淺談高中物理中對(duì)功的認(rèn)識(shí)與理解

韋路

【摘 要】功與機(jī)械能是用能量的觀點(diǎn)處理物理問(wèn)題的基礎(chǔ)，深刻理解并靈活掌握它們，不僅能建立起處理復(fù)雜物理問(wèn)題的基本思維與基本方法，而且會(huì)使同學(xué)們對(duì)整個(gè)中學(xué)物理的知識(shí)理解和應(yīng)用得以升華，從本質(zhì)上理解物理問(wèn)題所融合的物理思想也會(huì)為同學(xué)們學(xué)好物理學(xué)知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。綜觀近年高考題中的功及機(jī)械能方面的考題，是以基本知識(shí)理解應(yīng)用為主，凸現(xiàn)了能力要求，我們這兒把它們歸類并深入研究，就會(huì)為備考復(fù)習(xí)找準(zhǔn)方向。

【關(guān)鍵詞】認(rèn)識(shí)；理解；計(jì)算；機(jī)械能

功是中學(xué)物理中比較重要的物理量之一，是能量轉(zhuǎn)化的量度。功是物理學(xué)中最基本、最重要的概念，貫穿了整個(gè)物理學(xué)，是整個(gè)中學(xué)物理學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。這一章節(jié)涉及到的內(nèi)容比較抽象，教師在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，要注意把握關(guān)鍵點(diǎn)，才能突破難點(diǎn)，抓住重點(diǎn)。功這一節(jié)的關(guān)鍵點(diǎn)把握的好壞，決定著學(xué)生的理解、分析、概括及應(yīng)用。因此，教師對(duì)于功的關(guān)鍵點(diǎn)的把握優(yōu)化教學(xué)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，是提高教學(xué)效率的重要途徑。

盡管對(duì)人來(lái)說(shuō)，手提重物不動(dòng)和把物體往上提都會(huì)感到“吃力”，但一般來(lái)說(shuō)兩種情況是不同的。前者以消耗人體自身的能量為主不好計(jì)算，而后者卻必須“消耗”一定的能量，因此為了計(jì)算的方便有必要引入一物理量，以反映物體受力并發(fā)生運(yùn)動(dòng)過(guò)后的效應(yīng)，這里就必須引入“功”這一物理量，功是能量轉(zhuǎn)化的量度。因?yàn)榱κ冀K有方向我們物理老師在教學(xué)的時(shí)候老是強(qiáng)調(diào)功有方向，還老是強(qiáng)調(diào)同學(xué)們計(jì)算和理解時(shí)別忽視它的方向性，而不是引導(dǎo)學(xué)生們理解體會(huì)力施加在物體上過(guò)后的物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。學(xué)生有了這樣思維定勢(shì)過(guò)后我們很難掃清他們這一種認(rèn)識(shí)上的盲區(qū)，所以在這里應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)功是標(biāo)量，功的正負(fù)只反映力是作為動(dòng)力還是阻力在使用的，若物體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與原來(lái)剛好與原來(lái)一樣則說(shuō)明我們力做的是正功，力是動(dòng)力；反之若物體速的原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與原來(lái)剛好相反說(shuō)明力是作為阻力使用的，是做的負(fù)功。不說(shuō)明功具有方向性，并且明確指出：力F做負(fù)功“-FL”，這里的負(fù)號(hào)不是數(shù)學(xué)意義上的負(fù)數(shù)，而只是為了標(biāo)明物體為了達(dá)到自身的運(yùn)動(dòng)效果克服力F這個(gè)阻力廢料了“FL”這么大的能量，這個(gè)負(fù)號(hào)不具數(shù)學(xué)意義只是為了讓我們直觀明了地看到物體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)在發(fā)生逆變，與并不表明其它復(fù)雜物理的意義。

對(duì)于這類理解上的誤區(qū)難點(diǎn)我們?cè)谄綍r(shí)的教學(xué)或者復(fù)習(xí)一定要分辨出來(lái)，在重點(diǎn)上下功夫難點(diǎn)上應(yīng)該給學(xué)生有所突破有所釋疑，不要讓學(xué)生帶著難點(diǎn)和學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)進(jìn)入以后物理上的后續(xù)學(xué)習(xí)，更不應(yīng)把所謂的教學(xué)進(jìn)度或者復(fù)習(xí)迎考進(jìn)度作為教學(xué)目標(biāo)，否則學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)上無(wú)法有效地消化他們就會(huì)對(duì)考試失去信心，也會(huì)對(duì)物理失去學(xué)科上的興趣，老師同時(shí)也會(huì)感到很力不從心。我們應(yīng)在基礎(chǔ)知識(shí)混淆的地方給學(xué)生多進(jìn)行輔助性地剖析才行，反對(duì)為了快而一味地快而應(yīng)該是以學(xué)生有所獲為教學(xué)導(dǎo)向。筆者以講實(shí)例講故事擺事例的方式讓學(xué)生理解功的深刻含義：

1.如何讓學(xué)生理解功的概念。當(dāng)一個(gè)力作用在物體上，物體在這個(gè)力作用下通過(guò)了一段距離，這個(gè)力的作用就有了成效，我們就說(shuō)這個(gè)力做了功。舉例說(shuō)明：起重機(jī)提起貨物的時(shí)候，貨物受到起重機(jī)和鋼繩的拉力作用發(fā)生一段位移，鋼繩的拉力對(duì)貨物做了功，機(jī)車(chē)牽引列車(chē)前進(jìn)，列車(chē)受到機(jī)車(chē)的牽引力作用發(fā)生位移，牽引力就對(duì)列車(chē)做了功。

2.提出幾個(gè)例子讓學(xué)生討論、分析，讓學(xué)生自己得出做功的兩個(gè)必要因素。

例一：人用一個(gè)向前的推力推一笨重的物體而沒(méi)有推動(dòng)。（有力但沒(méi)有發(fā)生位移，推力沒(méi)做功，“勞而無(wú)功”。）

例二：在極光滑的水平冰面上滑動(dòng)的木塊，各力做功如何？（物體受力也有位移，但在重力和支持力的方向上無(wú)位移，做功為零，水平方向雖有位移，但沒(méi)有力的作用，做功也為零，“不勞無(wú)功”。）

例三：一小球從某一高度自由下落，重力有沒(méi)有做功。（物體受力在力的方向上有位移，重力有做功。）

在講故事中提醒學(xué)生注意幾點(diǎn)：談到做功要明確是什么力做功？對(duì)什么物體做功？在什么過(guò)程做功？

打掃衛(wèi)生時(shí)學(xué)生把水提往3樓打掃教室，這時(shí)我們說(shuō)學(xué)生用的力是克服水和重力做的功，由于桶和水與我們目的方向那一邊剛好相反，我們要克服這個(gè)力不得不使勁，耗費(fèi)了我們?nèi)说捏w力。所以桶和水的重力在這個(gè)過(guò)程不但沒(méi)有做功反而我們還需人為做功去克服它們的影響。

3.深入理解功的一般計(jì)算公式W=FLcosa。

通過(guò)復(fù)習(xí)初中已學(xué)過(guò)力的方向跟物體運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，功的計(jì)算式為W=FS，在這基礎(chǔ)上提出問(wèn)題，力的方向跟運(yùn)動(dòng)方向成某一夾角a時(shí)，做功如何計(jì)算？

比如，上圖是F的作用力下物體只是在水平L方向上產(chǎn)生位移，那么我們自然可以通過(guò)上面例二的分析，讓學(xué)生們利用所學(xué)矢量的分解知識(shí)，自己通過(guò)分析、推理得出W=FLcosa。（這是由于力F在豎直上沒(méi)有產(chǎn)生位移，也就是沒(méi)有產(chǎn)生作用效果因此我們不用計(jì)算FLsina）。

若果力F使得物體由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)，那么力F的作用效果就可以直觀地分解成兩部分：一部分就是把物體抬升了H這么高，另一部分就是使得物體在水平方向移動(dòng)了L長(zhǎng)的距離。因?yàn)檫@個(gè)力在兩個(gè)方向上都產(chǎn)生了實(shí)實(shí)在在的位移效果，因此我們計(jì)算的時(shí)候就不能考慮一個(gè)方向上作用效果了，所以，在計(jì)算這個(gè)力的真實(shí)做功時(shí)我們可用兩部分的合理作用效果來(lái)表示，即W=FLCOSa+FHsina。我們要讓學(xué)生寫(xiě)小論文寫(xiě)物理讀書(shū)摘要的形式去領(lǐng)悟做功的具體含義。

那為什么一個(gè)物體同時(shí)受到幾個(gè)力的作用發(fā)生位移時(shí)，這幾個(gè)力做的總功等于各個(gè)力分別對(duì)物體做功的代數(shù)和即W總=W1+W2+W3+W4+…在對(duì)于這個(gè)公式的理解時(shí)我們不能給學(xué)生直接答案，這里應(yīng)該慢慢地引導(dǎo)他們。用假設(shè)法提問(wèn)與學(xué)生，比如讓學(xué)生思考若果我們?nèi)サ粢粋€(gè)關(guān)鍵的力F2，問(wèn)問(wèn)他們現(xiàn)在這個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)效果會(huì)不會(huì)改變，若運(yùn)動(dòng)效果最終的位置狀態(tài)都改變了就說(shuō)明這個(gè)力的確做了功。我們這樣一一去考量撤掉每一個(gè)力后的物體運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，學(xué)生們?cè)谶@樣一個(gè)個(gè)具體的分析就會(huì)的系統(tǒng)地總結(jié)出上面的公式。因?yàn)樗麄円呀?jīng)深刻理解到物體現(xiàn)在這樣一個(gè)運(yùn)動(dòng)效果是這么多個(gè)分力合作產(chǎn)生的效果，所以這些力對(duì)物體的作用效果就應(yīng)該把他們幾個(gè)力做的功就應(yīng)該把它們加在一起來(lái)計(jì)算。通?？紤]得到功的的計(jì)算公式W=FLcosa，就是由于物體只有在水平方向產(chǎn)生了位移，在素質(zhì)方向上由于物體沒(méi)有產(chǎn)生位移效果因此我們計(jì)算時(shí)就把FLsina這個(gè)量就省去，才得到了上面這個(gè)結(jié)論公式。

在高中物理的教學(xué)中，教師認(rèn)為用簡(jiǎn)要物理公式概括其中的物理實(shí)質(zhì)，往往是覺(jué)得越是簡(jiǎn)要就越覺(jué)得這樣可以反應(yīng)物理的學(xué)科特色。要能用細(xì)致的語(yǔ)言生動(dòng)地去具體分析物理學(xué)知識(shí)，逆向給學(xué)生講明物理知識(shí)的本質(zhì)也是值得我們探討和研究的方法。