對高中物理動(dòng)量和動(dòng)能的教學(xué)思考

黎洪波

【摘 要】物理概念是用最簡潔的語言來描述某類事物（現(xiàn)象）本質(zhì)特征的。從多年的教學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)生對概念的理解不正確或不透徹是學(xué)不好物理的重要原因。所以教師應(yīng)高度重視物理概念的教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)量；動(dòng)能；運(yùn)動(dòng)傳遞；做功本領(lǐng)

一、概念介紹

動(dòng)量和動(dòng)能是高中物理的兩大核心概念。抽象、理解難度大、易混淆。高中物理教材雖然經(jīng)歷了多次改編，但動(dòng)量、沖量、動(dòng)量定理、動(dòng)能定理等內(nèi)容一直存在。不同時(shí)期雖然要求有所不同，但一直是高考的必考考點(diǎn)。這是高中物理教師必須面對的不得不解決的難題。

動(dòng)量概念是在思考怎樣量度物體運(yùn)動(dòng)量和尋找守恒量的過程中逐漸建立起來的。早在十七世紀(jì)初，意大利物理學(xué)家伽利略首先引入了“動(dòng)量”這一詞。1687年英國物理學(xué)家牛頓在《自然哲學(xué)與數(shù)學(xué)原理》一書中定義了動(dòng)量：“運(yùn)動(dòng)的量是用它的速度和質(zhì)量一起來量度的”。

物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能，稱為物體的動(dòng)能。它的大小定義為物體質(zhì)量與速度平方乘積的二分之一。

二、動(dòng)量是描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，是機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳遞的量度

我們把物體的質(zhì)量和速度的乘積叫動(dòng)量。用符號(hào)p表示（p=mv）單位為kg·m/s，動(dòng)量是矢量，方向與速度方向相同。動(dòng)量是狀態(tài)量，是用來描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，即描述質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)刻或某一瞬時(shí)狀態(tài)的物理量。質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量具有相對性，一般相對慣性參考系而言。質(zhì)點(diǎn)組（或系統(tǒng)）的動(dòng)量為組內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量的矢量和。研究質(zhì)點(diǎn)間相互作用過程中的運(yùn)動(dòng)傳遞時(shí)我們用動(dòng)量來量度（如碰撞、反沖、爆炸等）。因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)傳遞的是動(dòng)量而非速度。當(dāng)然動(dòng)量也不一定能將某一過程完全描述清楚，如果有必要我們還可以從能的角度來描述運(yùn)動(dòng)。

力是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因，動(dòng)量是描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，它們有何關(guān)？

取一運(yùn)動(dòng)前景：在光滑水平桌面上有一質(zhì)量為m的物塊，在力F作用下用t的時(shí)間加速前進(jìn)了x，速度從v1加速到v2

對物體m加速運(yùn)動(dòng)的過程由牛頓第二定律有F=ma，又由加速度的定義式a=故有Ft=mvt-mv0。

從上式可以看出力與時(shí)間的乘積才是動(dòng)量改變的原因，即力在時(shí)間上的積累效果是物體動(dòng)量改變的原因。我們把力與時(shí)間的乘積叫做力的沖量，用字母I表示：I=Ft（t表示時(shí)間，F(xiàn)t理解為合外力的沖量，F(xiàn)可以是恒力也可以還是變力），是表示過程的矢量。上式表示物體在一個(gè)過程始末的動(dòng)量變化量等于它在這個(gè)過程中所受力的沖量。這個(gè)關(guān)系叫做動(dòng)量定理。

三、動(dòng)能是運(yùn)動(dòng)物體具有的能，是一種對外做功的本領(lǐng)

對上圖由F=ma和2ax=vt2-v02可推出Fx=mvt2-mv02，這說明力在空間上的積累是物體動(dòng)能改變的原因，“力在一個(gè)過程中對物體做的功，等于物體在這個(gè)過程中動(dòng)能的變化”。能是一種做功本領(lǐng)的體現(xiàn)，動(dòng)能是指運(yùn)動(dòng)物體具有的對外做功的本領(lǐng)。物體的動(dòng)能改不了，說明運(yùn)動(dòng)物體對外做功的本領(lǐng)改不了。

四、辨析動(dòng)量與動(dòng)能

我們引入動(dòng)量與動(dòng)能的目的是為了從不同的角度把物體的運(yùn)動(dòng)描述得更清楚。教學(xué)時(shí)要讓學(xué)生能辨析動(dòng)量和動(dòng)能及其變化。動(dòng)量的變化與力和時(shí)間有關(guān)，動(dòng)能的變化與力和空間位移有關(guān)，但力在作用時(shí)間內(nèi)不一定有位移，所以我們應(yīng)從來兩角度來理解運(yùn)動(dòng)。一個(gè)是從力在時(shí)間上的積累來描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的，二是從力在空間距離上的積累來研究物體做功本領(lǐng)的。

為什么要從兩個(gè)領(lǐng)域描述同一個(gè)運(yùn)動(dòng)？這是因?yàn)橛行┪锢憩F(xiàn)象從一個(gè)角度不是太好說清楚。例如，讓你右手水平伸出端著一杯水保持靜止，你能堅(jiān)持多久？這種感覺是因?yàn)槟銓λ龉?dǎo)致的嗎？沒有做功吧，而是對水杯施加沖量來抵消水杯在相同時(shí)間里重力產(chǎn)生的沖量。正因?yàn)槿绱怂臓顟B(tài)才一直沒有改變。有些物理現(xiàn)象從兩個(gè)角度都好理解。在空氣中高速發(fā)射的子彈，空氣阻力做了負(fù)功，動(dòng)能減少，做功的本領(lǐng)減弱，到最后可能還穿不過一張白紙。從動(dòng)量的角度看，在飛行過程中阻力產(chǎn)生了負(fù)的沖量，使得子彈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，動(dòng)量不斷減少到最后掉在地上。

恩格斯在《運(yùn)動(dòng)的量度—功》一書中指出“在不發(fā)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)和其他形式的運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化的情況下，運(yùn)動(dòng)的專遞和變化可以用動(dòng)量去量度，當(dāng)發(fā)生了機(jī)械運(yùn)動(dòng)和其他形式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的情況下則應(yīng)以動(dòng)能去量度”。這說明了動(dòng)量是從運(yùn)動(dòng)傳遞的角度來描述運(yùn)動(dòng)的，而動(dòng)能是從能量轉(zhuǎn)化的角度來描述物體運(yùn)動(dòng)變化的。

所以動(dòng)量和動(dòng)能是分別反映運(yùn)動(dòng)物體在兩個(gè)不同本領(lǐng)的物理量。動(dòng)量只表達(dá)了機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳遞的本領(lǐng)，它是描述物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量。機(jī)械運(yùn)動(dòng)所傳遞的不是速度，而是物體的動(dòng)量。動(dòng)能描述的是物體做功的本領(lǐng)，從能量轉(zhuǎn)化的角度來描述運(yùn)動(dòng)的物理量。

物理規(guī)律本身就是為了解釋物理現(xiàn)象而建立的，如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)物理現(xiàn)象用現(xiàn)有的物理規(guī)律都無法解釋，那我們應(yīng)該建立一個(gè)新理論了。

五、在教學(xué)中應(yīng)慎用案例

教師在上課時(shí)要注意實(shí)例應(yīng)用，有些舉例不但不能幫助你說明問題，反而會(huì)更加混淆概念。在講《動(dòng)量和動(dòng)量定理》時(shí)有的老師會(huì)用“飛來的足球能用頭去頂，但飛來的鉛球沒人敢用頭去頂”這個(gè)例子來引入本節(jié)內(nèi)容。這個(gè)例子會(huì)讓已經(jīng)學(xué)了動(dòng)能還沒學(xué)習(xí)動(dòng)量的學(xué)生怎么想？自然會(huì)想到鉛球的質(zhì)量大、動(dòng)能大、對外做功的本領(lǐng)強(qiáng)，故不敢用頭去頂。如果老師還要說“這與我們本節(jié)將要學(xué)習(xí)的動(dòng)量有關(guān)”，那可完了，從一開始就讓學(xué)生混淆了動(dòng)量和動(dòng)能的概念了。這用我們物理語言來講，這個(gè)引入在做負(fù)功。

對老教材上對“雞蛋下落到泡沫塑料墊上會(huì)不會(huì)破的實(shí)驗(yàn)”：我認(rèn)為蛋下落后在泡沫塑料墊上減速的距離大，地板上減速的距離小，即空間距離變化的大小顯現(xiàn)的，易理解。據(jù)動(dòng)能定理有-Fx=0-mv02可知，蛋下落到泡沫墊上x大，動(dòng)能的變化又是相同的，故平均作用力F的大小就小，故不宜碰破。但減速時(shí)間的長短這一信息是掩藏的，要經(jīng)過推理才知道。增加了學(xué)生的理解難度。

以上是我在教學(xué)中對動(dòng)量、動(dòng)能兩個(gè)概念的一點(diǎn)思考，想說明對物理概念的理解在物理教學(xué)中的重要性。借此拋磚引玉，希望觸發(fā)讀者的思維……