從人教版“力的分解”最新修訂“萃取”出的隱性知識

江西師范大學物理與通信電子學院(330022) 宋楠柯 周新雅 沈林東

“力的分解”既是高中物理知識體系中的重點也是難點。在教學這一知識點時，不少教師常常是將重心放在如何對某一個力“按作用效果進行分解”上。依據(jù)是各個版本教材先前針對“力的分解”的表述。早期的人教版、粵教版、教科版、滬教版和魯科版教材中均是如此，但人教版教材經(jīng)過2019年最新修訂后摒棄了這一說法，取而代之的表述是“力根據(jù)實際情況分解”，并將“力的分解”內(nèi)容編排作出了重大調(diào)整，其中究竟隱藏著什么玄機，是一線教師不甚明了的地方，筆者特此進行了以下梳理。

1 教材的變遷

人民教育出版社為了更好地適應時代的需要，在廣泛調(diào)研、總結經(jīng)驗、反思不足的基礎上，就內(nèi)容的選取、組織和呈現(xiàn)方式等方面對高中物理教材“力的分解”進行了全面的修訂。對比2006年、2010年、2019年先后的修訂版不難發(fā)現(xiàn)，隨著教材不斷修訂完善，易教性和易學性越來越明顯。如果能及時明確這些變化所包含的意圖，就能給教學帶來更多幫助和啟示，也有利于教師進一步把握教材的實質(zhì)。

1.1 從人教版教材“力的分解”中一道題目不斷改變說起

1.1.1 2006年人教版中的一道例題

例題：如圖1所示，把一個物體放在傾角為θ的斜面上，物體受到豎直向下的重力，但它并不能豎直下落。從力的作用效果看，應該怎樣將重力分解？兩個分力的大小與斜面的傾角有什么關系？

圖1中物體所受重力使它下滑，同時緊壓斜面。要根據(jù)這兩個效果把力分解。

分力和合力其實是指同一物體上受到的力，將某力分解得到的分力與合力等效且屬同一性質(zhì)的力，這是學生在解題前已有的部分認知。而2006年人教版教材的這一例題卻容易讓一些學生產(chǎn)生這樣的疑惑：重力G垂直于斜面使物體緊壓斜面的分力F2并不作用在同一物體上，似乎力還可以被分解成該物體對其他物體的作用力。顯然，這和前面所講的“力的分解”是“對同一個物體所受力的等效分解”相矛盾。另外，重力G屬于引力的一部分，而F1與F2為彈力，一個引力可以分解為兩個彈力嗎？這似乎又和力分解前后應是同一性質(zhì)的力矛盾。

1.1.2 2010年與2019年人教版一改再改的題

2010年人教版教材則將例題改變成：把一個物體放在傾角為θ的斜面上。物體受到重力，大小為G，方向豎直向下，如圖2甲所示(物體還受到其他力的作用，圖中沒有畫出)。現(xiàn)在需要沿平行于斜面的方向和垂直于斜面的方向?qū)ξ矬w的運動分別進行研究，為此建立直角坐標系如圖2乙所示?，F(xiàn)在把重力G沿兩個坐標軸的方向分解為F1和F2，求兩個分力的大小。

例題直接給出重力的兩個分力方向，需要求的是分力的大小，簡單直接，符合學生學習認知特點。相較于2006年版教材中的例題，避免了力按作用效果分解帶來的困惑。但是，由于該例題并沒有展現(xiàn)出為什么要對一個力進行分解，學生可能還會“知其然而不知其所以然”，當再次遇到未知兩個分力方向的問題時依然無從下手。

2019年人教版教材對該題目的表述雖然仍與2010年人教版教材基本相同，但不再作為例題，而是將其變身為“聯(lián)系與應用”中的一道練習題。緊隨著一道題的一改再改，與之相適應的人教教材為此也作出了根本性改變，那就是徹底摒棄了“力按作用效果分解”的做法，轉而直接給出兩個分力的方向，這是一個非常突出但又顯得微弱的信號，需要更多有識之士共同理解并付諸實施，請看教材與之配套的其他改變。

物理是一門邏輯嚴謹?shù)膶W科，教材內(nèi)容編排順序的變化反映了教學內(nèi)容邏輯思維的變化。筆者對比了2019年人教版教材和2010年人教版(或2006年人教版)教材的部分編排順序，2019年人教版教材將2010年人教版教材的4.5節(jié)“牛頓第三定律”編排在3.3節(jié)“牛頓第三定律”，將2010年人教版教材的3.4節(jié)“力的合成”和3.5“力的分解”合為3.4節(jié)“力的合成和分解”。另外，2019年人教版教材將2010年人教版的4.7節(jié)中的“共點力的平衡條件”編排在3.4節(jié)“力的合成和分解”之后，即3.5節(jié)“共點力的平衡”。

教材的編排順序為何要作這樣的變化，這需要教師從物理規(guī)律的本質(zhì)出發(fā)，理清教材變化的來龍去脈方可達到釋疑解惑的效果。

2 疑惑產(chǎn)生的原因

教材是教師和學生的第一手資料，其內(nèi)容的編寫直接影響著教師的教和學生的學。對于存在的疑惑，筆者通過研究相關資料并結合自身實踐，總結得出以下幾點原因。

2.1 不同版本教材均提出“按力的作用效果分解”

筆者查閱了現(xiàn)行的高中物理其他版本教材，發(fā)現(xiàn)粵教版、教科版、滬教版、魯科版教材均提出“按力的作用效果分解”。粵教版在“力的合成與分解”的教學片段中提到：在進行力的分解時，一般先根據(jù)力的作用效果來確定分力的方向，再依據(jù)平行四邊形定則來計算分力的大小。教科版“力的分解”則是這樣闡述的：如果對一個力的分解沒有條件限制，那么一個力可以由無數(shù)組分力來替代。在一個具體問題中，對一個已知力的分解可根據(jù)力的實際作用效果來確定。

前面說過從不同版本教材的表述可知，現(xiàn)行的大部分教材均提出“按力的作用效果分解”，這就自然而然導致了教師教學時也采用這種說法。

2.2 “合力”與“分力”演示實驗中滲透了“分力有作用效果”

在2010年人教版教材“力的合成”中的“探究求合力的方法”實驗，如圖3所示，將小圓環(huán)掛在橡皮條下端，用兩個彈簧測力計拉小圓環(huán)的效果和用一個彈簧測力計拉的效果相同，即F1和F2的共同作用效果和F的作用效果相同，通過畫力的圖示得出F1和F2與F滿足平行四邊形定則。教材中將F1和F2稱為分力、F稱為合力。在該實驗中F1和F2確確實實是存在作用效果的，在學生的潛意識中就形成“按力的作用效果”分解是對的。其實不然，“力的分解”和“力的合成”是等效思想的具體應用，“合力”和“分力”都是根據(jù)矢量運算法則得出來的結果。在實驗中F1和F2的共同作用效果等效于F的作用效果，并不說明F有兩個作用效果是沿F1和F2方向拉橡皮條。改變F1和F2的大小和方向，只要把小圓環(huán)拉到相同的位置，那么F1和F2就與F是等效的。

2.3 直接經(jīng)驗引起的錯覺

在學習“力的分解”時，教師為了讓學生直觀地感受“力的作用效果”，通常帶領學生做如圖4所示的實驗，讓學生親身感受鉤碼豎直向下拉細繩的力產(chǎn)生的作用效果,從而獲得直接經(jīng)驗。通過該實驗，學生的確感受到了細繩BO對手指的拉力和圓珠筆對手掌的壓力，就認為鉤碼豎直向下拉細繩的力產(chǎn)生的作用效果分別是沿細繩BO斜向下拉手指和沿圓珠筆向里壓手掌，因此將F1分解為F2和F3。但是細繩BO斜向下拉手指的力F2是細繩與手指之間的相互作用，圓珠筆向里壓手掌的力F3是圓珠筆與手掌的相互作用，而F1是細繩與圓珠筆之間的相互作用，分力和合力作用在不同的物體上，這顯然和力的分解是對同一個物體所受力的等效分解相矛盾。

3 2019年人教版教材編排順序變化的優(yōu)勢

2019年人教版教材果斷調(diào)整“力的合成和分解”內(nèi)容編排順序，使其明顯具有以下優(yōu)勢：

第一，有利于設置明確的教學目標。2019年人教版教材在“力的分解”中只需要掌握用平行四邊形定則求解有確定解的兩個分力，并沒有要求根據(jù)“力的分解”直接求解物體的受力，降低了教學的難度，避免了上述分析帶來的疑惑。

第二，有利于從本質(zhì)上揭示分解力的原因。在“力的合成和分解”中學生掌握了求解已知確定方向的兩個分力，在下一節(jié)“共點力的平衡”中，便可以知道為什么這樣分解。如圖5所示，靜止在斜面上的物體受豎直向下的重力G、垂直于斜面向上的支持力FN和沿斜面向上的摩擦力Ff，此時物體在這三個力的作用下保持平衡。若求物體所受的支持力FN和摩擦力Ff的大小，可以沿斜面方向和垂直于斜面方向建立直角坐標系，將重力沿兩個坐標軸方向分解為G1和G2。由平衡條件可知，支持力FN的大小就等于G1的大小，摩擦力Ff的大小就等于G2的大小。所以，分解重力的原因是便于人們解決問題，這也就與教材上面所講的一個已知力究竟應該怎樣分解，由具體情況來確定相一致。

第三，2019年人教版教材將“牛頓第三定律”編排在“力的合成和分解”的前一節(jié)，有利于求解物體對斜面的壓力。根據(jù)第二點分析，在已經(jīng)求出來斜面對物體的支持力大小后，根據(jù)牛頓第三定律，物體對斜面的壓力大小就等于斜面對物體的支持力的大小。

第四，有利于培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)。2019年人教版教材將“共點力的平衡”編排在“力的合成和分解”之后，學生不僅學會對已知力進行分解，而且知道了為什么這樣分解，知其然且知其所以然，具備了分析問題和解決問題的能力。

4 對教學“力的分解”的建議

教材作為師生共有的第一手教學資料，雖然2019年人教版教材在“力的分解”中明顯已經(jīng)作出了改變，但是，仍然有很多教師未作出相應的改變。教師應該熟讀教材，重視教材修訂前后的變化，順應教材的發(fā)展變化要求。

4.1 教師應設置明確的教學目標

修訂后的教材在“力的分解”中的教學目標可以設為：①理解合力和分力的概念；②突出力的分解的等效替換的思想；③會用平行四邊形定則求解有確定解的兩個分力。明確“力的分解”只是解決問題的一個工具。修訂后的教材在“力的分解”練習題中并沒有用力的分解來求解物體受力。這樣設置內(nèi)容，前后一致，教學目標清晰明確。

4.2 把握“力的分解”的功能定位

力的合成和分解，其功能定位于“應用等效替換方法的受力計算工具”，這樣的功能定位，不僅易于學生接受，而且還有利于節(jié)約課堂教學時間，也大大減輕了學生的負擔，最重要的是規(guī)范了以“運動與相互作用”的視角分析問題的思路，在實際教學中就不應拔高其要求，不要用力的合成和分解直接求解物體的受力問題。

5 總結

從教材“力的分解”一節(jié)中的內(nèi)容編排順序變化可以看出，在教學中廣大一線教師既要構建有優(yōu)化結構的高中物理知識系統(tǒng)，又要廣泛收集教材資源，多做教材分析，感悟新修訂教材中的隱性知識，在教學實踐中，體悟教材修訂完善帶來的諸多益處。