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国际标准刊号:ISSN 1006-0049

国内统一刊号:CN 14-1003/C

期刊级别:省级刊物

语   言:中文

周   期: 半月刊

出 版 地:山西省太原市

语  种: 中文

开  本: 大16开

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揭开高中物理的神秘面纱

发布时间:2021-01-10 阅读数:19

刘昱池 刘杨 惠德峰 卢华燕

摘 要 通过高中物理的学习,提高学生的思维能力,环环相扣,层层递进,养成独立思考、善于思考的习惯,让学生对事物的认识更加清晰。

关键词 高中物理 运动情景 受力情景 能力 程度 定义式 决定式

中图分类号:G633.7 文献标识码:A

高中物理教学的目的是教会学习和研究问题的方法,以及透过现象看本质的哲学思想。从古至今,比如:伽利略和亚里斯多德等科学家,他们既是哲学家,又是物理学家。学生在学习物理的过程中锻炼能力,使其分析思考问题的能力不断升华。

1物理的主体结构和目的

眼睛是心灵的窗户,眼睛是观察事物获取信息的重要器官。从物理的角度来看,人们能看到的信息就是物体位置的变化及位置变化快慢程度。而高中物理的主线就是通过对“匀变速直线运动”“圆周运动”(匀速和非匀速)这两种运动的研究,来让学生掌握科学研究的方法,养成独立思考、善于思考的习惯。

高中物理的总体思路:首先,看清楚物体的情景即运动情景;第二,解释产生这一运动的原因;第三,把这些原理再运用到实际生活中去。

物理必修1(山东鲁科版):什么是匀变速直线运动,变速直线运动的原因是什么。运动的形式多种多样,而高中物理给出的第一个现象是最理想的并且又是最简单的运动——匀变速直线运动。怎样去研究它呢?先要做一些必要的准备工作:(1)位置的变化,先要主体定位就离不了参照物;(2)物体的运动,物体的主体就要模拟成质点;(3)位置变化,突出变化就要搞清楚路程和位移;(4)运动起来就要把时间与时刻分清楚。位置变化有快有慢,速度变化也有快有慢(关于这一点在下面另单独分析),这些工作理清以后,下一章第一节开始就给出什么是匀变速直线运动。怎么看清楚匀变速直线运动,方法是把运动过程中的某一段作为研究对象(强调一段为目的),其运动的情景,有5个物理量:初速度、末速度、加速度、经过这一段的时间和位移。而解决它们的其基本规律就是:①速度公式:vt=v0+at;②位移公式:S=v0t+at2 。而这5个物理量中任意知道3个物理量,就可求出其它2个物理量。经过必要的练习后,我们从理论上对匀变速运动有了一定的认识,接着课本的第二节就给我们一个实际的匀变速运动去探究。利用纸带描绘出其运动的实际轨迹,用打点计时器记录时间。这个实际的运动中只知道位移和时间两个量,而每一个方程都有4个量,所以必须选取两个独立的段,列两个以上独立方程才能看清楚此運动的情景。有的资料书或者有的老师在此时都会加入追击问题的研究,而追击问题是对匀变速直线运动的再一次加深。追击问题中两个物体速度相等这一临界状态为解决复杂物理问题提供一个方案。

而最后一节自由落体运动的目的是承前启后。其中有两句话很是关键:(1)自由落体是初速度为0,只受重力作用;(2)加速度叫重力加速度,提示我们加速度的产生与力有关。下一步就围绕力来研究问题了,至此围绕匀变速直线运动的研究,向我们展示了首先怎么做有针对性的准备工作,再提出问题找出解决问题的方案,最后再应用此方法去解决问题。

必修一(山东鲁科版)下一个目标就是用牛顿第二定律去解释产生匀变速运动的原因。因为力与上轮的位置、位移和变化快慢相比较要抽象得多,所以在研究每一个力以后都会给一个我们能够感受到的实际现象,或者通过实际感觉来进一步对所研究的力去理解。(1)重力,最后展示给我们重心和稳度,比如说恐高是什么情况,是人在观察周边时感觉自己的重心不稳,假如站在20层高的楼上向下看,如果墙体的高度让你感觉安全你就不会恐惧,反之就会恐高,重力各部分受力的就会集中在的那一点被自己感受到了。(2)弹力,在讲弹力的时候,更多的情况是微小形变。什么是弹性形变,弹力的大小和方向大部分是用假设,和初中学过的二力平衡的方法来判断、不直观、不形象。最后,课本就用弹簧的明显形变来研究弹力的大小和方向。(3)摩擦力,滑动摩擦因素与最大静摩擦因素的那两个图表:钢与钢的相同,而木材与木材的不同是什么意思,摩擦力在我们日常生活中感受还是比较深刻的,所以本节最后的汽车轮胎在什么情况下摩擦力大一点,就很容易理解了。

受力分析,是解决物体运动的原因的突破点。因为看清楚物体的受力情况才能知道如何运用牛顿定律,动能定律,功能关系去解决问题。受力分析贯穿整个物理的主线,其难点就在分析上,把受力分析作为专题应分为三个阶段:第一阶段,在重力、弹力、摩擦力学习之后先利用已经储备的知识(假设、平衡),对受力分析的方法做一个初步介绍,可以用两个连接体处于静止状态mA =mB,用隔离物体方法和整体法(系统法),分别分析图1的情景得出墙对A的摩擦力f=2mg以及A与B之间的摩擦力f /=mg,再让学生练图2,A与B之间无摩擦力,图2中很多学生会走错路,然后总结图1,先隔离法后整体法,和先整体后隔离法都可以。但图2必须先整体后隔离法,才搞的清楚原因。强调学生要掌握受力分析的方法——整体法和隔离法。

图1 图2

还要鼓励学生不要怕错,要有敢于分析的勇气。受力的物理情景会随着学习的不断深入而变得更加准确,也就离看清楚物理的运动原因越来越近。第二个专项训练阶段是在学习共点力作用下物体的平衡问题分析,此时实际上是对第一个阶段的受力分析方法有一个理论上的支撑点。再运用力的合成和分解的矢量运算法则,再一次通过共点力平衡的原因——合外力为零,让整体和隔离的方法变得更加清晰。第三个专项阶段是牛顿定律之后,受合外力不为零的不平衡问题分析。此时更加上升了一个高度,物体的受力情景分析是更需要从物体的运动状态去思考。运动与受力关系除了比较直观的第一个阶段,还有更多的情景是从物体的运动状态进行分析,也叫动态分析。以上这三个受力分析的阶段就是物理思考的完整过程,学会思考,独立思考,敢于思考,这就是物理学习的目的之一。

通过受力分析,当物体同时受到几个里作用将会产生什么效果?通过效果相同得到矢量的运算法则,再从共点力作用下物体的平衡过渡到牛顿定律——物体的不平衡,解释了物体做匀变速直线运动的原因是恒定合外力产生恒定的加速度。本来这一课题的研究可以结题了,但为使其更加完美。接着用牛顿运动定律解决问题,其运用有三点:也就是由:(1)物体的运动分析物体的受力;(2)由物体的受力分析物体的运动情况;(3)具体实例展示超重与失重。

但牛顿定律有其局限性。牛顿定律的局限之一:力是产生加速度的原因,而如前面分析的在地球上的三种力以外,另外由其它的机械能产生的力或者表现出的力的现象的那些,我們平常所讲的施加的力,那是不可控的,而不可控也就是从力的角度分析,如果物体的受力在真实的情况下是个变力,其受力的情况就变得不确定起来,那么其运动情况也变得不受控制,牛顿运动定律就是像有些书中说的“苹果掉到了头上”,那般纯粹理想化的想象出来(为他的思维点赞)。而真实的情况应该是力必定是某一种能做功的机械所给予的,包括人施加了一个力,而人这个机械给予的这个力所反映出来的是形变和运动状态的效果的话,从结果上看人做功的能力(关于能力看第二部分)不同的人所表现出的效果是不一样的。P=FV和F-f=ma可以知道从理论上讲人的奔跑速度是有一个极限的,现在的100米竞赛的计时在正规的此赛中已精确到小数点的第二位,就说明这个速度已经接近人类在特有环境和身体情况下的极限值了。

因此如何更能真实的反映物体的运动情况。能更加准确的分析物体运动情景的原因,物理就安排了用能的观点去分析问题。

能量对于广大的高中学生就更为抽象,而要讲清能的观点(能量守恒)其实突破口就是动能定理。其一做功是能量转化的量度,其二,动能定理就是能量守恒定律,任何的从现象上看到的力与位置变化伴随着相对应能量的变化。比如mgh可以理解为重力做了m gh的功,也理解为物体的重力势能变化了mgh。同样的,弹簧的弹力做功理解为弹性势能的变化。而只有摩擦力做功要分清是相对地球的位移还是相对接触物体的位移,是静摩擦还是滑动摩擦。

动能定律在高中学习中的好处就在于:对于程度好的学生可以更好的从能量守恒的观点上去理解和应用物理规律。而对于理解能力稍差的学生,也可以直接应用动能定律解决问题。实际效果(只是从考试分数上看)几乎一样。从2013-2018的高考计算题考生得分情况可以看出。

从以上的分析来看实际上已经实现了高中物理的大部分目标,从逻辑上看已达到分析解决问题的目的了,但为便其更加完美,是否可以解决更加复杂的运动呢?就让我们一起解决一下抛物体运动吧!

运动的合成和分解,就是告诉大家解决复杂运动方案的。来应用一下,第二节,竖直上抛运动用合成的方法比较简单,第三节,斜抛运动,用分解的方法更加合理和容易,经过练习以后,是否就让我们能理解到解决问题的更多方法。就如科学实验一样,有的方法是错误的,它让我们知道有多少错误和失败方案,而又多少是走了弯路的方法。而又有多么简捷的方案,这就是科学实验给我们的珍贵财富。

圆周运动是高中阶段需要独立研究的第二种运动,其特点在于周期性、重复性。从现象上看,匀变速直线运动,其特点在于轨迹是直线,而圆周运动其轨迹是圆。匀变速直线运动主要是研究速度大小的改变,而圆周运动主要研究速度方向的改变,所以圆周运动以研究向心力和向心加速度为主,而其切向力和切向加速度只作简单的介绍,而解决圆周运动的关键在其半径r和周期T,因为根据运动的规律,其运动情景的描述:f=频率,T= ,v=,a=r,弧长= ,周长=2 r,面积= r2,可见r和T是最基本的物理量。第四节,向心力的事例分析就是通过现实生活中的实例告诉我们这样一个道理。做圆周运动的物体m,要以某一半径r和某一个周期T运动就必须m这么大的向心力,当然根据条件的转换也可能表达为m 2r,。如果此物体的实际受力情况刚好达到此要求,那么就形成了等式列成了方程F=,F=m 2r,F=m。如果实际给的力比所需要的向心力大了或小了,那么那此时物体就将该点切线的外测或内侧飞出去,而做其它形式的运动(看其受力情况而言),而第四节就体现了物理这门科学是多么严谨,它就让大家看到一些真实的需要向心力的实例,实际的力与所需不符合此物体时物体将离心而去不再做圆周运动。

作为更为神秘的天体运动,经过无数科学家坚持不懈地探索,以至于付出生命的代价才达成日心说的观点,认识到太阳系,某个星体以太阳为中心围绕太阳转,而卫星围绕行星转,圆周运动的规律使我们有了探索天体运动的基本理论武器,其研究方法的主线就是:(1)用能实际测量到的环绕半径r,和环绕周期T,去计算中心天体的质量和密度。实际上能知道天体的质量和密度,就可以通过基本的科学方法进行各种研究:组成星体的基本元素,是否有某种化学元素存在是否适合人类居住等等。(2)发射人造地球卫星。卫星定位美国的GPS,中国的北斗导航等等,给我们的生活质量比以往有极大的提升。

关于必选3—1,3—2就是电场和磁场的问题,实际上是在电磁场当中模拟出一个地球上重力场。电场中用电势代表电场中的高度(电力势),用电势差代表在电场中的高度差(电力势差),电场中电力做功用引入的电势差表达W=qu,类似重力场做功。用一检验电荷q移动做功的多少与q的比值W/q定义电势差,u=w/q。总体而言,在电场中为了研究力的大小和方向,引入了电场强度E,为了研究能的观点而引入了电势差u的观点,到此就不必赘述。又是牛顿定律和动能定律在电场中的应用。

而磁场又是怎么回事呢?

经过科学家们的研究磁场和电场是可以相互产生的,其一,只是各自表现出来的效果不同,电场对所有带电体都产生作用,而磁场只对运动的电荷产生力的作用,所以电场用电荷,比如一个q去试探力的大小 ,而磁场要用一个电流元IL去试探产生的力的大小B=F/IL。其二,在现实生活中把理论用于实践,把科学转化为生产力则更为实用。而电的发明更接近我们生活,而且大家最能感受到的就是电与我们的生活紧密联系,密不可分,这就是恒定电流和交变电流在我们高中物理课本中作用和地位。

电流,从微观到宏观的关键点是I=Q/t,I=nesv,大量电荷流动的过程中其现象表现为欧姆定律I=U/R,U=IR,而其中的R就如同宏观运动中的阻力因素,所以在生活中基本不用牛顿定律这种太理想化,而纯粹理论上的规律去研究,进而用更实际化的做功和功率来研究生活中的问题,因此,在电路中的有用的和无用的功或功率,也就是其效率反而是电路中的重点和难点,包括更实用的电表原理和构造。

再来看看其它(包括3-3 3-4 3-5)。

3-3,3-4,波动理论和光学,热力学,分子运动及气态方程包括原子物理,只是物理学中的分支,其更加接近现实生活,而这些在大学里面会成为一代独立学科。因此在高中其列为选修。而3-5为什么现在又变为必选内容呢?(1)为了物理学的完整性,那是因为整个高中物理的两大守恒定律,能量守恒,动量守恒,如果3-5为非必选课程,那么对整个高中物理就存有非常大的缺陷。(2)牛顿定律实际上是讲述力的瞬时性,力与加速度是瞬时对应关系,力与V或a与v没有直接关系,而做功是力的位移积累,那么力的时间积累呢?所以动能定律和动量守恒就像观察事物的两个角度,缺了任何一位都是一种缺陷。

2能力、本领、以及程度,定义式和决定式

高中物理在教给学生进行科学研究的方法的同时,不断对学生学习的能力、思维能力、解决问题的能力以及程度的不断地提升,而要达到此目的就要首先对什么是能力、本领以及程度加以理解,在理解当中不断地提高。

常言道没有金刚钻,不揽瓷器活,言外之意就是其它的钻子虽然也能钻孔,打磨,但硬度不够,这个度就是程度的意思。

速度:物体位置移动,那么动起来的程度如何呢?此时所要表达就是动的快慢程度,表述其快慢程度的物理量取名为速度,意思是在相同时间内位置变化的大小,其定义式是V=S/t,而决定式就是要看机械和机械的功率及其所处外部环境。

加速度:呈上所述,就是速度改變的程度,也就是速度变化的快慢程度,为了描述速度变化快慢,从直接意义上的定义式为a== 。决定其加速度大小的是a=F/m, a=∝F,a=∝1/m。以上所述是变化的决定式表述。

重力场强度(确切地讲是质量场),在地球不同纬度,不同高度的地方的地方产生力的能力不一样,表现在产生力的大小不一样,怎样知道的呢?放一个试探体m,在不同的位置产生的重力不一样就得出产生力的能力的强弱程度不同,这种方法是我们试探出来的,放入一个m,在不同地读出不同的重力G,即是其强弱的表现g=G/m,我们把此叫为定义式,但是其能力的强弱是由地球自身因素及所处位置(也叫自身因素), 而决定式的只是物理学中没有办法给出其统一的决定式,如果要给出一个比较接近实际的一个表达式就是g=G 。

电场强度,磁感应强度,与重力场强度一样,只是放入的试探体不同了,分别一是试探电荷q和电流元IL,分别放在电场中和磁场中所产生力的能力不同程度的表述,电场强度E和磁感应强度B,其定义式E=F/q,B=F/IL。在课本也给出了一定条件下的决定式:点电荷在真空中的电场强度E=kQ/r2,请注意是理想化的,一是点电荷,一是真空中。磁感应强度B这也是把假设想的磁感线条数,磁通量模拟为真实存在而得出的,B的决定式可以理解为由磁通密度B=来决定,让我们对定义式能更好的理解。其中的决定式还有E=n。注意其中只是一种程度的描述,加上一个n(匝数)以后就把其量化,研究对象转化为通电线圈。量化到实际电器当中,前者的单位为韦伯每秒,而后者n是匝数,但其单位是伏特,但是不能把韦伯每秒就叫伏特。前者的研究对象是磁场,后者的研究对象是处于磁场中的线圈。

其中决定式的还有电容器的电容C= ,但其定义式C=,也就是说C=可获取容纳电荷本领的直观结果。因为不管其材料正对面积,两板之间的距离如何。其容纳电荷的能力的强弱程度可以简单地对其加压就可试探得出。而如果知道其决定式,就可以对其容纳电荷的能力进行调整,做出改变。其实决定式和定义式,它们分别起到的作用不同,定义式更注重解决问题的实际效果。而决定式可以分析产生此效果的原因,从而可以设计并制造符合一定要求的产品(器件)来,就像硕士研究生分为学硕和专硕一样。

关于劲度,弹簧的软硬程度其表述为△x∝F,所以说其定义式为k=F/△x而劲度以前教材上叫作倔强,就有一点带有感情色彩,而劲度更显得中性一点。其本质是由自身的材料和结构决定的。

摩擦因数,如果我们把它理解为摩擦程度,也就是产生摩擦力能力的强弱程度就好理解得多。在相同压力(支持力)条件下产生摩擦力越大,能力越强,表现出的摩擦因数就越大。所以在材料不发生变化的情况下 =,但此为定义式。真正的决定因素是材料和接触面的粗糙程度。

同样的定义方法还有功和功率。做功是目的,功率是做功的快慢程度,定义式为P=但是其决定因素是由机械本身的构造决定。

分析到此处,我们不难发现,高中物理对能力和产生能力的强弱程度以及对某一概念的定义和决定式的理解是锻炼学生提升自身本领的过程。

3关于“刷题”

做题是为了什么?做题的目的是什么?做题是对必要的练习达到对每个知识点熟练的掌握,更是要学生学会独立思考、善于思考、敢于思考的精神。因此,老师应该是推着学生走,而不是拉着学生走,因为你拉他的时候不一定看得到他,而推他的时候是对学生全程关注的,他不一定看到老师。从刷题的角度去分析,就是名师精讲精练,尽可能多的时间和题让学生独立去完成,因为老师每多讲一个题,实际上是浪费了一个题,讲的越多就浪费的越多且没有效果。对于老师来说,那些题都没问题的,而对学生来说,每次解题就相当于“第一次吃螃蟹”的人,因为我们锻炼的是学生。学生是人,而不是机器,所以学生的练习也必需要高效,而不是题海题山,更不是用时间去熬出来的,而是学生自己学出来的。

如果说学生在初中的学习是感性认知,那么进入高中就要过度到理性认知。怎样让学生更快的适应到高中阶段的学习是高中一年级教学的目标,学生就要通过知识的学习和老师科学的引导方法来锻炼学生思考问题的能力。老师的作用是在前面引导(我把此比喻成拉着学生走),同时在后面督促学生做、练、想(我把此比喻为推着学生走)。拉有时看不见学生,这时教师是学习的主体,而推着学生走时学生是学习的主体,这样就可以对每个学生的学习情况全程关注。因此,高一的老师既要起到拉的作用,也要有推的效果。实际上高一的老师很累。

进入高二,通过高中一年级对学生学习的方法、能力、思考的训练,学生的人生观、世界观、价值观的初步养成,在此时的电路、电场、磁场的学习如前所诉。老师的作用是以推为主,以拉为辅,和学生一起体验学习的乐趣,在学习中感受解决问题的方法带来的喜悦和能力提高而带来的成熟的气质。

高三,老师与学生一起把整个高中的各个知识点串通一遍,练扎实。更多的时候是学生自己练,老师起到督促和监督的作用,因为高考是检验学生独立思考、独立解决问题最为标准的尺子,而从此以后 将完全的独立学习和生活,老师就是陪了他们三年,最终将看着他们渐行渐远。

4关于老师

本人觉得对于怎样做一个合格的好老师,那些大的说教、大的道理我不想讲。只讲三点:第一,要有渊博的学识。第二,要有科学的、行之有效的方法。第三,也是最为关键的一点,就是要像一个非常负责任,且有爱心的父母一样对待自己的学生。他们有缺点、有错误,我们老师能包容、原谅。力求用最好的、最正能量的方法帮助他们克服困难,改正错误。老师的一个笑容、一句鼓励或许可以改变他的一生,或让他终生难忘。

就如网上有一篇文章中写到的,这么多年以来,我觉得自己教的不是书,而是在教一个个孩子。作为一名老师,我希望能够让他们在自己的人生中体会到一些成就感和学习的乐趣,我一直对自己说:以教书开始,到做人为止,做一个无愧于学生、无愧于自己的老师。我认为老师终身的成就是最终教会学生怎么做人。

参考文献

[1] 杨晓瑜.新课程下高中物理教学现状及对策[J].学园(教育科研),2013(02).

[2] 晏良霞.高中物理教学现状分析[J].中学时代,2012(06).


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