高中物理到大學(xué)物理的力學(xué)教學(xué)銜接探究

張蝶 郝銀萍 李紅玉 閆強(qiáng) 李彥榮

[摘要]目前物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了比較成熟的階段，在許多專業(yè)知識(shí)中都會(huì)涉及到物理知識(shí)，在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域均取得了很大的成功。因此，理工科類大學(xué)生需要學(xué)習(xí)大學(xué)物理知識(shí)，大學(xué)物理教師需要研究如何把高中物理銜接到大學(xué)物理。我們以力學(xué)部分為例，探索了高中物理和大學(xué)物理中力學(xué)部分的不同點(diǎn)，并引出從高中物理銜接到大學(xué)物理的教學(xué)方法，能夠?yàn)榇髮W(xué)物理教師提供參考。

[關(guān)鍵詞]力學(xué)；大學(xué)物理；高中物理

[中圖分類號(hào)]G641? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[DOI]：10.20122/j.cnki.2097-0536.2024.04.054

在理工科大學(xué)生的學(xué)習(xí)生涯中，大學(xué)物理占有很重要的地位，能為將來專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。相比高中物理，大學(xué)物理的知識(shí)更廣泛、復(fù)雜，導(dǎo)致大學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理時(shí)會(huì)比較困惑；大學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理時(shí)會(huì)保留高中物理的學(xué)習(xí)方法，較難學(xué)習(xí)使用新的思維方法解決物理問題。因此，大學(xué)物理教師在教學(xué)中需要采用一些有效的方法從高中物理銜接到大學(xué)物理，使大學(xué)生能夠熟練掌握大學(xué)物理知識(shí)。力學(xué)在高中物理和大學(xué)物理中均占有很重要的位置，力學(xué)也是學(xué)習(xí)其他理工科類專業(yè)課程的基礎(chǔ)，因此本文以力學(xué)為例來分析如何從高中物理銜接到大學(xué)物理。

一、課程介紹

大學(xué)物理是理工科學(xué)生所學(xué)課程的一門公共基礎(chǔ)課，大部分學(xué)校需要兩學(xué)期完成學(xué)習(xí)。大學(xué)和高中物理課程內(nèi)容相似，由于教學(xué)規(guī)定，高中物理學(xué)習(xí)分為必修部分和選修部分；大學(xué)生在學(xué)習(xí)與高中必修部分有關(guān)的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，更容易掌握新的知識(shí)，但是涉及到高中物理選修部分知識(shí)點(diǎn)時(shí)會(huì)感到困惑，并且難以用高等數(shù)學(xué)方法解決物理問題。因此，大學(xué)物理教師在教學(xué)時(shí)需要由淺入深，在高中物理基礎(chǔ)上有效銜接到大學(xué)物理。

二、大學(xué)物理與高中物理力學(xué)的不同點(diǎn)

高中物理和大學(xué)物理力學(xué)的知識(shí)范圍不同[1]。在高中物理力學(xué)中需要學(xué)習(xí)萬有引力定律，但是大學(xué)物理力學(xué)部分去掉了這一知識(shí)點(diǎn)；而大學(xué)物理力學(xué)部分增加了一些新的內(nèi)容，如為了描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候的物理量引入了剛體，為了研究剛體的運(yùn)動(dòng)情況推導(dǎo)出了剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)角動(dòng)量守恒定律。

高中物理力學(xué)解決特殊情況下的物理問題，大學(xué)物理力學(xué)需要解決普遍情況下的物理問題。高中物理力學(xué)遇到的問題一般都是理想情況，而且規(guī)律比較簡(jiǎn)單；而大學(xué)物理力學(xué)中遇到的問題比較普遍，沒有太多規(guī)律，需要考慮的物理?xiàng)l件比較繁雜。如高中力學(xué)會(huì)遇到理想情況勻速圓周運(yùn)動(dòng)，只需要考慮質(zhì)點(diǎn)的向心力，可以根據(jù)公式進(jìn)行求解。但是大學(xué)物理力學(xué)中的圓周運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，需要考慮質(zhì)點(diǎn)切向方向受到的力和法向方向受到的力，可以根據(jù)公式進(jìn)行求解；當(dāng)切向方向所受的力為0時(shí)，一般圓周運(yùn)動(dòng)可變?yōu)閯蛩賵A周運(yùn)動(dòng)，所以勻速圓周運(yùn)動(dòng)是一種特殊物理問題。

高中物理力學(xué)中需要用到初等數(shù)學(xué)方法，大學(xué)物理力學(xué)中需要用到高等數(shù)學(xué)方法。在大學(xué)物理力學(xué)中研究的是普遍情況下的物理問題，物體的受力以及運(yùn)動(dòng)情況更復(fù)雜，需要應(yīng)用高等數(shù)學(xué)知識(shí)來解決問題，經(jīng)常會(huì)用到矢量運(yùn)算和微積分方法。如在求解勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移表達(dá)式時(shí)，高中解法是作圖法：如圖1先把物體的v-t圖像畫出來，然后把物體的運(yùn)動(dòng)過程分成許多小的時(shí)段，每個(gè)小的時(shí)段可以看作勻速直線運(yùn)動(dòng)，每個(gè)小時(shí)段矩形的面積可看作這一時(shí)間段的位移，所有小時(shí)段的面積之和就代表整個(gè)過程的位移，因此梯形面積就代表當(dāng)加速度為a時(shí)，從0（此時(shí)速度為V0到t這段時(shí)間間隔的位移，梯形面積可表示為：

而大學(xué)的解法應(yīng)用了微積分方法，在勻變速直線運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)加速度為時(shí)，從0（此時(shí)位移為）到t這段時(shí)間間隔的位移可用以下方法求解：

當(dāng)為0時(shí)，上式可化為高中物理力學(xué)中勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移表達(dá)式，兩者推導(dǎo)方式不同，但是結(jié)論卻一致。

高中物理力學(xué)分析解釋物理現(xiàn)象，大學(xué)物理力學(xué)分析物理本質(zhì)。由于高中學(xué)習(xí)的物理知識(shí)比較簡(jiǎn)單，學(xué)生只需要了解物理現(xiàn)象并能夠用具體的物理公式計(jì)算物理問題；但在大學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生要對(duì)物理知識(shí)進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，要會(huì)通過現(xiàn)象分析本質(zhì)，并且能夠解釋物理現(xiàn)象以及推導(dǎo)相關(guān)物理知識(shí)。如狹義相對(duì)論的時(shí)間間隔相對(duì)性，高中學(xué)生只需要了解在不同的慣性參考系中測(cè)得兩件事情的時(shí)間間隔是不同的，并且會(huì)用公式簡(jiǎn)單計(jì)算不同情況下的時(shí)間間隔；但大學(xué)生則明白為什么不同的慣性參考系中測(cè)得兩件事情的時(shí)間間隔不同，還要掌握時(shí)間膨脹公式的推導(dǎo)，并且能夠用時(shí)間膨脹知識(shí)解釋一些典型例子，如雙生子佯謬。

三、高中物理力學(xué)到大學(xué)物理力學(xué)的銜接方法

由于高中和大學(xué)力學(xué)的知識(shí)范圍、知識(shí)普遍度、使用數(shù)學(xué)方法的不同，導(dǎo)致理工科大學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理力學(xué)時(shí)會(huì)感到困惑、學(xué)習(xí)興趣下降，從而影響后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)。為了解決這些問題，需要大學(xué)物理教師在教學(xué)中采用有效措施來進(jìn)行銜接。

（一）由高中物理力學(xué)知識(shí)引出大學(xué)物理力學(xué)知識(shí)進(jìn)行銜接

在高中和大學(xué)階段有一些共同的物理力學(xué)知識(shí)點(diǎn)，在高中需要掌握特殊情況下恒量之間的關(guān)系，在大學(xué)物理力學(xué)中這些知識(shí)由恒量之間的關(guān)系變?yōu)樽兞恐g的關(guān)系。教師在講解這些共同知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候，可以先回憶高中物理力學(xué)中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，然后再引出大學(xué)物理力學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)，恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)行兩個(gè)階段的同一種知識(shí)點(diǎn)的比較，合理的進(jìn)行教學(xué)的銜接，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解[2]。比如高中物理力學(xué)和大學(xué)物理力學(xué)中動(dòng)能定理的表述相同，在高中物理力學(xué)中，動(dòng)能定理應(yīng)用于恒力沿著直線做功，求解過程比較簡(jiǎn)單；但在大學(xué)物理力學(xué)中，動(dòng)能定理應(yīng)用于變力沿著曲線做功，在求解過程中會(huì)用到微積分知識(shí)和矢量運(yùn)算知識(shí)；通過高中和大學(xué)相同知識(shí)點(diǎn)的比較，學(xué)生會(huì)對(duì)動(dòng)能定理中的變量有深刻的理解。教師在講解共同知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候，通過講解兩個(gè)階段同一知識(shí)點(diǎn)的不同之處，使學(xué)生意識(shí)到大學(xué)物理知識(shí)的廣泛性，能夠應(yīng)用大學(xué)物理力學(xué)知識(shí)解決更加復(fù)雜的物理問題。

在大學(xué)物理力學(xué)中會(huì)學(xué)習(xí)一些新的知識(shí)，比如剛體力學(xué)部分。教師在講解新增知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候可以與已經(jīng)學(xué)過的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行比較，如講解剛體力學(xué)部分可與質(zhì)點(diǎn)力學(xué)部分進(jìn)行比較，由質(zhì)點(diǎn)推導(dǎo)出剛體的概念以及相關(guān)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)理想物理模型，它忽略物理的大小和形狀，當(dāng)物體的大小和形狀不能忽略，如輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)、地球的自轉(zhuǎn)，該如何建立理想物理模型呢？如果忽略掉物體的形變，就可以把物體抽象為剛體，剛體也是一種理想模型。教師通過舊知識(shí)點(diǎn)引出新知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生更容易理解新知識(shí)點(diǎn)。

（二）加強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用高等數(shù)學(xué)方法來解決物理力學(xué)問題的能力

隨著學(xué)習(xí)的深入，力學(xué)的物理模型由一般情況變成普通情況，物理量由恒量變成變量，因此需要用微積分方法去解決實(shí)際問題。大學(xué)生在大一已經(jīng)學(xué)習(xí)過了微積分，但是側(cè)重點(diǎn)在數(shù)學(xué)計(jì)算上，很難把微積分和物理問題聯(lián)系起來，因此教師在教學(xué)時(shí)需要把物理中的極限概念講透，多用微積分方法來做題，培養(yǎng)學(xué)生用微積分解決問題的能力。微分在物理學(xué)中常常以微元的形式出現(xiàn)，比如質(zhì)量元、電荷元、位移元，因此在解決力學(xué)問題時(shí)需要先選取合適的微元量，然后再進(jìn)行積分，教師要引導(dǎo)學(xué)生深刻理解物理中微元量的意義。以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的求解為例，如圖2求解質(zhì)量為m，長(zhǎng)為l的棒，繞端點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，由于棒上不同位置距轉(zhuǎn)軸的距離不同，所以需要用微積分的方法來解決問題；由于質(zhì)量的分布具有一定的規(guī)律性，所以選取微元需要由相關(guān)規(guī)律性來決定，盡可能簡(jiǎn)化解題過程，選取距離軸x處，長(zhǎng)度為dx的棒為微元dx，微元dx的質(zhì)量為

在高中力學(xué)中，一般研究一維或者二維物理量，但在在大學(xué)物理力學(xué)中需要研究三維物理量，所以需要用矢量運(yùn)算去解決問題。在高中物理力學(xué)中一般會(huì)涉及到矢量的相加減運(yùn)算，而在大學(xué)物理力學(xué)中，由于物理模型的復(fù)雜性，需要更復(fù)雜的矢量運(yùn)算來解決問題[3]。學(xué)生剛接觸大學(xué)物理力學(xué)時(shí)很難形成用矢量方法來解決問題的習(xí)慣，因此需要教師在教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用矢量運(yùn)算的意識(shí)，放慢教學(xué)節(jié)奏引導(dǎo)學(xué)生了解矢量的概念、如何書寫矢量、熟練運(yùn)用矢量運(yùn)算。比如在講解剛體力學(xué)中的力矩時(shí)，詳細(xì)的介紹矢量的表示方法、矢量叉乘的法則，再介紹判斷矢量叉乘結(jié)果方向的右手螺旋法則，通過詳細(xì)的教學(xué)過程打破學(xué)生在高中時(shí)形成的思維習(xí)慣并接受新的方法。

（三）由物理現(xiàn)象引出物理規(guī)律

隨著物理力學(xué)知識(shí)的難度升高，學(xué)生難以理解新的知識(shí)點(diǎn)，教師在教學(xué)中可借助生活中的物理現(xiàn)象進(jìn)行講解。如在學(xué)習(xí)剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量守恒定律時(shí)，可借助花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員的表演進(jìn)行講解，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員抱緊雙臂、腿收攏轉(zhuǎn)動(dòng)速度就會(huì)加快，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員手腳張開轉(zhuǎn)動(dòng)速度就會(huì)減慢。為什么會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象？在學(xué)習(xí)剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量守恒定律后就明白，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員抱緊雙臂、腿收攏時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少、轉(zhuǎn)動(dòng)速度變大，而當(dāng)運(yùn)動(dòng)員手腳張開時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變大、轉(zhuǎn)動(dòng)速度變小。教師通過具體的物理現(xiàn)象，加深了學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解。

四、結(jié)語

本文從知識(shí)范圍、知識(shí)普遍程度、運(yùn)用數(shù)學(xué)方法三方面分析了大學(xué)物理與高中物理力學(xué)的不同點(diǎn)，結(jié)合具體的例子進(jìn)行比較。為了更好的在教學(xué)中從高中物理銜接到大學(xué)物理，教師在教學(xué)過程中要由易到難，由高中物理知識(shí)引出大學(xué)物理知識(shí)，由物理現(xiàn)象引出物理規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用高等數(shù)學(xué)方法解決問題的能力；同時(shí)，還需要充分考慮學(xué)生的物理基礎(chǔ)，使學(xué)生能夠從高中物理知識(shí)過渡到大學(xué)物理知識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]曹海霞.淺談大學(xué)物理與中學(xué)物理教學(xué)的有效銜接[J].物理教師，2021，42（10）：25-29.

基金項(xiàng)目：2023年山西省高等學(xué)校一般性教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目課題，項(xiàng)目名稱：基于OMO的大學(xué)物理同步教學(xué)探索與研究，（項(xiàng)目編號(hào)：J20231508）

作者簡(jiǎn)介：

張蝶（1994.9-），女，漢族，山西長(zhǎng)治人，碩士，助教，研究方向：凝聚態(tài)物理；

郝銀萍（1983.5-），女，漢族，山西太原人，博士，副教授，研究方向：新能源利用；

李紅玉（1992.10-），女，漢族，山西臨汾人，碩士，講師，研究方向：理論物理；

閆強(qiáng)（1991.8-），男，漢族，山西大同人，碩士，講師，研究方向：新能源利用；

李彥榮（1992.1-），女，漢族，山西臨汾人，碩士，講師，研究方向：凝聚態(tài)物理。