高中物理力學(xué)概念的梳理

鐘奇軒

本研究的主旨在于通過調(diào)查，確定我國的高中物理核心概念、核心概念的內(nèi)涵以及各個(gè)年級段學(xué)生對核心概念應(yīng)達(dá)到的理解程度。另外，核心概念的抽象、概括程度也需要進(jìn)一步研究。理科教師協(xié)會(huì)指出，在恰當(dāng)?shù)母爬ǔ潭壬洗_定核心概念是新標(biāo)準(zhǔn)研制的最大難題。例如，“牛頓定律”這一表述的概括程度能使標(biāo)準(zhǔn)的條目數(shù)量顯著減少，但它不夠清晰，同時(shí)又包含大量的邏輯內(nèi)容，并沒有真正減少學(xué)生要學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容。

1 運(yùn)動(dòng)的描述

通過分析教科書中本章的內(nèi)容可知，本章屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)的內(nèi)容，其主旨在于通過介紹一系列基本的概念來描述物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這些概念具有基礎(chǔ)性，以后學(xué)生無論描述哪一種形式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，都會(huì)用到這些物理量。

具體來看，在某些情況下，人們在描述運(yùn)動(dòng)時(shí)可以忽略次要因素，將物體看作是有質(zhì)量的物質(zhì)點(diǎn)。描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)首先需要建立參照系，在參照系上建立坐標(biāo)系能定量描述質(zhì)點(diǎn)的位置及位置的變化。在此基礎(chǔ)上，教科書引進(jìn)了位移的概念描述質(zhì)點(diǎn)位置的變化，其大小用坐標(biāo)軸上的兩個(gè)位置坐標(biāo)的變化量來表示，引進(jìn)了平均速度和瞬時(shí)速度的概念來描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢，用加速度來描述物體運(yùn)動(dòng)速度變化的快慢，還指出在加速和減速兩種不同的情況下，加速度方向與速度方向之間的關(guān)系。位移等概念與初中所學(xué)畢竟不同，教科書在此初步指出了標(biāo)量和矢量的不同及其運(yùn)算法則的不同。

綜合考慮以上概念，結(jié)合本章的概念圖，筆者將本章的主要內(nèi)容概括為以下的大概念：描述物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以在選定參考系的基礎(chǔ)上，分別用位移、速度、加速度描述質(zhì)點(diǎn)位置的變化、運(yùn)動(dòng)的快慢及速度變化的快慢。

2 勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究

通過分析教科書中本章的內(nèi)容可知，雖然勻加速直線運(yùn)動(dòng)必然是在外力的作用下才能產(chǎn)生，但本章的主旨卻在于從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度和位移隨時(shí)間變化的規(guī)律，并沒有涉及到受力的內(nèi)容，因此，本章內(nèi)容仍屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)。

本章首先讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，學(xué)生通過用表格記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并用v—t圖像處理數(shù)據(jù)，對勻加速直線運(yùn)動(dòng)有了感性認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，教科書引入了勻變速直線運(yùn)動(dòng)的概念及其圖像。通過理論推導(dǎo)，得到了勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系V=V0+at，位移與時(shí)間的關(guān)系s=v0t+1/2×at2，以及速度與位移的關(guān)系為v2一v02=2as。自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，其瞬時(shí)速度和位移的計(jì)算都可以用以上公式。

綜合考慮以上概念，結(jié)合本章的概念圖，筆者將本章的主要內(nèi)容概括為以下的大概念：勻變速直線運(yùn)動(dòng)是加速度保持不變的直線運(yùn)動(dòng)，其速度和位移隨著時(shí)間的推移而有規(guī)律地變化。

3 相互作用

通過分析教科書中本章的內(nèi)容可知，本章的主旨在于讓學(xué)生理解幾種常見力的特點(diǎn)和規(guī)律，并掌握力的運(yùn)算法則。

具體來看，本章給出了力的定義和力的圖示表示法，將所有的力概括為四種基本相互作用，即引力、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。重力、彈力和摩擦力這幾種常見力可以歸結(jié)為引力和電磁力。本章重點(diǎn)介紹了這三種常見力的特點(diǎn)和規(guī)律，給出了重力的大小和方向、重心的概念及其影響因素，介紹了彈力產(chǎn)生的原因、常見的彈力種類和胡克定律，介紹了靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生的原因、大?。ǘ浚┖头较?。此外，本章還介紹了合力與分力的概念、力的合成與分解的方法，并指出了矢量和標(biāo)量的運(yùn)算方法。筆者將本章所包含的概念（較下位的、一般的概念）梳理出來，如下表所示：

綜合考慮以上概念，結(jié)合本章的概念圖，筆者將本章的主要內(nèi)容概括為以下的兩個(gè)大概念：

①力是物體之間的相互作用，自然界最基本的相互作用是引力相互作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。重力是萬有引力在地球表面附近的表現(xiàn)，彈力、摩擦力是由電磁力引起的。

②合力與分力的作用效果相同，力的合成與分解遵從平行四邊形法則。

4 牛頓運(yùn)動(dòng)定律

通過分析教科書中本章的內(nèi)容可知，本章的主旨在于介紹牛頓三定律及其應(yīng)用，從而確立運(yùn)動(dòng)與力之間的關(guān)系，這也是動(dòng)力學(xué)的核心。

具體來看，本章在伽利略的理想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上介紹了牛頓第一定律、慣性的概念及其影響因素。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上，介紹了牛頓第二定律和牛頓第三定律，尤其是受力分析以及“一對相互平衡的力與“一對作用力和反作用力”之間的區(qū)別。牛頓第二定律確定了力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，能從運(yùn)動(dòng)情況推斷受力情況并從受力情況推斷運(yùn)動(dòng)情況，還能確定共點(diǎn)力作用下物體的平衡條件。超重和失重現(xiàn)象的分析則是對牛頓第二定律和第三定律的綜合應(yīng)用。力學(xué)單位制的內(nèi)容在本章中不是重點(diǎn)內(nèi)容。

綜合考慮以上概念，結(jié)合本章的概念圖，筆者將本章的主要內(nèi)容概括為以下的大概念：物體在不受力或所受合力為0時(shí)保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，所受合力不為0時(shí)產(chǎn)生加速度。力的作用總是相互的。運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律能研究物體受力與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。

5 曲線運(yùn)動(dòng)

通過分析教科書中本章的內(nèi)容可知，本章的主旨在于通過對平拋運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的深入分析，介紹曲線運(yùn)動(dòng)的研究方法。

本章先從整體上給出了曲線運(yùn)動(dòng)的研究方法，即通過平面直角坐標(biāo)系兩個(gè)坐標(biāo)軸上的分矢量表示物體的位移或速度。介紹了曲線運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度的方向及其變化，闡明了物體在什么情況下會(huì)做曲線運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步深入介紹了兩種最典型的曲線運(yùn)動(dòng)，即平拋運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)。闡明了平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向和豎直方向上的速度變化規(guī)律和位移變化規(guī)律，并將其推廣到一般的拋體運(yùn)動(dòng)。介紹了描述圓周運(yùn)動(dòng)的物理量線速度和角速度，建立了勻速圓周運(yùn)動(dòng)的模型。通過理論推導(dǎo)給出了勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度的方向和大小，并由牛頓第二定律得知了向心力的大小和方向，然后推廣到變速圓周運(yùn)動(dòng)和一般的曲線運(yùn)動(dòng)。對生活中的各種圓周運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的分析都是對前面所學(xué)概念的應(yīng)用。

綜合考慮以上概念，結(jié)合本章的概念圖，筆者將本章的主要內(nèi)容概括為以下的三個(gè)大概念：

①當(dāng)物體所受合力的方向與它的速度方向不在同一直線時(shí)，物體做曲線運(yùn)動(dòng)?？梢杂闷矫嬷苯亲鴺?biāo)系研究物體的曲線運(yùn)動(dòng)。

②拋體運(yùn)動(dòng)在水平方向?yàn)閯蛩僦本€運(yùn)動(dòng)，豎直方向?yàn)榧铀俣葹間的勻變速直線運(yùn)動(dòng)。

③物體之所以能做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，在于它受到了向心力的作用，向心力產(chǎn)生向心加速度。變速圓周運(yùn)動(dòng)既有向心加速度又具有切向加速度。