大學物理力學教學中融入體育運動情境的探索*

邢 琳

(中原工學院理學院 河南 鄭州 450007)

1 引言

大學物理課程是高等學校理工科學生的必修課，也是一門重要的基礎課.理工科學生如果能在大學期間認認真真地學好大學物理課程，不僅對于自身專業課的學習有很大的幫助，而且對于未來邁入社會也會有非常深遠的影響.但是大學物理課程由于知識點多，內容跨度大，所涉及的解題方法和技巧也各不相同，因此造成理工科學生普遍感覺到大學物理課程難學、吃力、枯燥，甚至有些學生會出現逃課現象.如何提高大學生們學習大學物理的興趣和積極性，有效地吸引他們，成為從事大學物理教學的教師們一直關注的問題.

隨著我國綜合實力的不斷增強，很多國際性的體育比賽在我國舉行，這無疑會引起大學生們對體育的廣泛關注，尤其是高校理工科的男生們會更加瘋狂地癡迷體育.而在各種體育運動項目中，都包含有大量的物理知識.

結合自己的教學實踐，以力學部分的講解為例，在大學物理教學中融入體育運動情境不僅傳授了知識，培養了能力，還能夠吸引學生，讓學生結合自身的實際切實感受到物理的魅力，從而激發他們學習大學物理的興趣.

2 大學物理力學部分的知識框架

首先來回顧一下大學物理力學部分的知識結構.在大學物理力學部分通過對研究對象的抽象，主要學習了兩個理想的物理模型：質點和剛體.基于這兩個理想的物理模型，又分別學習了兩類問題：運動學問題和動力學問題.對于運動學問題主要學習了物體的位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度等；而對于動力學問題首先學習了物體的受力和力矩.接下來的知識點便是把物體的受力和力矩與運動學問題有機關聯起來的一些定律或者定理，如聯系力與加速度的牛頓第二定律、聯系力矩與角加速度的轉動定律等.此外，再深入一步，聯系二者的知識點分別有質點和質點系的動量定理、動量守恒定律、質點和質點系的動能定理、質點系的功能原理、機械能守恒定律、能量守恒定律、剛體定軸轉動的角動量定理、剛體定軸轉動的角動量守恒定律、剛體繞定軸轉動的動能定理等.

3 大學物理力學教學中融入體育運動情境

盡管大學物理力學部分知識點的脈絡很清晰，但是涉及到知識點的講解是有技巧的.鑒于力學部分的內容與實際生活結合比較密切，因此筆者就把體育運動情境融入到物理知識的講解中.通過展示豐富多彩、生動的體育情境，為學生盡可能地提供直觀的物理事實和現象，讓學生結合所學的物理知識進行分析、判斷和綜合，在課堂上更能發揮學生們的積極主動性，從而加深對所學物理內容的理解，下面舉一些教學實例加以說明.

3.1 質點

質點是大學物理力學部分學習的第一個知識點.如果研究某一物體的運動，而可以忽略其大小和形狀對物體運動的影響，若不涉及物體的轉動和形變，就可以把物體當作是一個具有質量的點(即質點)來處理，因此質點是一個理想的物理模型.為了讓學生們更深刻地理解該知識點，可結合一些體育比賽的例子，例如讓大家思考帆船比賽中如何確定帆船在大海中的位置，鉛球比賽中研究鉛球被擲出后在空中的飛行時間，求解跳水運動員完成空中動作的時間等，從學生熟悉的、感興趣的體育項目出發，明確所提問題研究的是什么，分析物體的大小和形狀對所研究的問題有什么影響，就可以很好地幫助學生們深刻地理解物理的基本概念和思想，從而取得良好的教學效果.

3.2 位移路程速度加速度

在大學物理中位移、速度、加速度都是矢量，這是和高中學習不一樣的地方.為了體會位移與路程、速度與速率的區別，可引入100 m和200 m的短跑體育項目情境，基于標準跑道的形狀和周長，學生可輕而易舉地區別位移與路程、速度與速率等知識點；還可以引入推鉛球、擲鐵餅、擲標槍等運動項目情境，在重力作用下，鉛球、鐵餅和標槍做的是拋物線運動，其運動軌跡是物體的路程，而投擲點與落地點的連線便是物體的位移，進而也可以求解物體的運動速度、速率、平均速度等物理量.

3.3 牛頓第一定律

牛頓第一定律又稱慣性定律，其描述為：任何物體都要保持其靜止或勻速直線運動狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止.對于慣性，在體育比賽中也是常見的，比如擲鉛球時鉛球離開手后仍能向前運動，短跑運動員沖線后又向前跑幾步，跳遠時運動員要助跑等.

3.4 摩擦力

摩擦力在日常生活中可謂是無處不見，但是摩擦產生的影響通常有利弊兩個方面，因此要盡可能地趨利避害，有時需要設法增大摩擦，有時又需要設法減小摩擦.在體育運動中這樣的例子也有很多，比如，舉行拔河比賽時運動員常穿上比較新的運動鞋而且不希望地面上有沙子；體操運動員在做體操前或舉重運動員舉杠鈴前，常在手掌心或器械上抹一些鎂粉；運動員跑步穿釘鞋等這些操作都是為了增大摩擦力，從而贏得比賽；而在游泳比賽中，運動員穿鯊魚衣或者刮體毛等這些操作都是為了減小運動員游動時的摩擦力，從而為運動員贏得比賽時間.

3.5 彈性力彈性勢能

彈性力是由物體形變而產生的.在體育運動中，常會看到一些射箭項目，其中弓和箭的運動就可以由彈性力和彈性勢能得以很好地解釋.比如運動員拉弓射箭時，弓首先發生彈性形變，從而具有彈性勢能，同時箭會受到來自于弓的彈性力作用.當運動員松手時，箭被射出，具有動能，這是由于弓的彈性勢能轉化成了箭的動能.在該轉化過程中，由于只有彈性力做功，因此該過程還滿足機械能守恒定律；此外，在體育運動中，還常會看到在撐桿跳高時，運動員要努力使桿的形變更大，這主要是撐桿的形變越大具有的彈性勢能就越大，從而使運動員能上升的高度就更高；再比如網球拍、羽毛球拍要用彈性好的材料做成，彈性好的材料能按照運動員的要求產生需要的彈性勢能，從而使球具有足夠的動能.

3.6 動量守恒定律

動量守恒定律是物理學中最普遍、最基本的一個重要定律，也是理工科大學生應該掌握的一個重要定律.它的表述為：當系統所受合外力為零時，系統的總動量將保持不變.在花樣滑冰場上常會看到兩名運動員在滑冰表演剛開始時他們靜止不動，隨著優美音樂的響起，他們相互猛推一下后分別向相反方向運動，二者均獲得了一定的速度.經分析可知該過程滿足動量守恒定律，這是因為二者的相互作用力屬于質點系的內力，對整個質點系來講，系統所受的合外力為零，因此系統的總動量守恒.

3.7 機械能守恒定律

在只有保守內力做功的情況下，質點系的機械能保持不變，這就是機械能守恒定律.該定律也是理工科大學生應該掌握的一個重要定律.保守力通常有重力、引力和彈性力.在體育運動中，滿足機械能守恒定律的運動有很多，比如，如果不計空氣阻力，跳水運動員在入水之前的過程、跳高運動員在起跳后的過程、籃球運動員在球出手后的運動過程等.

3.8 剛體

如果在外力作用下，物體的形狀和大小不發生變化，這種理想化的物體就叫做剛體.顯然，在大學物理力學教學中，剛體是質點之外的又一個理想模型.眾所周知，幾乎所有的體育運動都是由運動員身體動作組成的，因此在對人體動作進行分析時就需要忽略人體或人體關節的大小和形變，把人體或人體關節抽象為剛體.基于此理想模型的建立，就可以研究組成肢體的各剛體的平動或者繞關節的轉動.

3.9 角動量守恒定律

如果物體所受的合外力矩等于零，或者不受外力矩的作用，物體的角動量保持不變，這叫做角動量守恒定律.它也是自然界的一個基本定律，有許多現象都可以用角動量守恒來說明.例如跳水運動員和體操運動員圍繞身體的橫軸轉動，花樣滑冰運動員圍繞身體轉體的旋轉動作等都可由該定律很好地解釋.這里需要注意的是在對運動員進行動作分析時，需要先把運動員的身體看作一個剛體.

當然還有很多的物理知識可以從體育運動方面來解讀，教師需要多觀察、多思考、多積累，做個有心人.通過靈活運用體育運動，對與之相關的物理知識進行深入淺出的分析和講解，不僅能夠幫助學生正確地理解物理概念，還能夠增強學生學習的興趣，達到良好的教學效果，從而提高教學質量.

4 結語

大學物理力學教學中融入體育運動情境，不僅可以激發大學生學習大學物理的興趣，而且可以提高他們的自信心以及對物理知識的觀察、分析、理解和運用能力，反過來也可以利用大學物理的力學基本理論來幫助運動員理解和掌握技術動作要領，進而優化動作的合理性，提高運動水平.

參考文獻

1 馬文蔚, 周雨青. 物理學教程(上冊). 北京: 高等教育出版社, 2006

2 高虹. 淺議在物理教學中滲透體育. 科教文匯(下旬刊), 2009 (10):138

3 曲波. 物理與體育. 遼寧體育科技, 1998 (6):8