夯實基礎知識 聚焦核心素養

陶漢斌

[摘???要]牛頓運動定律是貫穿力學乃至整個高中物理的基本規律，由此衍生出來的許多知識點常在各類考試中出現，在選拔人才的高考中更是絕對的“主角”之一。近幾年的高考物理試題對學生的推理能力和綜合分析能力要求都很高，集中體現了牛頓運動定律在經典力學中的基礎地位。高考復習備考中必須夯實物理基礎知識，這是高三師生必須堅持的復習原則。同時，在復習物理知識的進程中，關注物理核心素養，讓學生在復習物理知識的過程中建立力與運動的物理觀念，在科學思維與科學探究中提升學生的綜合能力。夯實基礎，聚焦核心素養是高三復習的主旨。

[關鍵詞]牛頓運動定律;基礎知識;核心素養;物理觀念;科學思維;科學探究

[中圖分類號]????G633.7????????[文獻標識碼]????A????????[文章編號]????1674-6058（2019）35-0042-05

一、解讀牛頓運動定律，聚焦物理核心素養

1.物理觀念——力與運動的觀念

學生應該具有現代物理的運動觀、能量觀、相互作用觀，并能用這些觀念描述自然界的圖景。在具體教學中，教師可通過典型案例的剖析，讓學生建立物理學科素養中的三大物理觀念，這三大物理觀念就是相互作用的力的觀念、運動的觀念和能量的觀念。近幾年的高考物理試題，非常注重對學生物理觀念的考查在實際教學中，教師要讓學生重視受力分析和運動過程的分析，要讓學生在解題的過程中體驗和認知這三大基本觀念，逐步培養學生的物理核心素養。

2.科學思維——理想化實驗的方法

如圖1所示為伽利略當時假設的一個理想化物理實驗，也就是假想斜面是光滑的。下面我們就一起來體驗伽利略與小球的一段對白，通過這一情景化的對白讓學生領悟物理科學方法的重要性。

伽利略：如果斜面是光滑的，請問小球先生，你將沿斜面爬到多高呢？

小球：我將堅信自己的目標，一步步向上爬，相信自己一定能爬上原來的高度。

伽利略：假設將右邊斜面的傾角減小，那么小球先生，你又將到達哪個高度呢？

小球：我有自己的夢想，夢想有多高，我就一定能爬多高，不過我要走的路更長了。

伽利略：小球先生，如果我繼續減小右斜面的傾角呢？

小球：我已下定決心，一步一步向上爬，盡管我又多走了一段山高水長之路。

伽利略：將斜面放置為水平狀態，那么你還會一直在為了夢想而爬行嗎？

小球：既然選擇了高度，吾將上下而求索。路漫漫其修遠兮，留給世界的便只能是孤獨的背影……

科學思維是我們認識世界的基本手段，也是物理學科素養的核心內容。在研究和解決問題的過程中，不僅需要相應的物理知識，還要注意運用科學的思維方法。在伽利略的理想斜面中要真正理解理想化物理實驗的方法，就要在實驗的基礎上進行合理的外推，這是重要的科學研究方法。

3.?科學探究——探究加速度與力、質量的關系

在研究某個物理量時，影響該物理量的變化的因素往往是錯綜復雜的。因此，在研究多個相關物理量之間的關系時，一般是先控制其他幾個物理量不變，專注研究其中一個物理量變化所產生的影響，這種方法叫控制變量法。在探究加速度與力、質量的關系時，我們設置了以下問題讓學生思考。

思考1.?探究加速度a與力F及質量m的關系時，具體如何實施控制變量法？

思考2?.在本實驗的具體操作中，如何平衡摩擦力？某次實驗操作時已經平衡了摩擦力，那么當改變小車質量或改變小盤中砝碼質量時，是否需要重新平衡摩擦力呢？

思考3.?如何利用圖像法分析實驗數據？

思考4.?在公式[F=ma]中，力[F]指的是物體的什么力？加速度[a]的方向與力[F]的方向相同嗎？

思考5.?同學們已經在前面章節中學過運動學的知識，你們如何將運動學知識與牛頓第二運動定律聯系在一起呢？

思考6?.對于牛頓第二定律的學習，同學們要牢牢把握高中物理的兩大基石，也就是受力分析和運動分析，在具體解題時你們將如何重視這兩大分析呢？

二、高考必備技能——把握好狀態、過程與系統

在高考閱卷時計算題的評閱有一個評分標準，這個評分標準中最重要的是列公式和最后的答案。每年參加閱卷的教師都很想把一些分數送給每一位考生，他們在找學生寫的物理公式，因為最后的分數都是落實在一個個具體的公式和答案上的。比如一個20分的計算大題，一般有8個公式，每個公式2分，共16分，再加上兩個答案的分數4分，這樣才構成了20分的大題！高考閱卷的教師都在感嘆——“為什么學生不寫出最基本的物理公式呢？太可惜了！”“物理計算題要得零分其實是相當困難的”……

1.確定研究對象，明確研究方法——弄清整體法與隔離法的合理運用

當研究系統有兩個或兩個以上的物體時，首先要確定研究對象，選取恰當的研究對象，也就是對誰進行受力分析。解答一個系統中涉及多個研究對象的綜合問題時，可適時進行局部研究與整體研究，也就是平時所說的適時采用整體法與隔離法。整體法與隔離法是解決連接體問題的經典方法，當你不能把問題正確解決時，那么很可能需要變換研究對象。研究對象的正確選取，關系到解題的成敗。若選錯了研究對象，可能會出現難以求解或根本無法求解的現象。在解題時可先考慮整體法，若不能用整體法解答問題，再考慮用隔離法。有時解一道題，既要運用整體法，又要運用隔離法進行研究。

2.狠抓兩大基本技能——受力分析與運動分析

在平時的學習中，學生一定要規范解題的每一步操作。在審題的過程中，聚焦兩大物理分析，這兩大物理分析是解決所有動力學計算題的金鑰匙。這兩大物理分析，一是對物體的受力分析，二是運動過程的分析。很多學生在解題時，好高騖遠，沒有把基礎工作做好，其實你只要注重了這兩大分析，要想把題目解錯都很困難。因此，要養成良好的解題習慣，注意每一步的規范操作。

3.抓住物理情景中的狀態、過程與系統

在分析解答物理計算題時，要讓學生關注物理事件中出現的狀態與過程。因為高中物理中所有的公式，都是狀態方程和過程方程。你列出的每一個公式，學生要反復地問自己，?這個公式涉及的“主人”是誰（系統）？是對哪個物理過程列方程（過程）？物理事件的初態與末態是什么（狀態）？這就是我們通常所說的狀態、過程與系統。然后，再規范解題，一步一步地操作，把自己的思維過程，自己懂的物理規律用公式清晰地表達出來，讓閱卷的教師賞識評分。

[例1]如圖2所示，在水平桌面上靜止放置了一質量m?=?0.5?kg的滑塊，滑塊與桌面間的動摩擦因數μ=?0.5，滑塊與臺階邊緣O點相距s?=?5?m。現在臺階的右側固定了一個半徑為R?=1?m的圓弧擋板，以O點為坐標原點建立直角坐標系。現用水平恒力F?=?5?N拉動滑塊，經過一段時間后撤去拉力，滑塊最終水平拋出并擊中擋板。（已知g?=10?m/s2）

（1）滑塊恰能擊中圓弧上的P點（OP與水平方向夾角為37°），求其離開O點時的速度大小;

（2）為使小物塊擊中檔板，求拉力F作用的最短時間;

（3）改變拉力F的作用時間，使小物塊擊中擋板的不同位置。求擊中擋板時滑塊動能的最小值。

【情景剖析】該題中的物理事件中涉及了狀態、過程與系統。系統中的研究對象是滑塊，有兩個物理過程，勻變速直線運動過程與平拋運動過程，初態為起始位置，中間態在O點，末態在圓周上的某點。

【評分標準】（1）滑塊從O點飛出后做平拋運動

點評：牛頓運動定律試題的解答要求學生有扎實的基礎知識和良好的解決問題的思維程序，要求在物理事件中能夠快速識別狀態、過程與系統。為此要明確三個方面的問題：第一分析物體系統，明確研究對象（確定研究對象）;第二弄清對象處于什么狀態（狀態分析）;第三弄清物理狀態是如何變化的（物理過程分析）。

三、考點及基本模型分析

1.高考焦點問題——多過程物理題的求解

現在的高考題一般都有多個物理過程，具體可按照時間與空間的順序分解為幾個簡單的子過程。對每一個子過程都要進行受力分析與運動分析，每一個階段應用不同的規律，當物體從一個過程鏈接到下一個過程時，一定要注意鏈接點物理量的關系，比如第一個過程的末速度也就是第二個過程的初速度。還要注意整體與局部的關系，如空間的幾何關系，分段時間與總時間的關系。要用慢動作剖析物理過程，注意物理過程的階段性、聯系性和規律性。總的來講，就是“分（過程分段）—聯（找出聯系）—合（綜合求解）”的思想。

[例2]如圖3所示，有一傾斜的傳送帶與水平面夾角為37°，傳送帶以10?m/s的速率沿順時針方向轉動。今在傳送帶上端A處無初速地放上一個質量為m?=?0.5?kg的小物塊，已知物塊與傳送帶間的動摩擦因數為0.5，若傳送帶上A到B的長度為16?m，g取[10?m/s2]，則物體從A運動到B的時間為多少？

【解析】物塊放到傳送帶上后，開始階段，由于物塊的速率小于傳送帶速率，物塊受滑動摩擦力作用沿斜面向下，設從物塊剛放上傳送帶到速度達到10?m/s，物體位移為[s1]，加速度為[a1]，時間為[t1]，根據牛頓第二定律可得：

[a1=mgsinθ+μmgcosθm=10?m/s2]，方向沿斜面向下

根據運動學公式可得：

[t1=va1=1?s?，s1=12a1t12=5?m<16?m]

本題中的摩擦因數[μ=0.5

[a2=mgsinθ-μmgcosθm=2?m/s2]，方向沿斜面向下

根據運動學公式有：

[s2=vt2+12a2t22]

代入數據有：[16-5=10t2+12×2t22]

解得[t2=1?s]（[t2=-10?s]舍去），所用總時間[t=t1+t2=2?s]。

點評：此題的兩個階段的滑動摩擦力的方向變了，加速度的大小變了。解題時要細心分析每一個階段的受力特點，特別是摩擦力，學會用慢動作對物理過程進行分析求解。

2.兩類基本問題——已知受力情況求運動情況和已知運動情況求受力情況

常見的兩種動力學問題：a.已知物體受力情況，求運動情況;b.已知物體運動情況，求受力情況。不管是哪種類型的題目，都是通過加速度來溝通力與運動關系的。

（1）根據物體的受力情況，分析物體的運動情況

當我們知道物體的受力情況時，可先畫出完整的受力分析圖，建立合理的坐標系，根據牛頓第二定律求出加速度，再利用相關的運動學公式求速度、位移等物理量。

[例3]如圖4所示，ACD是一滑雪場示意圖，人從A點由靜止下滑，經過C點時速度大小不變，又在水平面上滑行一段距離后停下。其中AC是長L=8.0?m，傾角θ=37°的斜面，CD段是與斜面平滑連接的水平面。人與接觸面間的動摩擦因數均為[μ]=0.25，不計空氣阻力（g=10?m/s2，sin37°?=?0.6，cos37°?=?0.8），求：

（1）人從斜面頂端A滑至底端C用的時間;?（2）人在離C點多遠處停下？

【解析】（1）人在斜坡上下滑時，設人沿斜坡下滑的加速度為a1，由牛頓第二定律得：[mgsinθ-μFN=ma1]

[FN-mgcosθ=0]

由勻變速運動規律得：

[L=12a1t2]

聯立以上各式得：[t=2?s]

（2）人在水平面上滑行時，水平方向只受到地面的摩擦力作用，設在水平面上人運動的加速度為a2，由牛頓第二定律得：

[μmg=ma2]

設人到C處的速度為v，則下滑過程有：

[v2=2a1L]

在水平面上運動時，有：

[0-v2=2a2x]

聯立以上各式解得：[x=12.8?m]

點評：求解此類問題，先是根據物體的受力情況，依據牛頓第二定律求出物體運動的加速度，然后根據運動學公式求物體運動的時間、位移、速度等。本題中，有兩個勻變速運動過程，受力不同，加速度不同，而且滑至[C]點的速度是連接前后兩個過程的關鍵。

（2）?根據物體的運動情況，分析物體的受力情況

在某些情景下，知道了物體的運動學物理量，比如速度、時間和位移等。根據運動學中勻變速直線運動規律求出加速度，應特別注意減速運動過程加速度符號的處理，因為牛頓第二定律列式時加速度一般都是正號的。最后在受力分析的基礎上，根據牛頓第二定律求出相關的力。

[例4]高空蹦床是一項受人喜愛的運動，是運動員在一張繃緊的彈性網上蹦跳、翻滾并做各種空中動作的運動。一個質量為60?kg的運動員，從離水平網面3.2?m高處自由下落，著網后沿豎直方向蹦回到離水平網面5.0?m高處。已知運動員與網接觸的時間為1.2s，若把在這段時間內網對運動員的作用力當作恒力處理，求此力的大小（g取10?m/s2）。

【解析】運動員先向下做自由落體運動，剛接觸網時速度的大小為[v1=2gh1]，方向向下，

彈跳后到達的高度為h2，由逆向思維可知運動員剛離網時速度的大小為[v2=2gh2]，方向向上，

速度的改變量為[Δv=v1+v2]，方向向上，

設[a]表示加速度，[Δt]表示運動員與網接觸的時間，則：

[Δv=at]

接觸過程中運動員受到向上的彈力[F]和向下的重力[mg]，由牛頓第二定律得：

[F-mg=ma]

由以上各式解得[F=mg+m2gh1+2gh2Δt]，

代入數值得[F=1.5×103?N]。

點評：本題的焦點是運動員與網接觸的過程，其速度由向下變成向上。我們可根據接觸網之前與接觸網之后運動員的運動情況求出相關的速度，然后對運動員與網接觸這一過程進行分析求網對運動員的作用力。題中將網對運動員的作用力當作恒力處理，實際情況作用力應是變力，則求得的是接觸時間內網對運動員的平均作用力。

3.臨界值問題——抓住臨界條件

臨界值問題一定要抓住物理情景中出現的臨界條件，比如支持力等于零、繩子的拉力等于零、最大靜摩擦力等。具體就是準確分析出現臨界狀態時的受力及運動情況。

[例5]如圖5所示，細線的一端固定于傾角為45°的光滑楔形斜面A的頂端P處，細線的另一端拴一質量為m的球。試求當斜面以a=2?g的加速度向左運動時線中的拉力FT。

【解析】當斜面向左運動的加速度較小時，斜面對球存在支持力;當斜面向左運動的加速度較大時，球將脫離斜面而“飄”起來。所以，本題存在一個臨界條件：當斜面向左運動的加速度為某一臨界值時，斜面對球的支持力恰好為零，球將要離開斜面而“飄”起來。首先求此臨界條件，此時球受兩個力，重力mg，繩的拉力FT。根據牛頓第二定律有：

[FTcosθ=ma]

[FTsinθ=mg]

聯立解得a=g，即當斜面向左運動的加速度為a=g時，球恰好對斜面無壓力。當a>g時，球將“飄”起來。當a=2g時，球已“飄”起來了，此時球只受繩子拉力和重力作用，根據牛頓第二定律有：

[FT=（mg）2+（ma）2=5mg]

點評：從上述解答中臨界條件的分析可清楚看到，當[a>g]時，繩與水平方向的夾角已經小于45°，且[a]越大，夾角θ越小，其極限值為：[a→∞]時[θ→0]。若不注意，在求解此題時，容易誤列出[FTcos45°=2mg]這樣的式子，應引起重視。

4.超重與失重——注意過程體驗，感悟現象

所謂超重或失重是指測力計讀數（即物體對支持物的壓力或對懸掛繩的拉力?）與重力相比變大了或是變小了。如果是大于重物所受重力，則稱為超重，只要加速度方向豎直向上，必產生超重現象。如果是測力計讀數小于重物所受重力，則稱為失重。只要加速度方向豎直向下，必產生失重現象。因此超重還是失重其實是由加速度方向決定的。

[例6]一個質量為60?kg的人在豎直方向運動的升降機中只能舉起40?kg的重物，而在地面上這個人最多能舉起50?kg的重物。這個升降機的運動情況如何？這個舉著40?kg重物的人對升降機的壓力是多大？（g取10?m/s2）

【解析】從題意可知，人最大的舉力為[F=500?N]，當在豎直方向運動的升降機中時，對重物應用牛頓第二定律有：

[F-mg=ma]

將m?=?40?kg代入可得[a=2.5?m/s2]，說明升降機勻加速上升或減速下降。

此時對人作受力分析，人受到重力Mg，重物對人的壓力[F]，升降機對人的支持力[FN]，

對人應用牛頓第二定律有：

[FN-Mg-F=Ma]????解得：[FN=1250?N]

點評：超重與失重只是牛頓運動定律的一個具體應用，其本質并不是重力變了，而是與物體接觸的拉力、支持力變了，形成實際生活中超、失重的現象。在具體解題時一定要以加速度方向為正方向，依據牛頓第二定律列方程。

5.解讀牛頓第二定律實驗——體驗探究過程之美

牛頓第二定律明確了加速度與力、質量之間的關系，它在高中物理中的地位不言而喻，但得出三者關系的實驗過程以及滲透的研究方法更為重要。一般來講，研究的物理量和幾個別的物理量有關的時候，常用控制變量法。在這里研究的是加速度的大小與物體的受力以及物體質量之間的關系。

[例7]為了提高實驗精度，可用如圖6所示的裝置進行實驗探究。安裝調平氣墊導軌（開啟氣源，使滑塊在任意位置都能懸浮靜止），注意擋光片寬度不能太寬，因為滑塊通過兩個光電門時的瞬時速度用[v=ΔsΔt]求得，這個速度實際上是滑塊通過光電門的平均速度，遮光片的寬度越寬帶來的誤差也就越大。

在上述方案實驗得出的數據如下表。（滑塊質量M=400?g，光電門遮光板長度d=3.0?cm）

完成表格，試分析：

（1）如何計算滑塊通過兩個光電門時的速度？

（2）如何求出滑塊運動的加速度？

（3）如何作出a-F圖像？

【解析】（1）用平均速度來代替通過光電門時的瞬時速度：

[v1=dΔt1=0.115?]m/s;????[v2=dΔt2=0.300]?m/s

（2）根據加速度的定義式[a1=v2-v1Δt=0.072]?m/s2。

（3）當懸掛物的質量遠小于小車質量時，可近似認為懸掛物的重力約等于小車受到的拉力。于是可完成表格：[F1=0.03?]N，[a1=0.072?]m/s2;[F2=0.04]N，[a2=0.095]?m/s2;[F3=0.06]?N，[a3=0.130]?m/s2;根據表中數據描點作圖如圖7所示。

點評：在處理實驗數據時常用直觀的圖線來表達物理規律，常用一次函數圖像。從圖像的“點、線、面、截距和斜率”中領悟相關的物理意義。把物理規律與數學函數一一對應，從中尋找相關的物理規律。

四、命題展望與備考策略

牛頓運動定律是整個高中物理的基石，是高中物理的一條主線。教師要重視學生對物理的深度學習，要讓學生深化物理知識與方法，進而提高學生的綜合分析能力。物理規律具有簡潔之美，但其內涵是非常豐富的，讓學生在解題的過程中鑒賞物理核心素養中的三大物理觀念：力的觀念、運動的觀念和能量的觀念。在實驗探究的過程中，通過“問題、證據、合作與交流”的實驗進程，讓學生掌握科學思維的方法，提高學生自學探究能力，提升學生物理核心素養。

近幾年的高考物理試題集中考查了多過程的力學綜合題，其核心內容就是牛頓第二定律與運動學公式。教師要引導學生對物理過程進行分析，其中對“過程”的剖析，要按照高考的評分標準進行。在具體解題的過程中，先寫必要的文字說明，然后書寫原生態的公式，最后正確計算。在審題時要抓住物理情景中出現的“狀態、過程與系統”，根據狀態和過程寫出相關物理規律的公式。考試時，要自信踏實，講究解題策略，把自己的水準正常發揮就是最大的勝利。

（責任編輯 易志毅）