中学物理中的力学浅析

中学物理中的力学浅析摘要：力学是物理学的基础，是专门研究物质机械运动规律的一门学科，它的一些基本概念和规律是物理学最重要、最基本的概念和规律，贯穿着物理学的始终。本文简要阐述力学教材在中学物理中的地位；初中、高中物理教材中的力学内容之间的联系,以及对中学教材中力学内容的探讨。关键词：中学物理， 力学 力学的发展力学作为一门经典的学科，一开始就同人们的生活和生产紧密相关。中学阶段所学习的力学知识，不但是为后续课程打基础，也是为毕业后参加生产劳动做准备。力学是物理学的有机组成部分，它在物理学中占重要的位置，并且对天文学及各种工程学都有极大的贡献。我国古代在力学方面就已有了很多伟大的成就。希腊的亚里士多德-他在重心、杠杆、浮力等方面均有建树，为静力学的发展奠定了基础。15世纪以后，欧洲兴起了文艺复兴使力学进入了一个空前未有的发展阶段。 在15世纪到18世纪内逐步建立了比较完整的力学系统理论。首先应提到哥白尼，他提出了日心学说引起了宇宙观的大革命；开普勒总结了行星运动之定律；伽利略研究了落体和斜面运动的规律，提出了加速度的概念，并第一次正确认识到加速度与外部作用的关系，为动力学的发展奠定了基础。牛顿的原理无疑是物理学史中第一部划时代的著作。他第一次用实验、观察、假设和推理形成了完整的理论体系揭示相互作用和运动的关系，而不限于对个别的现象和过程的描述。他运用微积分这一最为恰当的数学工具刻画力学规律，从而使人们通过相互作用和运动状态的瞬时关系去认识全过程。2 力学教材在中学物理教材中的地位力学是研究物质机械运动规律的一门科学。力学在整个中学物理教材中占有很重要的地位。首先，力学是物理学的基础。物质的机械运动是一切运动形式中最基本、最普遍的运动形式；每一种较高级、较复杂的运动形式都包含着简单的机械运动。在中学物理中，力学中的一些基本概念，如力、质量、功和能的概念，以及力学的一些基本规律，如牛顿运动定律、动量守恒定律、能的转化和守恒定律等，是物理学最基本、最重要的概念和规律，它们在物理学中贯穿始终。研究力学的基本方法-以观察、实验为基础，抽象、概括出物理规律，把实验同数学方法紧密结合起来，运用图像、数学语言、数学推理来表示和论证物理规律，运用理论知识分析实际问题等等，这也是学习物理学其它部分所必需的。总之，力学知识及其研究问题的方法，在后继课程中用处很大。其次，力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水器具，逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识 。古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡理论的基础。古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中了解一些简单的运动规律，如匀速的移动和转动。伽利略在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律 ，提出加速度的概念。牛顿继承和发展前人的研究成果（特别是开普勒的行星运动三定律），提出物体运动三定律 。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。牛顿运动定律的建立标志着力学开始成为一门科学。它虽然是一门古老的学科，但今天仍富有旺盛的生命力。打好经典力学基础，对于进一步学习物理学及其它现代科学技术和生产知识，是必不可少的准备。第三，力学部分在中学物理教材中讨论得比较详细、系统和完整，这从教学法观点及学生的学习效果看来也是可取的。因此，一般的中学物理教材，都把力学作为整个教材的重点，要求学生对整个力学部分的内容掌握的比较牢固，对力学的基本概念与规律，要求做出一定的定量的分析和描述。这也给培养学生实验，逻辑思维和数学运算等三方面能力提供了充分的机会。从学时上来看，力学占整个中学物理教材比重的三分之一强，这也充分说明了它的重要地位和作用。3 初中物理教材中的力学31初中力学教材的基本内容及其系统初中物理从物理学的角度来看，是以最简单的的基本概念、基本规律为基础组成的。力学作为物理基础课之一，其结构和内容同样地也是由基本概念和规律组成的。虽然所讲的内容大多数是古代就总结出来的力学规律，但是整个教学结构是以牛顿三大定律为核心展开的。如果只是平列地去教各种概念和规律而突不出牛顿力学定律的核心地位，就不能形成良好的教学结构。力、功、能这三个概念是关键性的概念。在教学中要结合丰富的实例讲清楚牛顿定律。无论在重力、压强及其应用，还是讲功的原理和简单机械都应逐步加深和巩固学生对牛顿力学三大定律的认识和理解。要让学生了解：自然和规律是简单的，然而它的应用却是无比丰富和生动的。初中力学教材内容分为五个单元（以九义人教版为例），即：测量（第一章）、重量和力（第八章）、流体静力学（第十、十一、十二章）、运动和力（第二、九章）、简单机械以及功和能（第十三、十四章）。 测量的重要意义在于：现代生产和科学研究都离不了测量；物理学中的许多规律反映了物理现象的数量关系，因而也离不开测量。教材的安排是先学习了几个最基本的物理量，包括长度、质量和时间的测量，再过度到下一单元比重和力的测量。 重量和力是力学中的最基本概念。课本上力是先从重量和人的感受讲起，这是符合认识过程的。由重量引出密度的概念以及由力引出压强的概念，这是学习以后几章的基础。 在第三章里，通过对一些实验事实的概括，得出力是物体对物体的作用的结论。至于作用的含义是什么，以及如何给“力下定义，本章中不作要求。因为正确的力的概念的形成要有一个过程，要通过以后各章，特别是运动和力的教学，乃至高中力学教学来逐步解决。有关流体静力学的三章教材，主要介绍与液体和气体的压强有关的问题以及浮力等基本知识。压强的概念是本单元教学的关键，是贯穿第三、四、五、六各章的基本概念。运动和力一章主要介绍运动学和动力学的初步知识，定性地讨论了运动的变化和力之间的关系，指出力是改变物体运动状态的原因。这里，教材先后介绍了力学中常见的三种力：重力、弹力和摩擦力。简单机械、功和能两章教材的安排是，在研究简单机械工作原理的基础上，引出功、功的原理和功率等基本概念，进而提出了机械效率、机械能的转化和守恒等内容，最后以流水能的利用作为初中力学的结束。 力的概念和功的概念不仅是力学的而且是全部物理学的重要概念。液体内部的压强及其计算、阿基米德定律、惯性定律、摩擦力的计算、杠杆的平衡条件和功的原理是初中力学教材中的基本知识。这些内容对于学生将来参加工农业生产和进一步学习物理学都是很重要的。32初中力学教材和教学的特点 初中力学教材比较简单，总的说来在教学上困难不大。力学现象是十分普遍的，在生活中到处可碰到。我们在教学中要注意运用直观形象讲授物理知识，引起学生的学习兴趣，并从一开始起就注意培养他们观察现象、进行思维和动手实验的习惯，指导学生钻研教材。初中的练习题一般都比较简单，这时要注意防止学生不了解物理意义单纯套公式求答数的偏向。可以多找一些生动事例启发学生去思考。 4 高中物理教材中的力学4.1高中力学教材的基本内容和系统力学是研究物质机械运动规律的一门科学，高中物理课程比较系统的论述物理学的基本规律。在初中水平的力学结构的基础上，高中水平的力学结构是明确地以牛顿力学三大定律，万有引力定律为其重要内容。从牛顿力学定律，可以演绎出动量定理及动量守恒定律。可以演绎出功能定理和机械能守恒定律。但是，实验验证这两个守恒定律是十分必要的。这两个守恒定律的普遍适用性比牛顿力学定律还要广泛，因为这两个守恒定律在宏观世界和微观世界都适应，而牛顿力学则不适用于微观世界。在教学上，既可以从开普勒行星运动三大定律出发，应用牛顿力学三定律，演绎出万有引力定律，也可以从万有引力定律出发，应用牛顿力学三定律，演绎出开普勒行星运动三定律。高中力学教材共分七章，每一章都可看作一个单元。 第一章阐述力的概念、力的合成和分解以及物体平衡等静力学知识，是力学的基础知识。 第二章的内容是质点运动学的基础知识。位移、速度、加速度等基本概念和匀变速直线运动的基本规律以及运动的合成和分解等运动学知识，是力学的重要组成部分，是学习以后各章必要的预备知识。 第三章运动定律在力学乃至整个物理学中占有重要的地位，是经典力学的基础.这一章的中心内容是牛顿第二定律。它不仅是力学教材的重点，也是整个中学物理的重点之一，在教学中应予以充分的重视。 第四章机械能和第七章动量也是力学的重点。功和能是物理学中最重要的概念，它们虽然是由力学引入的，但却贯穿在整个物理学中。动量和动量定理是物理学的重要内容，不论是宏观物体还是微观粒子的运动，动量守恒定律都是适用的。过去的中学教材对这一部分内容只作为牛顿第二定律和第三定律的推论加以一般的介绍，显然是不够的，因此现行教材把动量作为单独的一章。 第五章机械振动和机械波也可以看作是运动定律的应用。不过从运动形式来看，振动和波比前面各章的内容要复杂一些，它已超出了质点力学的范围，实际上研究的是连续介质中的过程。这里，主要对简谐振动作了定量的研究，对波的传播只作一般的讨论；它需要以运动定律、圆周运动、运动图像、能量等知识为基础。这一章也是以后学习交流电、电磁振荡、电磁波以及物理光学的基础。第六章圆周运动和万有引力，可以看作是运动定律在某些特定的曲线运动中的应用从上述教材的安排来看，高中力学教材各章之间的联系是比较密切的。初、高中力学教材的安排，注意了分工和联系。象比重、压强、流体静力学和简单机械，初中讲过了，高中就不再重复；象运动和力、功和能在初中只要求初步了解，到高中再进一步扩充、深化；象滑动摩擦系数，初中讲了，高中则作必要的复习。4.2高中力学教材及教学特点 高中力学在整个中学物理教学中是比较困难的部分。在即时速度、加速度、功和能、运动定律、物体的受力分析、向心力和向心加速度以及波动等问题的教学中，往往会发现学生普遍感到困难。这是由教材本身的特点和学生的实际情况所决定的。下面我们对高中力学教材和教学的特点作一概略的分析。 4.2.1力学教材的概括性、系统性强，体系严密。 在高中教材里，对力学的最基本的概念和规律，差不多都进行了定量的研究。也就是说，高中力学教材已经初步组成了一个相当严格的推理系统。高中力学教材的这个特点，要求培养学生具备相当的抽象思维和逻辑推理能力。对刚进入高中的学生来说，这种能力还不可能得到足够的训练。他们学习力学一开始遇到象即时速度、加速度等概念时，觉得抽象难懂，根源就在于此。因此，在教学法中要十分注意培养和发展学生的抽象思维能力和逻辑推理能力。4.2.2定律公式多、运用数学进行定量分析、推理和计算。高中力学教材对于一些重要的概念和规律，广泛地运用了初等数学工具进行了定量的分析和计算，而且力、位移、速度、加速度等都是用矢量来表示的。把物理量分成标量和矢量，这是从初中物理到高中物理的一个明显的跃变。许多物理过程和规律，如匀变速直线运动、恒力和变力做功、振动和波等等，都用有关的图线或图象来表示和进行研究，这也是高一学生感到困难之所在。高中力学教材中公式多，如匀变速直线运动一章中就有近二十个，学生在做习题时，乱套公式是比较普遍的毛病。根据教材的这个特点，在教学法上要特别注意两个方面的问题。第一，要注意培养学生运用数学解决物理问题的能力。教师应该明确，学生的困难主要不在具体的数学运算上，而在对物理概念和规律意义的理解上。例如，s=v0t+1/2at ，F=ma这两个公式，从数学上来讲学生是没有什么困难的，但是对这两个公式的各个物理量的物理意义及其相互之间的关系有较深的理解，是很不容易的，而这正是运用数学解决物理问题的关键。所以，在力学教学中，要特别注意使学生理解物理公式的意义，而决不能把物理公式数学化。第二，要注意培养学生从基本公式推证派生公式（导出公式）的能力。如匀变速运动一章的公式虽有二十个之多，但基本公式就是两个（vt=v0+at，s=v0t+1/2at ），其余公式都可由此推得。圆周运动中，描述一个质点做圆周运动的量也比较多，如线速度（v）、角速度（w）、周期（T）、频率（f）、转速（n）等，要着重使学生理解它们相互的关系，而不必死记公式。这样，他们在解题时就不会乱套公式了。 4.2.3力学教材的很多内容是中学生在日常生活实践中接触过的 从一个方面讲，学生的感性认识比较丰富，对教学是有利的；但是，实践又证明，学生在学习力学时，头脑中存在着许多错误的观念，特别是关于力的概念以及力和运动之间的关系，存在着一系列错误观念，这是力学教学中形成概念、掌握规律的严重障碍。要使学生从经验的直觉上升到科学的概念，或从似是而非的错误概念到建立准确的严格的概念，需要认真花一番去伪存真的工夫。教师必须深刻认识力学教学的这一特点，及时了解学生到底存在哪些错误或模糊观念，在教学过程中采取必要的措施予以纠正。学生平时积累起来的这种错误观念，交织在一起，给许多课题的教学带来不少困难。因此，在教学中必须采取适当的措施与方法，例如，通过实验或对经典事例的分析讨论，引导学生纠正和克服错误观念，树立正确的科学概念。 根据高中力学教材和教学的上述特点，在教学法方面往往容易较多地偏重抽象推理与数学运算，而忽视基本训练，忽视实验能力的培养。使学生实而不化堕入题海。高初中在教材内容和教法上的跃变，要求教师在处理力学教材时注意这个问题，以便实现妥善的过渡。因此要特别注意基本概念的理解，注意加强实验训练，注意循序渐进地安排好习题课的作业。 最后还要指出，由于力学各章教材的地位、作用不同，在教学中要注意区别对待，不要平均使用力量 ，特别是对非重点章节不要贪多求全，占用过多的时间和精力，影响重点章节知识的教学。5 中学教材中力学的探讨随着近几年高考制度的改革，出现了文综和理综的综合科目。在理综中物理占的比重一般不少于40%，而力学作为物理中的一个重要知识点所占的比重是不容忽略的。综合科目多以现实生活中的有关理论问题和实际问题立意命题，要求更加真实和全面地模拟现实（举例说明）。试题要求学生的主要不是对事物的局部或一个侧面进行描述，而是注重对事物整体的结构，功能和作用的认识，以及对事物变化发展过程的分析