對物理教材中的幾個概念的理解

趙元邦

在中學力學中，有許多形似意異和形異意同的物理概念，它們對教師來說可能是“司空見慣”的，但學生對這樣的概念含義的理解時常存在困惑，物理規律是物理概念間本質聯系的反映，因此，理解物理概念的含義，特別是弄清楚與其相關概念含義的區別和聯系，是正確理解和應用物理規律分析、解決有關物理問題的基礎，動量守恒定律、機械能守恒定律、動量定理和動能定理是重要的力學規律，本文針對與這些物理規律相關的幾個概念作一淺析。

一、“合外力”與“外力之和”

高中《物理》(修訂本)第一冊中明確指出是“系統不受外力或所受外力之和為零”，這里所說的“外力之和”是指把作用在系統上所有外力平移到某點(實質上指質點組的質心上)后計算它們的矢量和，“合外力”是指作用在某個物體(質點)上的外力矢量和，不難知道，“合外力”和“外力之和”都是用平行四邊形定則對力所作的一種運算結果，但它們各自的含義卻有差異，表現為“合外力”中的“外力”是作用在同一物體(質點)上，“外力之和”中的“外力”是作用在系統內各物體(或質點組)上的外力，它不是作用在同一個物體上，由此我們可以這樣理解：“合外力”是一個與單個物體(質點)相對應的概念，而“外力和”是一個與物體系統(質點組)相對應的概念。

二、“機械能守恒”與“機械能不變”

這兩個概念看起來似乎沒有區別，其實它們的含意是不同的，“機械能守恒”是指系統內物體僅有動能和勢能(包括重力勢能和彈性勢能)之間的相互轉化。即動能若增加(減少)，勢能就減少(增加)，其增加量和減少量相等，系統內與外界沒有機械能或其他形式能的相互轉化，而“機械能不變”可以是系統與外界有機械能或其他形式能的相互轉化，只是其他形式能轉化為系統的機械能數量與系統機械能同時又轉化為另一種或幾種其他形式能的數量相等，這種情形有時可以喻稱“收支平衡”，例如，汽車在水平路面上勻速行駛過程中，汽車的動能、重力勢能都沒有改變，從而其機械能沒有改變，這里是以消耗汽油的化學能使汽車克服阻力做功轉化為內能為代價，這不是“機械能守恒”，而是“機械能不變”，若汽車在光滑水平面上勻速滑行(此種情況實際不存在)，汽車的動能和勢能均不改變，這是“機械能守恒”，不是“機械能不變”。

三、“合外力沖量”與“外力總沖量”

中學物理教材給出的沖量概念定義是：“力和力的作用時間的乘積(Ft)叫做力的沖量”，按照此定義很容易得到“合外力沖量”概念的定義是：合外力與合外力作用時間的乘積(F_合t)叫做合外力沖量，根據力合成的平行四邊形定則不難推知，“合外力沖量”也等于各分力沖量的矢量和，“外力總沖量”是指物體所受各外力的沖量矢量和，那么，“合外力沖量”和“外力總沖量”含義是否相同?

我們知道，沖量概念的嚴密數學定義是，它是過程矢量，是力對時間的積累效果，物體所受外力沖量后動量發生改變，動量定理就是反映物體動量改變與其所受外力沖量關系的一個物理規律，在推導動量定理時是以時間￡內物體受恒定合外力為例而進行的，結論中只提到“合外力沖量”，沒有提及“外力總沖量”，其實這兩個概念的含義是相同的。

四、“合外力的功”與“外力的總功”

學生對這兩個概念含義的理解存在著對“合外力沖量”與“外力總沖量”含義理解時類似的困惑，若根據中學教材中對功概念的定義，設在時間t和t內物體的位移分別為s和s，學生能夠確定時間t和t內“合外力功”和“外力總功”，且知道時間t內“合外力功”和“外力總功”均為Fs，時間t內“合外力功”和“外力總功”均為一Fs，但對時間(t+t)內“合外力功”如何計算卻存在困難，這時只要教師告訴學生“合外力功”和“外力總功”含意相同，問題就迎刃而解了，他們就知道時間(t+t)內“合外力功”應等于時間t內“合外力功”Fs與時間t內“合外力功”－Fs的代數和，即為Fs－Fs，它也等于時間(t+t)內各外力功的代數和——“外力總功”，即為Fs－Fs。

由上述淺顯分析可以看出，學生所存在的困惑一定程度上是由于中學物理教材對有些物理概念的定義及含義的闡述不像大學物理教材那樣嚴謹、科學，但這是正常的，不可避免的現象，因為受中學生知識基礎和認知水平的限制，中學教材對有些概念不可能完全追求嚴謹、科學，此時，教師可在學生能接受的范圍內通過實例作適當地“補充說明”，以期達到使學生正確理解和應用概念的目的。

(責任編輯：黃春香)