高中物理力學概念的梳理

鐘奇軒

本研究的主旨在于通過調查，確定我國的高中物理核心概念、核心概念的內涵以及各個年級段學生對核心概念應達到的理解程度。另外，核心概念的抽象、概括程度也需要進一步研究。理科教師協會指出，在恰當的概括程度上確定核心概念是新標準研制的最大難題。例如，“牛頓定律”這一表述的概括程度能使標準的條目數量顯著減少，但它不夠清晰，同時又包含大量的邏輯內容，并沒有真正減少學生要學習的課程內容。

1 運動的描述

通過分析教科書中本章的內容可知，本章屬于運動學的內容，其主旨在于通過介紹一系列基本的概念來描述物體的機械運動，這些概念具有基礎性，以后學生無論描述哪一種形式的機械運動，都會用到這些物理量。

具體來看，在某些情況下，人們在描述運動時可以忽略次要因素，將物體看作是有質量的物質點。描述質點的運動首先需要建立參照系，在參照系上建立坐標系能定量描述質點的位置及位置的變化。在此基礎上，教科書引進了位移的概念描述質點位置的變化，其大小用坐標軸上的兩個位置坐標的變化量來表示，引進了平均速度和瞬時速度的概念來描述物體運動的快慢，用加速度來描述物體運動速度變化的快慢，還指出在加速和減速兩種不同的情況下，加速度方向與速度方向之間的關系。位移等概念與初中所學畢竟不同，教科書在此初步指出了標量和矢量的不同及其運算法則的不同。

綜合考慮以上概念，結合本章的概念圖，筆者將本章的主要內容概括為以下的大概念：描述物體運動時，可以在選定參考系的基礎上，分別用位移、速度、加速度描述質點位置的變化、運動的快慢及速度變化的快慢。

2 勻變速直線運動的研究

通過分析教科書中本章的內容可知，雖然勻加速直線運動必然是在外力的作用下才能產生，但本章的主旨卻在于從運動學的角度研究勻變速直線運動的速度和位移隨時間變化的規律，并沒有涉及到受力的內容，因此，本章內容仍屬于運動學。

本章首先讓學生實驗探究小車速度隨時間變化的規律，學生通過用表格記錄實驗數據并用v—t圖像處理數據，對勻加速直線運動有了感性認識。在此基礎上，教科書引入了勻變速直線運動的概念及其圖像。通過理論推導，得到了勻變速直線運動的速度與時間的關系V=V0+at，位移與時間的關系s=v0t+1/2×at2，以及速度與位移的關系為v2一v02=2as。自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動，其瞬時速度和位移的計算都可以用以上公式。

綜合考慮以上概念，結合本章的概念圖，筆者將本章的主要內容概括為以下的大概念：勻變速直線運動是加速度保持不變的直線運動，其速度和位移隨著時間的推移而有規律地變化。

3 相互作用

通過分析教科書中本章的內容可知，本章的主旨在于讓學生理解幾種常見力的特點和規律，并掌握力的運算法則。

具體來看，本章給出了力的定義和力的圖示表示法，將所有的力概括為四種基本相互作用，即引力、電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用。重力、彈力和摩擦力這幾種常見力可以歸結為引力和電磁力。本章重點介紹了這三種常見力的特點和規律，給出了重力的大小和方向、重心的概念及其影響因素，介紹了彈力產生的原因、常見的彈力種類和胡克定律，介紹了靜摩擦力和滑動摩擦力產生的原因、大小（定量）和方向。此外，本章還介紹了合力與分力的概念、力的合成與分解的方法，并指出了矢量和標量的運算方法。筆者將本章所包含的概念（較下位的、一般的概念）梳理出來，如下表所示：

綜合考慮以上概念，結合本章的概念圖，筆者將本章的主要內容概括為以下的兩個大概念：

①力是物體之間的相互作用，自然界最基本的相互作用是引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用。重力是萬有引力在地球表面附近的表現，彈力、摩擦力是由電磁力引起的。

②合力與分力的作用效果相同，力的合成與分解遵從平行四邊形法則。

4 牛頓運動定律

通過分析教科書中本章的內容可知，本章的主旨在于介紹牛頓三定律及其應用，從而確立運動與力之間的關系，這也是動力學的核心。

具體來看，本章在伽利略的理想實驗的基礎上介紹了牛頓第一定律、慣性的概念及其影響因素。在學生實驗探究的基礎上，介紹了牛頓第二定律和牛頓第三定律，尤其是受力分析以及“一對相互平衡的力與“一對作用力和反作用力”之間的區別。牛頓第二定律確定了力和運動之間的關系，能從運動情況推斷受力情況并從受力情況推斷運動情況，還能確定共點力作用下物體的平衡條件。超重和失重現象的分析則是對牛頓第二定律和第三定律的綜合應用。力學單位制的內容在本章中不是重點內容。

綜合考慮以上概念，結合本章的概念圖，筆者將本章的主要內容概括為以下的大概念：物體在不受力或所受合力為0時保持勻速直線運動或靜止狀態，所受合力不為0時產生加速度。力的作用總是相互的。運用牛頓運動定律能研究物體受力與運動之間的關系。

5 曲線運動

通過分析教科書中本章的內容可知，本章的主旨在于通過對平拋運動和圓周運動的深入分析，介紹曲線運動的研究方法。

本章先從整體上給出了曲線運動的研究方法，即通過平面直角坐標系兩個坐標軸上的分矢量表示物體的位移或速度。介紹了曲線運動瞬時速度的方向及其變化，闡明了物體在什么情況下會做曲線運動。進一步深入介紹了兩種最典型的曲線運動，即平拋運動和圓周運動。闡明了平拋運動在水平方向和豎直方向上的速度變化規律和位移變化規律，并將其推廣到一般的拋體運動。介紹了描述圓周運動的物理量線速度和角速度，建立了勻速圓周運動的模型。通過理論推導給出了勻速圓周運動的向心加速度的方向和大小，并由牛頓第二定律得知了向心力的大小和方向，然后推廣到變速圓周運動和一般的曲線運動。對生活中的各種圓周運動現象的分析都是對前面所學概念的應用。

綜合考慮以上概念，結合本章的概念圖，筆者將本章的主要內容概括為以下的三個大概念：

①當物體所受合力的方向與它的速度方向不在同一直線時，物體做曲線運動。可以用平面直角坐標系研究物體的曲線運動。

②拋體運動在水平方向為勻速直線運動，豎直方向為加速度為g的勻變速直線運動。

③物體之所以能做勻速圓周運動，在于它受到了向心力的作用，向心力產生向心加速度。變速圓周運動既有向心加速度又具有切向加速度。