運動學(xué)概念和規(guī)律的教學(xué)思考

摘 要：運動學(xué)概念和規(guī)律是高中物理教學(xué)的起點內(nèi)容。與初中物理相比，這些知識在理性分析、邏輯思維和定量要求等方面都提升到了一個新的高度，是整個高中物理的基礎(chǔ)內(nèi)容。教學(xué)中，教師要注重基礎(chǔ)知識的教學(xué)，循序漸進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生建立運動學(xué)的概念體系，讓學(xué)生了解運動學(xué)規(guī)律的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，并提升他們對運動學(xué)知識的宏觀理解和架構(gòu)能力，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的運動學(xué)觀念，提升他們的物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；物理觀念；運動學(xué)概念；運動學(xué)規(guī)律；數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，物理觀念的課程目標(biāo)是形成三個主要的物理觀念，能用其解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題。［1］高中物理課程的教學(xué)目的，不是讓學(xué)生僅僅獲得一些堆砌的知識，而是要讓學(xué)生構(gòu)建一個優(yōu)化后的高中物理知識系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這樣才能有效地形成物理觀念。物理觀念不是概念和規(guī)律的簡單堆砌，而是對概念和規(guī)律的提煉和升華，即把概念和規(guī)律提煉組合成一個有邏輯的、合理的知識系統(tǒng)，使其成為解決實際問題的關(guān)鍵視角，成為分析物理問題的思維指南。［2］

在自然界和生活中運動現(xiàn)象隨處可見，對運動的研究是物理學(xué)產(chǎn)生與發(fā)展的一個重要起點。從邏輯結(jié)構(gòu)來看，力學(xué)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，運動學(xué)又是力學(xué)的基礎(chǔ)。因此，學(xué)習(xí)物理應(yīng)當(dāng)從學(xué)習(xí)運動學(xué)知識開始。在人類文明幾千年的歷史長河中，盡管人類對運動的樸素理解往往是潛意識的，但這種理解卻根深蒂固，以至于每一個初學(xué)者都難免會遇到難以輕易跨越的認(rèn)知障礙。［3］學(xué)生對運動學(xué)概念和規(guī)律的理解通常不夠清晰、不夠深入，這在一定程度上影響了自身對正確運動觀念的形成和發(fā)展。本文總結(jié)了運動學(xué)概念體系和規(guī)律的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，以期為教學(xué)實踐提供有益的參考。

1 運動學(xué)概念體系

運動學(xué)概念體系如圖1所示。機械運動是指物體的空間位置隨時間的變化，這一表述明確了我們所研究問題的物理情境。在該情境中，研究對象是由宏觀物體抽象化后建立的理想模型——“質(zhì)點”。這些概念都是從直觀、感性和定性的角度出發(fā)的，為描述運動現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。為了從抽象、理性和定量的層面進(jìn)一步刻畫運動，我們需要構(gòu)建一套完備的運動學(xué)物理量體系。首先，在參考系上建立時間軸和坐標(biāo)系，用來確定物體在某時刻所處的位置，這是運動學(xué)的核心問題；然后，用位移描述在某段時間內(nèi)位置坐標(biāo)的變化，將位置坐標(biāo)（位置矢量，以下簡稱位矢）的變化率定義為速度，將速度的變化率定義為加速度，這一過程彰顯了比值定義法和極限思想。對運動學(xué)概念的理解，有以下幾個問題值得深入思考。

1.1 平動的物體是否都可以看作質(zhì)點

2019年人教版高中物理必修第一冊（以下簡稱“新教材”）中通過舉例指出，要準(zhǔn)確地描述物體的運動，并不是一件容易的事。隨后又列舉了可以把物體看作質(zhì)點的三種情況：第一種情況是物體上各點的運動差異很小，可以忽略物體的大小和形狀；第二種情況是不研究各點的運動差異，而只關(guān)注物體整體的運動；第三種情況是物體上各點的運動情況完全相同，物體上任意一點的運動完全能反映整個物體的運動，即平動的物體。［4］

有一個長期存在爭議的問題——火車過橋時能否將火車看作質(zhì)點。一方面，要計算火車過橋的時間，那么必須考慮火車自身的長度，從這個角度來看，不能將火車看作質(zhì)點；另一方面，火車整體是平動的，從上述第三種情況來看，可以將火車簡化為一個質(zhì)點。這樣的矛盾該如何化解呢？

事實上，該爭議無法統(tǒng)一的原因是各自的側(cè)重點不同。在這個問題中，不僅有運動學(xué)問題，還有幾何學(xué)問題。從運動屬性看，可以用一點來代替火車整體的運動；而從幾何屬性看，火車的長度并非次要因素，不能忽略。也就是說，平動的火車的運動屬性可以用質(zhì)點描述，而幾何屬性不可以用質(zhì)點描述。新教材編寫很嚴(yán)謹(jǐn)，其在表述平動的物體可以看作質(zhì)點前加了一句話：“從描述運動的角度看”，并且指出“一個物體能否看成質(zhì)點是由所要研究的問題決定的”。［5］

1.2 參考系是否只是作為參考的物體

自然界中的一切物體都處于永恒的運動中，就哲學(xué)意義而言，運動是絕對的。然而，當(dāng)我們具體描述某一物體的運動時，這種描述總是相對于其他物體而言的，即物理學(xué)中研究的是相對運動。任何物理過程都是在特定的空間和時間中發(fā)生的，為了定量地描述物體的運動，除了要選定參考物之外，還必須有計時裝置（如時鐘）。參考物和與之固連的時鐘的組合稱為參考系，習(xí)慣上我們常把參考物稱為參考系，且不必特別指出與之相連的時鐘。經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是絕對時空觀，即時間是連續(xù)的、均勻的、不停流逝的，空間也是連續(xù)的、均勻的、各向同性的，而且物質(zhì)、時間和空間彼此無關(guān)。因此，我們在描述運動時，可分別獨立地選擇空間坐標(biāo)系和時間坐標(biāo)軸，即時間的描述與所選擇的空間坐標(biāo)系無關(guān)。［6］

1.3 速度是否是位移對時間的變化率

新教材中明確區(qū)分了“位置”和“位移”這兩個完全不同的物理量。［7］位置和時刻是對應(yīng)狀態(tài)的物理量，位移和時間是對應(yīng)過程的物理量。新教材從一開始就向?qū)W生滲透關(guān)于狀態(tài)和過程的認(rèn)識，這對學(xué)生正確理解相關(guān)概念和規(guī)律很有益處。質(zhì)點沿直線運動時，在直線坐標(biāo)系中，x表示位置，位置的變化

不少資料把物體初始位置不在坐標(biāo)原點的“位置－時間”圖像也稱為“位移－時間”圖像，這是一種典型的錯誤。新教材開宗明義地把“x-t”圖像稱為“位置－時間”圖像，并且明確指出：只有將物體的初始位置選作坐標(biāo)原點時，位置與位移大小才相等，“位置－時間”圖像才可以叫作“位移－時間”圖像。

2 運動學(xué)規(guī)律的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)

學(xué)生在初中物理階段主要學(xué)習(xí)勻速直線運動的相關(guān)知識，其中只涉及三個物理量（v，t，x），關(guān)系式比較簡單。在高中物理階段，由于勻變速直線運動問題中物理量的數(shù)量增加，導(dǎo)致物理規(guī)律錯綜復(fù)雜。因此，運動學(xué)問題的情境變化多端，學(xué)生難以靈活運用規(guī)律來解決問題，這是學(xué)生學(xué)習(xí)高中物理的困難所在，會影響他們學(xué)習(xí)的信心。為了幫助學(xué)生解決這一問題，教師需要引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)角度深入理解運動學(xué)規(guī)律。

勻變速直線運動規(guī)律一共涉及五個物理量（v₀，a，t，v，x），這些規(guī)律都是由速度和加速度兩個物理量的定義式通過代數(shù)變形和推導(dǎo)得出的，而不是建立在實驗基礎(chǔ)上的科學(xué)定律，因此其正確與否無需實驗來檢驗。雖然這些規(guī)律只是通過簡單代數(shù)變形和推導(dǎo)得出的，但它們的物理意義和適用范圍卻發(fā)生了根本性的變化，這些規(guī)律在本質(zhì)上反映了物理量（變量）之間的函數(shù)關(guān)系。

設(shè)t₀，x₀，v₀為運動的初始條件。

勻變速直線運動規(guī)律的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中要特別注意平均速度公式的定義式和推論的適用條件的差異，定義式普遍適用，而推論只適用于勻變速直線運動。

3 結(jié)語

本文深入探討了運動學(xué)概念和規(guī)律在高中物理教學(xué)中的核心作用，旨在為學(xué)生學(xué)習(xí)高中物理打下堅實的基礎(chǔ)。我們明確了質(zhì)點、參考系、位移、速度、加速度等關(guān)鍵概念，并通過實例解析和理論闡述，幫助學(xué)生理解這些概念在運動分析中的應(yīng)用。特別是，我們詳細(xì)剖析了勻變速直線運動規(guī)律的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，展示了物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系，并教授了“知三求二”的解題原理，使學(xué)生能靈活應(yīng)對各類運動學(xué)問題。本文的研究不僅豐富了運動學(xué)教學(xué)的理論內(nèi)容，更為教學(xué)實踐提供了有效指導(dǎo)。通過循序漸進(jìn)的教學(xué)方法，我們幫助學(xué)生逐步建立起運動學(xué)的概念體系，提升他們的物理邏輯思維和定量分析能力。這不僅有助于學(xué)生在高中物理學(xué)習(xí)中取得優(yōu)異成績，更為他們未來在物理領(lǐng)域的深入探索與應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：5.

［2］人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研發(fā)中心.普通高中教科書（人教版） 教師培訓(xùn)手冊 物理［M］.北京：人民教育出版社，2020：160-162.

［3］趙凱華，張維善.新概念高中物理讀本 第一冊［M］.北京：人民教育出版社，2006：12-13，15-16.

［4］［5］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.普通高中教科書 物理 必修 第一冊［M］.北京：人民教育出版社，2019：11-13.

［6］鄭永令，賈起民，方小敏.力學(xué)（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2002：3.

［7］漆安慎，杜嬋英.普通物理學(xué)教程 力學(xué)（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2005：18.

［8］教育部師范教育司.高中物理專題分析 運動學(xué)［M］.北京：人民教育出版社，1999：8-21.