高中物理概念体系

1概念为本的物理教学华中师大一附中蒋大桥——原因之一：从纵向看，一些抽象的概念理解起来很难，教学中不可能一步到位，而是分步到位的。高中物理的几个关键概念力学热学分子力、温度、内能、热量、功电磁学电场力、电场强度、电势、电势能、电容磁感应强度、磁通量、安培力、洛伦兹力电流、电量、电压、电阻、电功、电动势/感应电动势波与光学定义m米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长国际千克原器的质量为1kg时间ts铯原子-133基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周的持续时间为1电流IA略的导线中，通以强度相同的恒定电流,若导线每米长所受的力为2×10-7N,则每根导线中的电流强度为热力学温度TK水的三相点热力学温度为1/273.16K。发光强度I的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683瓦下面举三例说明：质量、速度、功2(一)质量“质量”这个概念可谓是初中学生最早接触到的物理概念之一，然而六年之后到高中毕业，有几人能说清楚乎?现在不妨借此回顾一番我们的对“质量”这个概念的教学历程。在初中，课本上是这么定义质量的：质量是指物体所含物质的多少。这里有一个子概念——“物质”。如果要向学生阐述“质量”的内涵，必须先对子概念——“物质”做出进一步的阐释。那么什么是“物质”呢?可想而知，要向十三岁左右的孩子们解释清楚带有浓郁哲学色彩的“物质”概念，几乎是不可能的，初中只能“嘎然而止”了，随后老师只能转头去介绍如何用天平测量质量云云。所以初中对“质量”的教学，是一种“弃质保量”的教学。到了高一，学习《牛顿运动定律》,当然还会遇到质量。这时老师就会讲：描述物体惯性的物理量是它们的质量(新教材),或者说成“质量是物体惯性大小的量度(老教材)”。这里，同样遇到了一个让您头疼的子概念——“惯性”。那么,何谓“惯性”?这也需要费几番口舌。不过这里第一次把“质量”和“惯性”联系起来了，是一种对质量新的认识。后来学习《万有引力定律》,第三次遇到了“质量”。看来这回遇到的“质量”似乎与“惯性”无关，只与“引力”有关。大多教师对此问题“视而不见”,或者有意去回避这个问题，算是“蒙混过关”吧。再往后学习动量和动能，自然少不了“质量”这个重要角色的加入，不过谁也不会在这里去讨论质速关系、质能关系有关的问题。到了电磁学，认识了“场”,知道了“场也是一种物质”。尤其是老师们还特别喜欢引用爱因斯坦的话来解释：场就像人所坐的椅子一样的实在，场也是一种物质。这时不免就有学生问：请问这把“椅子”的质量是多少?……对此，老师开始有些“汗”了!再后来，学习《光的本性》,接触了量子论，认识了“光子”,同样的问题诞生了：光子的质量是多少呢?再后来，学习核反应，认识到了一些核反应中存在“质量亏损”,为此，学生还会追问：不是有个“质量不灭定律”吗?由此可见，对于“质量”这个概念的认识，一路上我们遇到了惯性质量、引力质量、静止质量、动质量/相对论质量、质能关系等难以阐释的问题，对一些问题我们可能会绕过去，而另一些问题我们必须去面对它。看来中学教师对此是不可能一步教到位的。(二)速度首次认识“速度”,是从小学数学中开始的，一直到初中毕业，讲的都是匀速直线运动的速度的大小和变速直线运动中的平均速度的大小。并把速度粗略的定义为“路程与时间之比”,不涉及到速度的方向问题。因为这些运动都是单向直线运动，方向始终保持不变，这种定义有利于初学者的学习。但需要特别给学生提醒的是“平均速度”不等于“速度的平均”。到了高一，开始接触矢量与极限，速度就“摇身一变”成了矢量，并将平均速度定义为位移与时间之比。然后在“平均速度”这个概念的基础上结合极限的思想提出了“瞬时速度”的概念。指出平均速度的方向始终与位移同向，而瞬时速度的方向不一定总和一段时间内的位移方向相同。速度矢量的出现。使得速度的内涵更加丰富，判断速度是否变化，不光看大小变不变，还要看方向变不变。速度矢量的出现，还使得速度的运算得遵循矢量的运算法则，出现了分速度、合速度、相对速度等概念，这样学习的难度突然提升了。为了避免方向问题的纠缠，把瞬时速度的大小叫做速率，但平均速度的大小并非平均速率(平均速率是路程与时间之比),这一点容易引起混淆。无论如何，在直线运动中，与“速度”相关的问题还算好把握。后来学习《曲线运动》,对速度的理解又开始深入，一方面瞬时速度的方向要3对于匀变速曲线运动(如平抛运动),速度矢量是随时间均匀变化的，这一点如果不引入“加速度”和学习“牛顿第二定律”,是很难理解的。对于匀速圆周运动，不可错误认为速度也是均匀变化的，这一点往往让学生“百思不得其解”。为了能方便地描述圆周运动(或转动),物理学上还引入了“角速度”,并把原来的速度角速度需要费一番功夫，因为一方面它容易和日常生活中说的“转速”搞混淆的。另一方面后来学习万有引力定律和人造卫星的发射，提到了“三个宇宙速头疼的速度”!后来学习机械振动与机械波，再一次接触到“振动速度”和“波速”,由于机械波传播的是“运动形式”和“能量”,媒质本身并不随波迁移，看来这个“波速”不好理解，它绝对不是“媒质中质点的振动速度”或者“振源的运动速度”,应该是那个“运动形式”和“能量”的传播速度。那么,“波速”到底如何理解呢?波速由什么内在因素决定呢?高中物理对此采(三)功第一次认识“功”是从初中开始的，那时很容易把“力”与“功”,“做功”与“工作”“功劳”等名词术语混为一谈，这主要是把“科学概念”和“日常用语”混在一起了。所以初中一开始就强调做功的两个必要因素，首先要学会区分“做不做功”的问题。(1)人从地面跳起，地面对人是否做功?(高考题)(2)滑冰运动员推墙后获得了动能，墙壁对人是否做功?(3)人提着水桶站在电梯里上楼，提力对水桶是否做功，电梯对人是否做功?(4)人提着水桶爬楼梯，提力对水桶是否做功，楼梯对人是否做功?要彻底认清这些问题，实际上涉及到大学物理中的质点系动能定理。但在中学，只能告知学生，W=Fs中的s应该是力的作用点的位移，而且具有相对性。可学生往往对这种“机(1)恒力的功与变力的功；(2)正功与负功；(4)内力的功与外力的功；(5)不同性质的力做功的特点是什么?(6)做功快慢(功率)问题；(7)做功效率问题；(8)功能关系问题。后来学习热学、电磁学，还会多次讨论功，如热功当量、电功(静电力的功)、非静电力在中学物理中，象“质量、速度、功”这样看似简单、实则内涵深“开始出现”、“再次出现”、“反复出现”?每次出现以后对其认识是否更加深入?这样的概念教学在中学课堂中进行，我们该采用何种教学策略，把握何种尺度呢?这可能是一个课堂教学中永恒的课题!——原因之二：从横向看，各种概念五花八门，必须对概念进行梳理，建立概念体系，才能更深入更全面地理解这些概念，这一点需要学习者的知识积累到一定程度才能做到。1.建立同一知识体系中不同概念间的关联网络；2.同一主干概念在不同情景下的应用与深化(从共性到个性);3.从基本物理量到导出物理量的逐步推进。力学中的三个“小精灵”——质量、长度、时间动能与势能动能与势能长度功速度加速度时刻冲量动量坐标系时间轴时间质点力电学量的建构44时间电场强度角度说明质点的一位移s用由起点指向终点的有向m②区分位移和路程。时刻、时间间隔时间轴S区分时刻和时间间隔速度v率。瞬时速度(速度)瞬时速度的大小J圆周的物①在匀速圆周运动中，线速度的线速度、加速度都是矢量，它们的方向都在变化。方向不一定指向圆心。向心加速度an(仅S对匀速圆周运动)简谐的物m的位移、速度、加速度、动量、动能随时间做周期性变化。②质点的加速度方向和位移方向与S与公式，不作要求)(单摆)力——概念体系(从共性到个性)大小方向理解要点按力的性质分万有引力重力竖直向下①正确理解重力和万有引力的关系。②重力加速度：电磁相互作用弹力胡克定律恢复形变的方向相同摩擦力力与物体间相向相反摩擦力。③举例分析摩擦力从有到无、从无到有、从动到静、从静到动的变化(包括大小和擦力m与物体间相对运动趋势的方向相反分子力(分子间引力和斥力的合力)电场力力力左手定则的平面，洛仑兹力的方向总是垂直于v与B所决定的平面。兹力强力核力①核力是发生在核子之间一种强相互作用力，比库仑力的相互作用要强得多。②核力发生作用的范围是核子之间的距离接近10-14m,核力是一种短程力。按效果分圆周运动中的向心力指向圆心简谐运动中的回复力总是指向平在各种简谐运动中，回复力都等于合外力吗?浮力流体的阻力向相反也阻力越大；物体的横截面积越大，阻力就越大；物体设计成流线型可减小阻力。重力的功万有引力的功万有引力做功与路径无关弹簧弹力的功静摩擦力做功滑动摩擦力不一定都做负功，也可以做正功，还分子力做功电场力做功静电力做功与路径无关：W=Uq=UIt。在电路中，常说成电流做安培力可以做正功，也可以做负功；洛仑兹合力做功一对相互作用的内力的总功具有相对性，其大小与参照物的选取有关。具有相对性，其数字可正可负，取决于零势能的选取。规定弹簧处于自然原长状态下势能为零。物体的内能与物体的内能有关的掌握分子势能与分子间距离的关系(势能曲线),取两分子相距无穷远势能为零。电能电势能正可负，同种电荷系统电势能为正，异种电荷系统电势能为负。电场能与电势能没有本质的区别。电场能电容器可储存电场能。电感器可储存磁场能。电磁辐射能(光能)计算核能常用△E=△m.c²(△m叫做质量亏损)——原因之三，相似的概念比较多，容易混淆不清。中学物理中容易混淆的概念12重心、质心3重力、超重/失重4重力、万有引力5静摩擦力、滑动摩擦力6一对相互作用力、一对平衡力7路程、位移8时刻、时间间隔9波速、质点的运动速度转速、角速度功率、效率内能、热量电动势、电压场强、电势电场线、磁感线交流电的有效值、交流电的平均值复色光、单色光、自然光、偏振光电磁波/光波、物质波/概率波——原因之四：矢量和标量混在一起，分不清大小多意义大小/多少/高低比较矢量的正负表示其方向与规定的正方向之间的关系：方向相同为正，方向相反为负。比较大小，不看正负号标量重力势能的正负与零势能面的选取有关，零势能面上方的为正，零势能面下方的为负。正值能量永远的正负电势能的正负分子势能的正负氢原子能量的正负为电子的动能与电子和原子核(质子)系趋于零。摄氏温度的正负温度为正，低于此温度为负。正值温度永远高于负值温度电量的正负比较大小，不看正负号功的正负比较多少，不看正负号热量的正负吸热为正，放热为负。比较大小，不看正负号电势的正负正值永远高于负值磁通量的正负比较大小，不看正负号二.物理概念教学有“套路”教学手段与策略说明1引入这个概念?③理论、实验探究法引入：动量、动能、2它是怎样表述的?有定义式吗?“由于…而使…”,体会言外之意。3这个概念和学过的哪些概念容易混淆?这个概念和什么概念比较理解可以促进学习正迁移，防止负迁移?列表比较物理量4归类整理5单位能看出它的物理意义吗?②注意单位换算。6求解这个物理量有哪些方法或归纳总结，例题讲解7如何测定这个物理量?是直接测量还是间接测量?有几种测8关系?它们将反映出什么样的《加速度》教学设计说明教学策略提问：哪个速度增加得快?它是怎样表述的?有定义式吗?度看看它是那种类型的①导出物理量；②矢量(重点讨论);设问：加速度的方向如何确定?加速度的①是基本量还是导出③状态量；方向就是速度的方向吗?结论：在直线运动中，如果速度增如果速度减小，加速度的方向与速这个物理量的单位是强调规范的读写方法这个概念和学过的哪些概念容易混淆?比较速度、速度的变化量、加速度。设问：吗?举例说明。求解这个物理量有哪些方法或途径?方法总结：各举一例说明。量?直接测量还是间(1)利用打点计时器(2)利用两个光电门、毫秒计时器(3)利用闪光照相实验研究(分小组实验):律，测定其加速度。这个物理量和别的物理量有何关系?它们形成什么样的物理规对于s、Vo、v、a、t五个量“知三求二”。2.它是联系力和运动的1.匀变速直线运动的规律《电动势》教学设计说明教学策略为什么要引入这个物理量?如何引入这个物理量?为了描述电源中非静电力做功的本领而引入挂图展示(看图比较水泵、电容器、电池):①水泵抽水示意图；它是怎样表述的?有定义式吗?(W为非静电力的功)(W为非静电力的功)(W非静电力的功)这个物理量的单位是什么?这个单位反映出什么样的物理意义?相同容易混淆?电压、电势这个物理量和别的物理量有何关系?它们形成什么样的闭合电路欧姆定律课后思考与预习1:有了电动势欧姆定律?如何测定这个物理量?直接测量还是间接测量?①用电压表粗测；②间接测量(多种方法)池(水果电池与干电池)的电动势与内电阻。或途径?②根据闭