力的“自然 运动”，表明伽利略还没有完全摆脱古 希腊亚里士多德的影响，不能把物体保 持惯性的属性看成普遍的自然规律。牛 顿比伽利略前进一步，他认识到这一性 质的普遍意义。笛卡尔和惠更斯在研究 物体的碰撞运动时作为前提利用了运动 第三定律的思想，但只有牛顿把它表述 为一个普遍定律，体现出牛顿的创新思 维。 3.2 发掘教材疑点，树立科学理 性 大学物理有明确的专业性，内容 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 有一定的学术性，教学形式多样，教学 环境有一定的开放性，学习有相对的独 立性。通过牛顿运动定律的分析，树立 学生的批判意识和科学理性精神，鼓励 他们善于质疑，这是推动学生追求知识 的内在动力。大学生对讨论课的兴趣大 于传统的讲授课、复习与实验课，要启 发学生用批判的眼光来发掘教材、分析 教材中的不足，通过讨论来提高钻研教 材的积极性。 物理教学现代化是当前教学改革 的新动向，为扩大学生的知识面，为后 续学习打下坚实的基础，可适当介绍现 代物理学中的质量和力，加深对第二定 律的理解。在牛顿力学中，力和质量的 概念通过质点运动状态的变化来建立， 物体间的相互作用以力来