牛顿运动定律与万有引力定律教学分析及处理 - 电子商务课程

牛顿运动定律与万有引力定律教学分析及处理-电子商务课程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，应从下列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局部让学生自学，引导学生把主要精力放在理论的建立过程上：察看现象、提出问题、猜想结果、设计实验、测量数据、得出数学叙述式。它波及到定义新物理量、定律成立的条件和适合范围、阐明定律的理论地位、近代物理学开展的历程，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，比方，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〞，说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开掘教材疑点，树立科学理性

大学物理有明确的专业性，内容有一定的学术性，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，激励他们善于质疑，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开掘教材、分析教材中的缺乏，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根底，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描写，赫兹称为“力的表象〞；另一种以能量和动量来描写物体间的相互作用的方式，赫兹称为“能量表象〞。在牛顿力学范围内，力的表象和能量表象原那么上是等价的，但从现代物理的开展高度来看，这两种表象并不等价。因为，能量表象可以描写实物的运动，还可以描写场的运动变化形式。牛顿运动定律建立在即时超距作用的机制上，而任何相互作用的传播速度都不可以大于光速C。对于粒子产生的湮灭的现象，是无法用力的表象来叙述的。

参考文献：

【1】A.P.弗仑奇著.牛顿力学[M](中译本),北京:人民教育出版社,1978:182.

【2】爱因斯坦.爱因斯坦文集[M](第Ⅰ卷).许良英,范岱年编译.北京:商务印书馆,1976:170.

【3】【6】漆安慎,杜婵英.力学[M](第二版).北京:高等教育出版社,2008.6:187-190.

【4】孙义燧.从Kepler到Newton[J].温州:温州大学学报,2008.2:34.

【5】陈信义.大学物理教程[M](第2版).北京:清华大学出版社,2008.9:14.

基金工程：

河池学院2008年院级青年科研课题立项B类课题。

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开展并趋向成熟，同时也是人类对自然界的第一次综合认识。然而，“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，仍然是一个在答辩中的问题〞【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，则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来决定。

第二定律中波及到重要的物理量“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也称为“物体〞或“质量〞，他提出的“质量〞概念是一个朴素模糊的概念，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。假设合外力为零，那么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，为什么牛顿还要独自提出第一定律呢？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根底上，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1642～1727)对该问题进行了艰苦的探索，最后取得了重大突破。

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，大胆若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，牛顿做了驰名的“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若的形式存在，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驰名彗星的轨道，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，确实和哈雷的预言相差无几．哈雷以万有引力定律为根底推算出这颗彗星的轨道是椭圆，所以这颗彗星就以“哈雷〞命名．尔后哈雷彗星在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

牛顿在前人研究的根底上，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。假设应用近似办法，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叙述式。假设根据理论力学，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根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，没有合理表明为什么万有引力存在，他只用形而上学的解释一笔