人教版《第二章勻變速直線運動的研究》編寫說明

苗元秀

摘 要：概括介紹必修第一冊第二章的主要內容、地位作用、在培養學生的物理學科核心素養方面所做的努力，詳細說明這一章涉及的主要知識、重要方法，以及編者的設計意圖，以使教師全面了解教材內容，更好地使用教材.

關鍵詞：高中物理教材;勻變速直線運動;物理學科核心素養

文章編號：1008-4134（2019）15-0010? ? 中圖分類號：G633.7? ? 文獻標識碼：B

1 全章概述

這一章主要采用圖象和公式的方法，從運動學的視角尋找勻變速直線運動的規律，用以解決實際問題.研究變速運動，應該從最簡單的變速運動開始，勻變速直線運動就是一種最簡單的變速運動.上一章學習的參考系和坐標系，為勻變速直線運動的位置和位移的確定奠定了基礎;上一章學習了時間、位移、速度和加速度的概念，本章研究的就是勻變速直線運動的這幾個物理量之間的定量關系;上一章學習了用打點計時器測速度，本章研究的勻變速直線運動的特點，就是通過用打點計時器測物體的速度實驗來研究的.上一章為本章奠定了全面的基礎，本章是上一章概念和方法的具體應用.

本章內容在整個高中力學中具有基礎性的地位.這是因為，作為最簡單的變速運動，勻變速直線運動的學習為認識其他更復雜的運動創造了條件：了解勻變速直線運動的規律，才能進一步學習平拋運動的規律;認識勻變速直線運動加速度的特點，才有利于進一步認識勻速圓周運動和簡諧運動加速度的特點;掌握了勻變速直線運動位移和速度的關系，通過牛頓第二定律，就能進一步推導出動能定理的關系式.

本章共4節課文，其知識線索可分為兩部分：第一部分是關于勻變速直線運動及其規律的探究與學習（第1、2、3節），包括勻變速直線運動的速度與時間、位移與時間、速度與位移的關系，并滲透有關的基本方法;第二部分是勻變速直線運動應用的一個具體案例（第4節），包括自由落體運動及其加速度、規律，以及伽利略對它的出色研究.

編者在編寫本章教材時，注意通過整體設計，培養學生的核心素養.

（1）物理觀念.這一章對于物理觀念的培養，主要體現運動與相互作用觀念的運動部分，使學生形成運動有各種形式，具有相應規律的觀念，并用以解決實際問題.機械運動有各種形式，如直線運動、曲線運動，勻速運動、變速運動等.變速運動中最簡單的是加速度一定的勻變速直線運動，它有自己的規律，它的速度與時間的關系既可以用圖象直觀地呈現，也可以用公式簡潔地表示.另外，我們還能得到勻變速直線運動的位移與時間的關系、速度與位移的關系.小車在重物牽引下的運動、自由落體運動是勻變速直線運動的例子，生活中汽車、火車的運動，航空航天中飛機、飛船、探測器的運動等，都有可能近似成勻變速直線運動，運用這一章學到的規律就可以解決這些問題.為了加強物質觀念及運動觀念的學習，教材特意在本章的最后增加了如下的旁批：“世界是物質的， 物質的運動有多種形式，例如機械運動、熱運動和電磁運動等. 這些不同的運動形式有著不同的運動規律，我們將陸續學習.”以便學生從物理觀念的角度去認識所學的概念規律.

（2）科學思維.這一章主要突出抽象、概括思維和科學推理的學習.在勻變速直線運動的位移與時間定量關系的推導過程中，教材通過將全過程分割成各小段勻速運動再求和的抽象分析，概括出微元求和（微積分）法.這是物理學中處理變化問題常用的一種方法.教材詳細介紹伽利略在研究自由落體運動中如何運用邏輯推理指出問題、形成猜想，在實驗驗證過程中進行合理外推從而得出結論，并在第49頁以旁批的形式使學生認識到科學推理在物理學研究中所起的重要作用.

（3）科學探究.這一章開篇的學生分組實驗“探究小車速度隨時間變化的規律”中，教材就以問題串的形式逐步引導學生思考實驗設計、物理量及器材的選取、如何選擇實驗數據的處理方法、怎樣看出數據規律等，使他們在設計實驗方案、處理實驗數據以得出結論方面得到鍛煉.

（4）科學態度與責任.這一章注重通過引導學生主動思考問題，使他們積極參與研究小車在重物作用下的運動規律，要求實事求是地記錄實驗數據.教材對物體下落這種司空見慣運動研究的歷史呈現，除了能讓學生領悟科學研究的思想和方法，還可以讓他們領悟到前輩大師的科學精神，激發起探索自然的內在動力.

由于修訂后的課程標準中，共同必修部分比修訂前增加了許多內容，編者重新整合原教材內容，將這一章由原教材的6節變為現在的4節，對有些內容做了一定的壓縮和差異化的彈性處理.例如，將原來正文部分用極限思想求位移的內容，放到“拓展學習”欄目中，供學有余力的學生選學;將原教材“勻變速直線運動的速度與位移的關系”單獨一節的內容，只作為一個導出公式放到“勻變速直線運動的位移與時間的關系”一節中.希望老師們能夠根據學生的實際情況對一些內容做出相應的處理.

2 具體說明

（1）第1節通過實驗讓學生親自探究勻變速直線運動的規律.這章教材沒有一開篇就定義勻變速直線運動，而是先在第1節讓學生做一個這樣的實驗，畫出速度-時間圖象，初步分析小車速度的變化規律，既不要求得出小車運動的加速度，也不要求建立勻變速直線運動的概念.然后第2節在分析實驗圖象的基礎上，說明這個運動的特點，進而定義這類運動.這樣可以避免過于學術化地定義，讓學生先有具體探究的感性基礎，因而有利于學生接受，容易從感性認識上升到理性認識.

實驗中需要通過測量紙帶上的計數點，算出瞬時速度，這在上一章已經作為重點練習過，這里直接作為一項技能來用.這個實驗的重點在“數據分析”部分，要求能用物理圖象描述實驗數據，得出結論.用圖象來分析物理問題是高中物理的重要數學方法之一.這個實驗第一次讓學生根據實驗數據來擬合曲線，因此在“數據分析”部分，先引導學生在無法僅從分析表格數據得出結論的情況下，考慮用速度-時間圖象來研究，并在旁注中說明怎樣做能夠使得到的曲線更符合規律.在“做一做”中以WPS表格軟件為例，詳細介紹如何用計算機繪制速度-時間圖象.

（2）第2節沒有簡單地從加速度公式a=Δv/Δt，經過變形得出勻變速直線運動的速度公式，而是通過分析上一節實驗得到的圖象，逐步找出規律.教材引導學生討論：小車運動的速度-時間圖象是一條傾斜的直線，它表示的是什么運動？根據學生在數學課中對線性函數的了解，結合加速度的定義式a=Δv/Δt可以得出：這是一種加速度不隨時間改變的勻變速直線運動.

如果要用公式來描述，可以選定0時刻（運動開始時刻），將時間間隔Δt和速度的變化量Δv的表達式代入加速度的定義式，得到a=（v- v0）/（ t– t0）.在這個式子中，v0和a是不隨時間變化的，不同的時刻t將對應著不同的瞬時速度v，因而可以得出v隨t的變化關系v= v0+ at.在這個基礎上，教材進一步讓學生根據各項的含義來理解關系式：勻變速直線運動的加速度a在數值上等于單位時間內速度的變化量，所以at是時間t內速度的變化量，加上運動開始時速度v0的值，就是時刻t的瞬時速度.

教材對勻變速直線運動速度與時間關系式的探討，注重知識的獲取過程，使學生經歷了從實驗研究中獲取數據→作圖象→分析圖象→尋找規律→理解規律的過程.在看似簡單的問題上不簡約其研究過程，這對剛剛跨入高中大門的學生養成科學的思維習慣和良好的研究態度具有重要的意義.

（3）第3節通過類比勻速直線運動v-t圖象求位移的方法，引出勻變速直線運動通過v-t圖象求位移的方法.雖然這是通過勻速直線運動特殊的例子類比得出的，但這種方法具有一般性，是物理學中常用的方法.例如，變力做功的問題運用的是同樣的方法.

歷史上，把物體運動的位移與其v-t圖象下的“面積”相聯系，在伽利略和笛卡爾那時就已經提上科學的議事日程，但真正解決此問題則是在牛頓和萊布尼茲發明微積分之后.如果說在上一節得出勻變速直線運動的速度公式時， 教材重視獲取知識的過程而處

理了一個“簡單”問題的話，那么在這一節，則是把一個在物理學發展中極為深刻而有效的思維方法，以簡約化的方式呈現.這樣處理有利于防止教學中僅側重知識點的“吞咽”和“套用”，而忽視科學思維方法的培養.

（4）第4節“自由落體運動”一開始就提出了伽利略對亞里士多德落體理論的質疑，并在“科學漫步”中詳細地介紹了伽利略研究自由落體運動的方法.教材在介紹自由落體運動規律這些物理學基本知識的同時，適當地、有選擇地介紹這個重要研究的歷史過程，說明背景、怎樣提出問題、遇到什么困難、如何獲得突破、曾經有過什么曲折和爭論等，使學生能夠領悟到前輩大師的科學精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鑒.教材還通過“STS”欄目講述“從伽利略看科學與社會”的問題，讓學生感悟科學與社會的關系，從充滿哲理的科學故事中多方面吸收科學的信息.

教材還注重用手邊的常用工具做物理實驗，在“做一做”中讓學生利用手機來測自由落體加速度，在習題中介紹了“頻閃照相”的方法.這是考慮到學校里使用的一些儀器多數是生產部門專為學校研發的，比如打點計時器，生活中常常用不到.頻閃照相的方法和打點計時器的原理一樣，但卻比打點計時器更常用.常用的頻閃照相方法中所用的頻閃儀，對學生來說不易獲得，但是可以用手機來制作“頻閃照片”，這就為學生研究與運動學有關的課題提供了很好的工具.應該鼓勵和引導學生利用這些常用的工具來做物理實驗研究，以提高他們解決實際問題的能力，加強聯系實際的意識.