中學(xué)物理力學(xué)實(shí)用教學(xué)內(nèi)容研究

中學(xué)物理力學(xué)實(shí)用教學(xué)內(nèi)容研究

楊 澤 民1，楊 文 婷2

(1.阿拉善職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 阿拉善盟750300；2.包頭師范學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014030)

摘要：長(zhǎng)久以來(lái)，各種版本的中學(xué)物理教科書(shū)中，都沒(méi)有將力的起源產(chǎn)生、力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系、表示計(jì)算、相互作用的特點(diǎn)給學(xué)生寫(xiě)清楚，講明白。以下教學(xué)內(nèi)容，以人教版八年級(jí)(高一)物理教科中的具體問(wèn)題為選擇對(duì)象；重新編寫(xiě)了以上提出的每一個(gè)問(wèn)題。使學(xué)生自己在日常生活中的實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)、觀察、感受、體會(huì)，在最短的時(shí)間內(nèi)，高效理解掌握物理力學(xué)入門(mén)部分的教學(xué)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：力的起源產(chǎn)生；力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系；表示計(jì)算；相互作用的特點(diǎn)

收稿日期：*2015-02-07

作者簡(jiǎn)介：楊澤民(1955-)，內(nèi)蒙古阿拉善盟人，物理學(xué)教師副高級(jí)，研究方向：物理教學(xué)教育。

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1力的起源

力這個(gè)字，仔細(xì)觀察，就可以發(fā)現(xiàn)，事實(shí)就是，一把刀上頂出了頭。為什么？五千年以前，中國(guó)的造字大師們，用刀頂出頭來(lái)表示力呢？這說(shuō)明人類(lèi)的祖先不知道，力到底是什么？什么是力？所以，就用當(dāng)時(shí)人類(lèi)最厲害的武器，“刀”頂出頭來(lái)表示力。

力到底是什么？什么是力？力是怎樣產(chǎn)生的，來(lái)源于什么？我們的祖先說(shuō)不清楚。這個(gè)問(wèn)題直到今天，我們的教課書(shū)上，也沒(méi)有給我們后人徹底寫(xiě)清楚，講明白。因?yàn)?，力是在不斷的探討和研究之中。力是由物體能量釋放傳遞獲得時(shí)產(chǎn)生。就是物體之間的相互作用矢量。

你最多能拿起和舉高多少千克的杠鈴呢？

你最快的百米速度能達(dá)到多少？

汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)、電動(dòng)車(chē)等等，等等的物體，能拉多少東西，能跑多快。都需要你、我或物體能量的釋放傳遞獲得時(shí)產(chǎn)生力。在力作用才能改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、方向、形狀和位置。達(dá)到人類(lèi)需要的目的。

2能的初探

物理學(xué)中的能，只指物體能量釋放傳遞獲得時(shí)產(chǎn)生力，對(duì)物體施力做功傳遞能量的能[1]。能夠產(chǎn)生力，對(duì)物體做功傳遞能量的物體就有能。沒(méi)有能量的釋放傳遞獲得，就沒(méi)有力產(chǎn)生。能來(lái)源于自然界中各種形式的物質(zhì)能和各種形式的能量之間的相互轉(zhuǎn)換。功指力的作用下移動(dòng)距離的乘積。能指施力物體向受力物體釋放傳遞的能量。

我們每一個(gè)人，就是一個(gè)能量獲取釋放傳遞源。我們獲得的能量來(lái)源于利用食物等生命物質(zhì)中存儲(chǔ)的化學(xué)能。也稱(chēng)為生物質(zhì)能。有生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換成我們能夠產(chǎn)生力，釋放傳遞的能量，對(duì)物體施力傳遞能量做功。如日常生活中，我們的跑、跳、走和背、提、抱、扛、推、拉、打、踢物體的活動(dòng)，就是由我們能量的釋放傳遞產(chǎn)生力，對(duì)物體傳遞能量做功的事實(shí)。改變自己和物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、方向、形狀和位置。如果人五天不吃食物和水。我們就沒(méi)有能量的釋放傳遞，就不能產(chǎn)生力做功和傳遞能量。

各種車(chē)輛和機(jī)器也是一樣，如果不加油和通電，它們就會(huì)變成一堆廢物。只有加油和通電后，有了能量的釋放傳遞產(chǎn)生力，才能為人類(lèi)做功工作。

同時(shí)，運(yùn)動(dòng)的物體遇到障礙物時(shí)，也會(huì)對(duì)障礙物釋放能量產(chǎn)生力的作用。對(duì)物體傳遞能量做功。由此，這將充分證明運(yùn)動(dòng)的物體也有能量。是障礙物獲得能量做功，改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、方向、形狀和位置。如打擊和碰撞，交通事故，等等，等等的事實(shí)，都將充分證明：力就是由物體能量釋放獲取傳遞獲得時(shí)產(chǎn)生。能夠產(chǎn)生力的物體就有能。力就是物體之間的相互作用矢量。

3力的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

力和能的大小，人類(lèi)直接用眼睛是不能測(cè)出其大小的。只能通過(guò)試驗(yàn)和測(cè)量力的工具，測(cè)量和計(jì)算出力和能的大小。人類(lèi)最原始的測(cè)量力的工具，就是我們現(xiàn)在，在商店和各種市場(chǎng)上應(yīng)用的秤。用秤和天平稱(chēng)得物體的質(zhì)量是多少千克，你提或托、抱、扛著物體不動(dòng)時(shí)，你就對(duì)該物體施加了多少千克的作用力。現(xiàn)在人類(lèi)有發(fā)明和廣泛應(yīng)用了電子稱(chēng)和彈簧稱(chēng)。如果，將電子稱(chēng)或彈簧稱(chēng)，固定在被推拉的物體上，通過(guò)稱(chēng)來(lái)推拉物體，我們就可以測(cè)出你推拉力的大小是多少千克力。在前面的想想做做中，你能拿起和舉高的杠鈴和能夠達(dá)到的速度，都是由你對(duì)杠鈴自己能量釋放時(shí)產(chǎn)生力作用的結(jié)果。

你用彈簧稱(chēng)或電子稱(chēng)，將稱(chēng)得質(zhì)量為1kg的物體。如果在垂直方向上提或托著該物體不動(dòng)時(shí)，你對(duì)該物體的作用力就是1kg作用力。如果，你猛提(加速提升)物體，你將會(huì)看到稱(chēng)上的度數(shù)將大于1kg力。這時(shí)你對(duì)物體所施的力就是大于1kg力。如果你從高處急速放下物體。稱(chēng)的度數(shù)將小于1kg力。你施加的力就小于1kg力。只有均勻的(勻速)提升或放下物體時(shí)，稱(chēng)上的度數(shù)將不發(fā)生變化。和你提著物體不動(dòng)時(shí)的力是相等的。這個(gè)試驗(yàn)證明了一個(gè)新的問(wèn)題，物體的質(zhì)量是1kg ，你提或托著物體不動(dòng)或勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，你對(duì)物體的施力就是1kg力。物體的重力就是1kg力。

相同的原理，如果你通過(guò)彈簧稱(chēng)或電子稱(chēng)，沿水平或不同方向去拉推物體時(shí)，稱(chēng)上的拉推力的度數(shù)。一定就是你拉推力的大小。如果你拉推物體勻速運(yùn)動(dòng)，拉推力就是阻礙物體運(yùn)動(dòng)的阻力(摩擦力)的大小。這將充分證明勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)，物體上的作用力和摩擦阻力是相等的特性。如果用大于摩擦力的力拉推物體時(shí)，物體將會(huì)加速運(yùn)動(dòng)。小于或不施力時(shí)，物體將會(huì)在摩擦力的作用下減速運(yùn)動(dòng)而靜止，這就是力的大小和存在與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。是有施力物體能量釋放傳遞時(shí)，施加在受力物體上的作用力。是有施力物體調(diào)節(jié)大小變化的作用力。重力和摩擦力的大小，在地球表面和同一物面上，物體的運(yùn)動(dòng)中一般是大小不變的力。

同時(shí)，這也充分證明了力和運(yùn)動(dòng)、功與能、都是人類(lèi)抽象思維研究的對(duì)象。所以，物理學(xué)就是人類(lèi)專(zhuān)門(mén)研究抽象思維的學(xué)科。力、熱、電、(光)原，都不能是我們直接用眼睛看見(jiàn)，瞎猜和胡想，就能知道和確定各種物理量的大小和之間的關(guān)系。由此，物理學(xué)被發(fā)展成為四大力學(xué)，即理論力學(xué)、熱力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、和量子力學(xué)，它們涵蓋了自然科學(xué)，從基礎(chǔ)到尖端的理論指導(dǎo)和能與力，功等關(guān)系的轉(zhuǎn)換。

4什么是力

你敢用你最大的力去打墻壁和踢石頭嗎？

力的測(cè)量中，你通過(guò)自己的提、拉、推、打、踢的作用，你體會(huì)到了什么呢？

力就是物體之間的相互作用矢量。是由施力物體能量釋放傳遞獲得時(shí)產(chǎn)生作用力，對(duì)受力物體施加力的作用。是受力物體獲得能量，對(duì)施力物體施加方向相反的作用力。這就是力。是物體相互作用時(shí)，同時(shí)存在，同時(shí)消失的兩個(gè)力。只是物體之間能量釋放傳遞獲得時(shí)，相互之間的作用矢量。它不是功，也不是能。只是傳遞能量的中介和做功的一個(gè)要素。

通過(guò)以上的提、放、推、拉、打、踢的活動(dòng)，我們可以發(fā)現(xiàn)力就是矢量。是人類(lèi)有目的的施力。這個(gè)施力首先要選定被施力的物體，對(duì)該物體施加多大的力，在什么方向和什么位置施力，才能達(dá)到你和人類(lèi)需要的目的和作用效果。所以，力是矢量。力一個(gè)矢量包括大小、方向、作用點(diǎn)或面三個(gè)要素。因此，稱(chēng)為力的三要素。力的三要素是力一個(gè)矢量整體。只要其中一個(gè)要素發(fā)生變化，力的作用效果就要發(fā)生明顯的變化。

力的試驗(yàn)測(cè)量活動(dòng)中，我們誰(shuí)都可以看到和體驗(yàn)到，力作用的三要素不同，會(huì)是效果完全不同。但是這個(gè)不同的作用效果，不能明顯的顯示在物體上，是誰(shuí)也能夠一目了然。清楚的知道和看到，力的真實(shí)作用和效果的存在。所以，在物理學(xué)中，就用力的矢量示意圖，來(lái)明顯的表示力的真實(shí)作用效果的存在。

由于力一個(gè)矢量有三個(gè)要素組成的特殊性問(wèn)題。物理學(xué)中，就用一根有向線(xiàn)段來(lái)形象的表示力的三要素，力一個(gè)矢量整體。稱(chēng)為力的矢量示意圖。

大小:是將相互作用面或體上的力，集合在具有代表性的一點(diǎn)上。用有向線(xiàn)段按比例尺長(zhǎng)短表示。單位為牛頓(Newton)，簡(jiǎn)稱(chēng)為牛。符號(hào)為N。托或提著質(zhì)量1千克的物體，約為9.8牛頓的力。

力的單位，實(shí)際上就是兩個(gè)名字。和我們每一個(gè)人的名字是一樣的，一個(gè)乳名。一個(gè)官名。但表示的含義就是一個(gè)人。力就是物體之間的相互作用矢量的大小，它的乳名就是千克力kg，多應(yīng)用在我們的日常生活和有時(shí)應(yīng)用在工程力學(xué)中。官名是牛頓N。應(yīng)用在一切有力的計(jì)算和表示中。是為了紀(jì)念對(duì)全人類(lèi)，在力學(xué)方面做出卓越貢獻(xiàn)的英國(guó)物理學(xué)家牛頓的名字命名的。它們都表示物體之間相互作用矢量的大小。換算關(guān)系為；1kg力等于9.8N，在近似計(jì)算時(shí)取10N。換算關(guān)系用一個(gè)專(zhuān)用字母g=9.8m/s2表示。在高一物理中我們將會(huì)徹底探討清楚。1kg=9.8N=10N

方向:用有向線(xiàn)段的箭頭表示物體受力的方向。即在這個(gè)力的作用下，物體的運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，以及形變或形變趨勢(shì)的方向，就是物體的受力方向。

作用點(diǎn):指力作用的集合點(diǎn)。用線(xiàn)段的起點(diǎn)表示。

由此我們就可以畫(huà)出任意物體相互作用力的矢量示意圖。如圖1所示。

圖1

如推木箱的力F=15kg=150N.木箱受到的阻力f=15kg=150 N。用1厘米來(lái)表示，1毫米表示15N。汽車(chē)的總重力G=50000kg=500000N。用2厘米來(lái)表示，1毫米表示25000N。同學(xué)的重力G=30kg=300N。用3厘米表示，1厘米表示100N。支撐同學(xué)的力FN=30kg=300 N。等等。由此，我們可以畫(huà)出任意一個(gè)我們選定物體之間的受力矢量示意圖。

由上面力的矢量示意圖，我們就可以發(fā)現(xiàn)：力的矢量示意圖，將抽象的力的感性認(rèn)識(shí)。力是一個(gè)矢量整體的三要素量化值矢量，用一個(gè)簡(jiǎn)單的有向線(xiàn)段，以不同的比例線(xiàn)段關(guān)系，形象的量化值表示在物體上。是我們誰(shuí)都能夠清楚的看到物體的受力情況。為計(jì)算物體所受合力的大小和作用效果，提供了清楚明確的計(jì)算矢量示意圖。

5牛頓第三定律

在前面的試驗(yàn)觀察體會(huì)中，你用彈簧測(cè)力計(jì)，對(duì)物體的提、拉、推、打、踢物體時(shí)，所施的作用力，是不是，就是物體對(duì)你所施的作用力呢？

用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)對(duì)拉，你會(huì)看到什么結(jié)果？

力就是物體之間的相互作用矢量。相互作用的特點(diǎn)；總是大小相等，方向相反，作用在同一直線(xiàn)的兩個(gè)物體上。這就是著名的牛頓第三定律(Newton third law of motion )。

數(shù)學(xué)表示：F= - F0

牛頓第三定律，是通過(guò)無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)事實(shí)驗(yàn)證得出的。而且，也經(jīng)受了無(wú)數(shù)次實(shí)踐檢驗(yàn)證明。它是自然界中一切物體之間相互作用的真理。

由牛頓第三定律和力的矢量示意圖，我們就可以準(zhǔn)確無(wú)誤的，用比例尺長(zhǎng)短，在一個(gè)物體上一樣的矢量示意圖。畫(huà)出任意一個(gè)物體所受力的矢量示意圖。

同學(xué)作用在木箱上的力F,方向向右。和木箱作用在同學(xué)上的力F0，方向向左。木箱所受的摩擦力f，方向向左。和地面所受的摩擦力f0，方向向右。地面支撐木箱的力N,方向向上。和木箱壓地面的力N0。方向向下。等等。

這些力就是牛頓第三定律中所表示的力。由此，我們也可以發(fā)現(xiàn)；牛頓第三定律的實(shí)質(zhì)，就是用來(lái)確定物體之間，有沒(méi)有相互作用力和畫(huà)物體矢量示意圖的判定定理。

但是木箱確受到了4個(gè)力的作用，分別為F、f、N、G。這4個(gè)力是作用在木箱一個(gè)物體上。要看作用效果，就必須計(jì)算出合力的大小。

6合力的矢量計(jì)算

通過(guò)對(duì)牛頓第三定律和物體受力矢量示意圖的學(xué)習(xí)，我們基本上可以準(zhǔn)確無(wú)誤的畫(huà)出物體的受力矢量示意圖。由物體受力的矢量示意圖，我們就可以用矢量作圖測(cè)量法和計(jì)算法，作圖測(cè)量或計(jì)算出任意一個(gè)物體所受合力的大小。計(jì)算合力時(shí)，首先要選定物體，應(yīng)用牛頓第三定律仔細(xì)查找選定物體和什么物體之間有相互作用，有相互作用處就有力存在。物體自己對(duì)自己是否在施力。畫(huà)出矢量示意圖。將一個(gè)物體上所受的所有力，平移到其中一個(gè)力的作用點(diǎn)上。

用同方向的二力相加。反方向的二力相減?；コ山嵌鹊亩ψ髌叫兴倪呅危瑴y(cè)量或計(jì)算對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度，按比例關(guān)系求出合力的大小。這就是物理學(xué)中，最常用的矢量計(jì)算的平行四邊形法則。

參考文獻(xiàn)〔〕

[1]彭前程.物理(八年級(jí)上冊(cè))[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]楊澤民.中學(xué)物理教材中“功”的錯(cuò)誤解讀與分析[J].陰山學(xué)刊(自然科學(xué)版)，2015,29(2)：109-112.

The Study of Practical Teaching of Force in Middle School

YANG Ze-min1，YANG Wen-ting2

(1.A Lashan Vocational College，ALashan 750300；2.Baotou Teachers College,Baotou 014030)

Abstract:The different Physics textbook versions of Middle Schools do not fully and accurately clarify and explain the origin of force, vector diagram, interaction characteristics, force measurement, calculation of force, force and motion relation issues, thus brings the difficulties to students’ understanding and further study. This thesis aims to reintroduce the teaching content, valid experiment content and accurate calculation practice for students’ study and understanding. It will also promote the teaching efficiency and academic scores for the related part.

Key words:Origin of force, Relationship between force and motion, Calculation, Features of force interraction