中美高中物理教材《動量》部分例題比較分析

胡東明 朱雄飛

摘 要：本文對現(xiàn)行人教版高中物理選修3-5《動量守恒定律》部分與美國高中主流理科教材《物理原理與問題》的《動量與動量守恒》部分的例題進行了分析比較，分析其相同點和不同點，對我國物理教材例題編制提出相應建議。

關(guān)鍵詞：中美；高中物理；例題；比較

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）9-0070-3

例題是教材的重要組成部分，是學生學習知識的橋梁，學習方法的探究，解題方法的示范，能起到貫通知識，歸納方法，熟練技能，培養(yǎng)能力和發(fā)展思維等作用。好的例題，既能突出教材重點，激發(fā)學生的學習興趣，拓展學生的知識面，又能給教師和學生提供解題示范，培養(yǎng)良好的解題習慣，還能培養(yǎng)學生良好的學科素養(yǎng)，提高分析和解決物理問題的能力。筆者對中美高中物理主流教材《動量》部分的例題進行了比較研究，以期對我國高中物理教材例題的編制有參考作用。

比較對象：現(xiàn)行人教版高中物理選修3-5《動量守恒定律》部分與美國高中主流理科教材《物理原理與問題》的《動量與動量守恒》部分的例題。

比較內(nèi)容：例題的呈現(xiàn)方式，例題對學生的思維方式的培養(yǎng)，例題的作用。

比較方法：求同比較和求異比較。

1 兩種教材動量部分例題展示

1.1 人教版高中物理選修3-5《動量守恒定律》例題展示

例題1 一個質(zhì)量是0.1 kg的鋼球，以6 m/s的速度水平向右運動，碰到一個堅硬的障礙物后被彈回，沿著同一直線以6 m/s的速度水平向左運動（圖1），碰撞前后鋼球的動量各是多少？碰撞前后鋼球的動量變化了多少？

分析 動量是矢量，雖然碰撞前后鋼球速度的大小沒有變化，都是6 m/s，但速度的方向變化了，所以動量的方向也發(fā)生了變化。也就是說，碰撞前后的動量并不相同。

為了求得鋼球動量的變化量，先要確定碰撞前和碰撞后鋼球的動量。碰撞前后的鋼球是在一條直線上運動的。選定坐標軸的方向，例如，取水平向右的方向為坐標軸的方向。碰撞前鋼球的運動方向與坐標軸的方向相同，動量為正值；碰撞后鋼球的運動方向與坐標軸的方向相反，動量為負值。鋼球動量的變化等于碰撞后的動量減去碰撞前的動量。

解 取水平向右的方向為坐標軸的方向。碰撞前鋼球的速度v=6 m/s，碰撞前的動量為：

p=mv=0.1×6 kg·m/s=0.6 kg·m/s。

碰撞前后鋼球動量的變化為：

Δp=p'-p=（-0.6-0.6） kg·m/s=-1.2 kg·m/s。

動量的變化Δp是矢量，求得的數(shù)值為負值，表示Δp的方向與坐標軸的方向相反，即Δp的方向水平向左。

1.2 美國高中主流理科教材《物理原理與問題》例題展示（圖2）

（限于篇幅的原因，其他例題不做展示）

2 兩種教材例題的共同點

2.1 緊扣教材內(nèi)容，有利于學生學習和理解教材內(nèi)容

兩種教材例題均針對本章節(jié)重點內(nèi)容，引導學生利用所學知識分析和解決相關(guān)問題，對學生學習和理解相關(guān)知識提供了幫助，同時為解題規(guī)范提供了案例，有利于學生學習和理解教材內(nèi)容。例如，坐標系的建立，對矢量方向性（正負）的論述和交待，對計算結(jié)果與實際情境的關(guān)聯(lián)理解，以及對物體運動及相互作用過程的交待等等，所有這些，均既有利于學生自學，也為教師的教學規(guī)范提供了案例。

2.2 注重聯(lián)系實際生活，圖文并茂， 有利于激發(fā)學生的學習興趣

兩種教材例題均注重聯(lián)系實際生活，例如，人教版教材中的打壘球、列車編組站、火箭炸裂等，美國教材中的汽車制動、汽車碰撞、太空行走等，例題圖文并茂，均有利于激發(fā)學生的學習興趣，特別是人教版的“一毛”，在例題和習題中都有出現(xiàn)。

2.3 體現(xiàn)學科素養(yǎng)和解題素養(yǎng)，注重物理學科思想方法，有利于學生的科學思維能力水平的提高

兩種教材例題均對動量、動量變化量和沖量的矢量性進行了重點分析，著重體現(xiàn)了物體的運動觀和相互作用觀，有利于學生科學思維能力水平的提高。例題解答注重審題分析、隱含條件的轉(zhuǎn)換、物理模型的建立、對結(jié)果的討論，對提高學生解題素養(yǎng)有較好幫助。

2.4 注重對解題過程的說明，以文本框形式呈現(xiàn)，有利于學習理解相關(guān)過程

兩教材例題均注重對解題過程的說明，例如，中國教材的“解題時涉及的速度，都是相對于地面的速度?！泵绹滩牡摹皣娀饦岦c火前，系統(tǒng)的所有部分都是靜止的，因此系統(tǒng)的初動量為零?！边@樣的說明，有利于學生理解相關(guān)解題過程。

3 兩種教材例題的不同點

3.1 解題步驟層次上有明顯差異

【中】中國教材的解題步驟分為分析、解和最后結(jié)果的分析。這三大步驟在《動量守恒定律》這一章遵循較好，但在有的章節(jié)遵循不好，例如，必修1第二章第四節(jié)《勻變速直線運動的位移與速度的關(guān)系》例題將分析與解合在一起，對結(jié)果沒有分析。

【美】美國教材的解題步驟分明，每個題目分三大步，分別是分析概括問題、求解未知量和驗證答案。這三大步驟中的每一步又針對具體問題進行細分，例如，分析概括問題分為確定系統(tǒng)、建立坐標系、畫出示意圖、作出動量的矢量圖和寫出已知量與未知量。求解未知量與中國教材“解”這一步差不多，但是注重了數(shù)據(jù)的代入過程。驗證答案這一步統(tǒng)一分為3個方面，分別是“單位是否正確”“符號是否有意義”和“數(shù)據(jù)是否合理”。

3.2 解題過程對數(shù)學知識運用重視程度不同

【中】中國教材例題的解題過程對數(shù)學知識的運用重視程度不高，只是注重了建立坐標系和相關(guān)方程及運算，有時甚至在解題后的結(jié)果分析中交待建立坐標系。

【美】美國教材例題的解題過程對數(shù)學知識的運用重視程度較高，不僅注重了建立坐標系和相關(guān)方程及運算，還注重具體的代入數(shù)據(jù)及計算，在代入數(shù)據(jù)過程中特別注重了單位，在計算時還在旁邊提示相關(guān)計算過程的依據(jù)，如“將m=2200 kg”代入。這樣做可能是考慮美國學生計算能力相對較差的緣故吧。

3.3 解題過程中情境圖示重視程度不同

【中】中國教材例題雖然對情境也有分析，但是，除實物情境圖外，其他基本上是文字分析，不夠簡潔明了。這樣分析作為學生自覺是完全可以的，但是對學生圖示相關(guān)情境的能力培養(yǎng)不夠。目前教學中，學生不善于畫圖，或者是根本不畫圖分析問題。

【美】美國教材例題對情境分析完全是圖示呈現(xiàn)，不僅有實物情境圖，而且有矢量圖，圖中矢量是按照矢量的規(guī)范寫法進行，即印刷黑加粗斜體。這種寫法，對學生學習難度較大，但對培養(yǎng)學生正確的物理思維和分析方法有好處。

3.4 解題過程書寫的繁簡程度不同

【中】中國教材解題過程簡潔，方程簡潔不重復，有利于學生簡化思維過程。

【美】美國教材解題過程繁瑣，可能是嚴格遵循矢量圖列式的原因，方程重復較多。例如，圖2中“pi=pf”“pCi+pDi=pCf+pDf”和“mCvCi+mDvDi=mCvCf+mDvDf”，這三式均表示同一個物理過程所遵守的同一規(guī)律，即碰撞前后系統(tǒng)動量守恒。

3.5 解題過程中，對有關(guān)定律、原理的運用表述不同

【中】中國教材解題過程中，對有關(guān)定律運用的表述通常為“由動量守恒定律可得p'=p”，這樣的表述有引導學生死套公式、定律的問題。

【美】美國教材解題過程中，對有關(guān)定律運用的表述相對靈活，例如，“利用動量定理，求出汽車停下所需要的力。”“由于冰作用于兩車上的凈力接近于零，所以動量守恒?！薄袄脛恿渴睾愣汕蟪鰌f ?！?這樣的表述，體現(xiàn)的是對定律、原理的運用思想。

3.6 解題后對結(jié)果的驗證或分析不同

【中】中國教材注重對解題結(jié)果的分析，例如，負號的物理意義、結(jié)論的理解，這樣有利于學生對解題結(jié)果的理解。

【美】美國教材沒有對解題結(jié)果的分析，但是有對答案單位、符號和數(shù)值的驗證分析，這樣解題顯得完整，對結(jié)果的理解也有幫助。

4 對我國物理教材例題編制的啟示

4.1 進一步重視物理學科素養(yǎng)，注重例題解答過程中的物理意義

動量部分對矢量要求非常高，可借鑒矢量圖等方式，突出矢量地位，強化學生對矢量的重視和理解。矢量圖僅在必修1第一章第五節(jié)《速度變化快慢的描述——加速度》中出現(xiàn)了兩次，教師和學生基本沒有關(guān)注。為了不增加教學負擔，在動量部分增加矢量圖，引導學生增強對矢量的認識和理解是必要的。

4.2 重視解題前對題目的分析和概括，培養(yǎng)學生良好的審題習題

解答前，以明晰的步驟要求畫出相關(guān)情境圖或示意圖，標示已知與未知，對培養(yǎng)學生良好的審題習慣，強化學生的審題能力有較好幫助，也有利于提高學生的解題素養(yǎng)。

4.3 增加解題后對結(jié)果的分析步驟，還原物理味道

許多學生解題時套公式，對解得的結(jié)果不分析，不理解，做物理題像做數(shù)學題，體會不到物理味道。教材例題如果增加解題后對結(jié)果分析步驟，引導學生解題后的反思，能提高學生分析自己答案的合理性的能力，從而達到提高物理學科素養(yǎng)，實現(xiàn)理論聯(lián)系實際的目的。

參考文獻：

[1]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理選修3-5[M].北京：人民教育出版社，2010：1—25.

[2]（美）齊澤維茨（Zitzewitz，P.W）等.錢振華，等，譯.科學發(fā)現(xiàn)者，物理原理與問題 上冊[M].杭州：浙江教育出版社，2008.

（欄目編輯 鄧 磊）