理清物理概念及其相互關(guān)系

楊映川 董芳芳

摘? ?要：物理量及其對應(yīng)的物理關(guān)系式是物理概念、規(guī)律的呈現(xiàn)方式，對高中物理的主要物理量及其對應(yīng)的關(guān)系式進行分類比較，明晰主要物理量及其對應(yīng)的關(guān)系式的物理意義，理清各物理量及對應(yīng)關(guān)系式的相互關(guān)系，能夠優(yōu)化高中物理知識體系，建構(gòu)系統(tǒng)的物理觀念。

關(guān)鍵詞：物理量;物理關(guān)系式;物理規(guī)律;物理觀念

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）11-0064-2

物理概念是揭示研究對象具有的物理屬性的一種思維形式，包括物質(zhì)概念、定性物理概念和定量物理概念。定量物理概念即為物理量。物理規(guī)律是物理現(xiàn)象或過程的本質(zhì)聯(lián)系，反映了物理運動中諸要素之間內(nèi)在的必然聯(lián)系，表現(xiàn)為在某物理狀態(tài)下或物理過程中相關(guān)物理概念之間在一定條件下所遵從的關(guān)系，是反映物理現(xiàn)象或過程在一定條件下發(fā)展變化的必然趨勢。物理規(guī)律通常以物理關(guān)系式（如物理定律和物理定理等）形式出現(xiàn)?？梢?，物理關(guān)系式是物理規(guī)律的基本形式，反映了物理量之間的關(guān)系。

物理量及其相互關(guān)系是物理概念和物理規(guī)律的基本形式，不同的物理量有其不同的含義，即使同一個物理量在不同的關(guān)系式中也有一定的普遍性和特殊性的差異。比如，由功率的定義式P= 得出的P=Fv、P=IU、P=I2R、P= 等關(guān)系式，前者是功率的普遍式，后者是功率在不同場合、不同條件下的特殊式。不同物理關(guān)系式的名稱各異，含義不同，即使是同一關(guān)系式也具有不同的物理含義。比如，W=I2Rt和Q=I2Rt屬于同一關(guān)系式，卻表示了兩個不同的物理量。只有理清物理量及其關(guān)系式的本質(zhì)內(nèi)涵及聯(lián)系，掌握它們的共性與特點，才能構(gòu)建結(jié)構(gòu)優(yōu)化的物理知識體系。

1? ? 物理量及其類型

物理量是用于量度物質(zhì)屬性和描述物體運動狀態(tài)的，是隨著物理學(xué)的發(fā)展逐步建立并不斷豐富完善的。因此，理解物理量的物理意義及其在不同關(guān)系式中的含義，是掌握物理概念、理解物理規(guī)律的必要條件。物理量可以從不同角度進行分類。

1.1? ? 按方向

物理量可分為標(biāo)量和矢量。只有大小沒有方向的物理量稱為標(biāo)量，標(biāo)量的運算遵循代數(shù)運算法則。既有大小又有方向的物理量稱為矢量，矢量的運算遵循平行四邊形定則。

1.2? ? 按來源

物理量之間通過各種物理關(guān)系式彼此建立了聯(lián)系，因此沒有必要獨立地規(guī)定每一個物理量的單位。只要選定一組數(shù)目最少的相互獨立的物理量作為基本物理量，并給每個基本量規(guī)定一個基本單位，其他物理量的單位則可依據(jù)它們與基本量之間的關(guān)系式導(dǎo)出來，這些導(dǎo)出的物理量被稱為導(dǎo)出物理量。導(dǎo)出物理量的單位都是由基本單位組合而成的，稱之為導(dǎo)出單位。在國際單位制中，選擇了七個物理量作為基本物理量，分別是長度、質(zhì)量、時間、電流、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量和發(fā)光強度，其余物理量都是導(dǎo)出物理量。

1.3? ? 按時空

物理學(xué)中把與狀態(tài)有關(guān)的物理量稱為狀態(tài)量，與過程有關(guān)的物理量稱為過程量。狀態(tài)與過程往往通過空間和時間相聯(lián)系，狀態(tài)量與過程量之間也由相應(yīng)的物理關(guān)系式聯(lián)系在一起。

2? ? 物理關(guān)系式及其類型

物理關(guān)系式不僅反映了物理量之間的數(shù)量關(guān)系，也確定了物理量之間的單位關(guān)系。在中學(xué)物理中，有些物理關(guān)系式是用語言直接敘述的，如牛頓第一定律、能量守恒定律、電荷守恒定律、楞次定律、熱平衡定律、熱力學(xué)第二定律、熱力學(xué)第三定律、各種定則等。還有一些物理關(guān)系式除了可以用語言敘述之外，還可以用數(shù)學(xué)公式即物理關(guān)系式表示。物理關(guān)系式是物理規(guī)律的重要表現(xiàn)方式。只有理解并掌握物理關(guān)系式以及它們之間的相互關(guān)系，才能理解和掌握與之對應(yīng)的物理規(guī)律，進而形成正確的物理觀念。物理關(guān)系式可以從不同角度進行劃分。

2.1? ? 按來源分為物理定律、物理定理和物理定則等

物理定律是被大量實驗事實所證明的，反映事物在一定條件下發(fā)生變化時的客觀規(guī)律，有一定的理論模型，一般是在特定的條件下才成立，如牛頓運動定律反映了物體的受力和運動之間存在的規(guī)律，由大量實驗事實總結(jié)而來，而不是從別的原理推導(dǎo)而來，這些規(guī)律只有在宏觀世界里的低速條件下才成立。物理定理是從物理定律出發(fā)，經(jīng)過邏輯推理、數(shù)學(xué)運算而得出的，所有定理都有與之對應(yīng)的定律，如動能定理是利用牛頓運動定律通過邏輯推理和數(shù)學(xué)推演而來，是對合外力做功與動能變化之間關(guān)系的陳述。有些定理還被稱為方程，如理想氣體的狀態(tài)方程。物理定則是人們公認(rèn)的一種用以表達事物間內(nèi)在聯(lián)系的規(guī)定，是一種人們用以解決某些問題所運用的工具，如平行四邊形定則就是用來表示合矢量與各分矢量之間內(nèi)在關(guān)系的規(guī)定，是進行矢量運算的工具。

2.2? ? 按性質(zhì)分為定義式和決定式

定義式是為了給一個物理量下定義而選定的關(guān)系式，亦即根據(jù)定義而列出的式子，反映了所定義物理量的物理意義，通常有比值定義式和乘積定義式兩類。比值定義式就是用其他物理量的比值來定義該物理量的公式，大多數(shù)比值定義的物理量與用來定義的其他物理量沒有關(guān)系，這樣的定義式也稱為量度式。如電場強度的定義式E= ，E與F和q沒有關(guān)系，是由電場本身的性質(zhì)決定的。但個別除外，如壓強的定義式p= ，對固體的壓強p來說，與壓力F成正比，與受力面積S成反比。乘積定義式就是用其他物理量的乘積來定義該物理量的公式， 多數(shù)乘積定義的物理量與用來定義的其他物理量之間存在關(guān)系，如W=FScosθ、I=Ft、p=mv、Ek= mv2、Ep=mgh、φ=BS等。決定式是明確表達某一個物理量與決定它的另外幾個物理量的關(guān)系式，因為是由其他幾個物理量決定了該物理量，所以叫決定式。一般情況下，決定式并不反映所決定的物理量的物理意義，如電阻的決定式R=ρ 表示導(dǎo)體的電阻R取決于導(dǎo)體的電阻率ρ和導(dǎo)體的長度l以及橫切面積S，并不反映電阻的物理意義。有些物理量從不同角度看有不同的決定式，如電流從微觀的角度去理解其決定式為I=nvqS，從宏觀的角度去理解其決定式為I= 等。定義式具有普遍性，而決定式只在某些特定條件下才成立。有些關(guān)系式既是物理量的定義式又是它的決定式，如W=FScosθ、I=Ft、p=mv、Ek= mv2、Ep=mgh、φ=BS等。有些關(guān)系式是一個物理量的定義式又是另一個物理量的決定式，如ρ= 是密度的定義式，變形為m=ρV則成了質(zhì)量的決定式。有些決定式是通過定義式的推導(dǎo)而得出的，如電流功率的決定式P=UI是由功率的定義式P= 推導(dǎo)得出的。

2.3? ? 按方向分為標(biāo)量式和矢量式

按物理關(guān)系式中物理量方向關(guān)系可分為標(biāo)量式和矢量式。有些物理公式只表示物理量的大小關(guān)系，如功的定義式W=FScosθ只表示了功與力、位移和力與位移夾角的大小關(guān)系，稱之為標(biāo)量式。有些物理公式不僅表示物理量的大小關(guān)系，還表示了物理量的方向關(guān)系，如電場強度的定義式E= 既表示了電場強度與電場力的大小關(guān)系，也表示了它們的方向關(guān)系，稱之為矢量式。

總之，只有在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確理解各個物理量及其對應(yīng)的關(guān)系式的來源及本質(zhì)含義，了解其普遍性和特殊性的相互關(guān)系，才能使學(xué)生理清物理概念，優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)體系，建構(gòu)起全面且正確的物理觀念。

（欄目編輯? ? 張正嚴(yán)）