學習高一物理動力學應注意的幾個問題

閆學忠

【摘要】通過對學生初學高中物理遇到困難的分析入手，介紹了受力分析、矢量運算、力和運動關系、高中物理動力學知識邏輯結構等知識，讓學生學會解決動力學問題一般方法和思路。

【關鍵詞】受力分析;運動分析;矢量運算

一、準確進行受力分析是學好高中物理的關鍵

在高中力學這一章，學習各種力的三要素及產生條件，不能只簡單記憶這些知識，這部分知識學習主要是為進行受力分析做準備的。受力分析是整個動力學學習的基礎，受力分析錯誤了，后面進行力的運算會跟著錯誤。在高一剛學習力學時，學生在分析受力時容易出錯，常出現多分析或少分析力的情況。在高中物理教材中按照力的性質分類，可分為重力、彈力、摩擦力、電場力、磁場力等。如果對物體進行受力分析時按照力的性質分類的順序進行受力分析，把每種性質的力都分析了，這樣就不會出現多分析或少分析力的情況。因此受力分析的一般方法和思路為：先分析重力，再分析彈力、摩擦力、電場力、磁場力、其他力（一般為人為的力）。在分析物體是否受到某個性質的力時，關鍵看是否符合該性質力的產生條件。比如在分析物體是否受到彈力時，根據彈力產生條件：接觸、擠壓且產生形變。首先看與被分析的受力物體接觸的物體有幾個，他們之間是否有因擠壓而產生形變，就可以確定物體受到幾個彈力。受力分析的方法可總結為：按照力的性質分類順序，根據各力產生條件對物體進行受力分析。一句話：一重（力），二彈（力），三摩擦（力），四電場（力），五磁場（力），六其他（人為力）。按照這個方法初學受力分析時會感到復雜，形成習慣后就會感到方便，且不容易出錯。

例1：根據圖1情景，A、B、C三個物體上下疊放墻角處，三者都處于靜止平衡狀態，地面是水平光滑的，其他各接觸面都是粗糙的，則下列說法正確的是（）

A.A與墻面間存在壓力

B.A與墻面間存在靜摩擦力

C.A物塊共受4個力作用

D.B物塊共受4個力作用

解析：運用整體法和隔離法逐步進行分析，第一步把A、B、C三個物體看作一個整體：按照力的性質分類順序，先分析整體受到重力G總，整體與地面和墻面接觸，整體可能受到兩個彈力，即地面支持力和墻面支持力。根據彈力產生條件：接觸且擠壓形變，整體中C與地面之間有擠壓形變，所以地面對C有向上的支持力。水平方向上：整體處于平衡狀態，地面光滑，地面對C沒有摩擦力，根據力的平衡條件得知，墻對A沒有支持力。再根據靜摩擦力產生條件可知：A與墻面間沒有相對運動趨勢，A與墻面也不存在靜摩擦力，故A、B錯誤。第二步以單個物體A為研究對象，對A物塊進行受力分析：先分析A受到重力，A與B接觸，根據彈力和靜摩擦力產生條件，B對A有支持力和B對A有摩擦力作用，故A受到三個力的作用，所以C是錯誤的。第三步對C進行受力分析：先分析C受到重力，C與B和地面接觸且擠壓形變，根據彈力產生條件，C受到B的壓力和地面支持力。由于C與地面之間無摩擦力，再根據平衡條件，所以B與C之間無摩擦力。最后對B進行受力分析：先分析B受到重力，B與A和C接觸且擠壓形變，B受到A的壓力和C的支持力，同時B對A有摩擦力作用。故D正確。

二、學會矢量運算，做好初高中銜接

準確對物體進行受力分析后，下一步是通過力的運算解決動力學問題。力的矢量運算分為同一條直線上力的運算和互成角度力的運算。1.當兩個或多個力在同一條直線上進行矢量運算時，首先規定正方向，如果力的方向與規定正方向相同時，計算時取正值;如果力的方向與規定正方向相反時，計算時取負值。最后運用數學代數和求出合力。當求得合力的值為正值時，說明合力的方向與規定的正方向相同;當合力的值為負值時，說明合力的方向與規定的正方向相反，合力的正負僅僅表示方向。2.對兩個或多個不在同一條直線上（即互成角度）的力進行運算時，應遵循平行四邊形法則、三角形法則、正交分解法等矢量運算法則。這里只重點講講正交分解法的使用。正交分解法主要分為以下幾個步驟：第一步，以物體受力點為原點O畫相互垂直的x軸、y軸，建立一個直角坐標系。建立直角坐標系遵守原則：當物體處于平衡狀態時，建立直角坐標系時使盡可能多的力落在坐標軸上;當物體處于非平衡狀態或運動時，建立直角坐標系時，使x軸或y軸與物體運動方向或加速度方向重合。第二步，將不在坐標軸的已知力，沿著x軸、y軸分解在坐標軸上，計算出各個分力的大小。第三步，分別求出兩個坐標軸（同一條直線）上的合力Fx、Fy。第四步，利用勾股定理求出物體受到的合力。

三、正確建立物理模型，方便定量計算

初中物理主要要求學生定性描述物理規律和物理現象，給出合理解釋。高中物理增加了從定量計算方面對物理問題進行計算，形成結論。因此有必要對高一新生強化物理模型建構意識，從而簡化物理過程，便于進行復雜的物理運算。

從定性分析到定量計算是一步非常大的跨越，也是高中物理和初中物理的一個非常大的不同，如果不能引導學生處理好這個問題，會給高一學生學習物理造成非常大的困難。在研究動力學問題時，實際生活中物體受力和運動情況很復雜，在不影響分析主要問題情況下，忽略次要因素，抓住主要矛盾，把物體理想化為一個點或把復雜物體運動理想化為一個有規律的運動過程，就是物理模型構建的過程。研究物理問題時，常常把物體運動理想化為勻速直線運動、勻變速直線運動、平拋運動（類平拋運動）、勻速圓周運動等運動模型。如研究火車在平直的軌道上的運動規律時，我們忽略軌道微小的彎折和火車速度的微小變化而建構“勻速直線運動”的模型。在研究物體機械運動時，我們不考慮物體的大小和形狀對運動軌跡的影響同時忽略物體自身的轉動，建構了理想的“質點”模型。在研究物體在空中運動時忽略空氣的阻力只考慮重力作用而建立“自由落體運動和平拋運動”的模型等，這些都是理想化模型的例子。在物理模型建構教學實踐中，主要引導學生構建勻變速直線運動模型、牛頓運動定律模型、平拋運動模型以及圓周運動模型等高考重點考察的模型。在階段性復習教學時教師應鼓勵學生嘗試總結歸納不同物理模型的主要解題架構。例如，勻變速直線運動模型核心框架為知三求二，即知道Vt、V0、a、x和t任意三個物理量即可求解一段勻變速直線運動的其余兩個物理量。

四、準確把握好高中物理動力學知識邏輯結構

要想學好高中物理動力學知識，就要站在整冊書的高度，了解高中物理教材編者意圖和思路，掌握整冊書知識邏輯結構。高一物理課本第一章內容為運動的描述;第二章內容是勻變速直線運動的研究，這兩章講的是運動學基本概念和基本運動規律有關知識。在第一、第二章中對學生重點培養建立理想物理模型的能力。第三章講相互作用—力，知識包括力的概念，重力、彈力、摩擦力的大小、方向、作用點及各力產生條件。需要補充的知識有平行四邊形法則、三角形法則、正交分解法等力的矢量運算法則，這章主要講解力的有關知識。在第三章中對學生進行知識補充和能力培養的重點是教學受力分析和力的矢量運算法則。第四章內容是牛頓運動定律（運動和力關系），主要講述力與運動關系。在高一物理知識結構中，牛頓第二運動定律是聯系力學和運動學知識的橋梁，牛頓第二運動定律表達式：F=ma，公式左側是物體受到的合力F，聯系著力學知識;公式右側含有加速度a，聯系著有關運動學公式（即運動學公式中包含著加速度a）。因此牛頓第二運動定律在動力學問題中有著重要作用，牛頓第二運動定律表達式幾乎是解決動力學問題必須使用的關系式。

由牛頓運動定律可知，力和運動關系具體表現為：1.物體有一定初速度，不受力或受合力為零，則物體做勻速直線運動;2.物體受恒力F且F與初速度在同一直線上，則物體做勻變速直線運動;3.物體受恒力F且F與初速度垂直，則物體做平拋運動或類平拋運動;4.物體受恒力F且F與速度方向始終垂直，則物體做勻速圓周運動。

動力學問題有兩個基本題型：一是已知質點的運動，求作用于質點上的某個力;二是已知作用于質點上的力，求質點的運動情況。解這兩類基本問題一般思路是：首先都要對物體進行受力分析，分析物體受到哪些力的作用;其次，對物體進行運動分析，根據物體受力和初速度關系，利用運動和力的具體表現，分析出物體的運動規律模型;最后，依次列出牛頓第二運動定律和運動學關系式，求解方程組得出物理結論。

（基金項目：本文系海南省教育科學規劃一般課題“基于高中物理教材的動力學問題學困原因分析及對策”的研究成果，課題編號：QJY20201060）