高中“二、二、三”力學體系結構的建立

郭義超

摘 要：本文提出高中物理中以牛頓三大定律為核心的“二、二、三”力學體系結構，進一步理解牛頓運動定律在高中物理教學中的思想脈絡，建立了高中物理牛頓運動定律的力學體系結構。

關健詞：物理圖景；基本定律；基本定理；守恒定律

中學物理教學，特別是高中物理教學，注重于培養學生的科學思維能力，而這一科學思維能力的培養則貫穿在解決物理問題的思路與方法之中。在完成高中物理力學部分教學后，就可以站在一個較高的層面上，將教材由厚到薄，給學生一個系統化的力學體系結構，向學生展現一幅十分完美的物理圖景，并應用其清晰的物理圖景，解決力學及其綜合問題。這對于提高分析與解決物理問題的能力將是非常必要的。

綜觀高中力學教學，我們可以建立這樣一個力學體系結構，那就是——兩大基本定律、兩個基本定理、三個守恒定律，可簡稱為“二、二、三”力學體系。體系內定理與定律之間既相互獨立，又相互聯系，自成一體。

一、兩大基本定律：即牛頓三大定律和萬有引力定律

如圖1，牛頓三大定律揭示了力與運動的關系，涵蓋了靜力學、動力學和運動學三大部分，解決了物體的平衡、變速直線運動和變速曲線運動問題。

如圖2，萬有引力定律F萬=G■揭示了任何物體間的相互吸引力，是一種場力。由于引力常量G極小，僅在質量m1或m2很大時才考慮，常用于解決天體運動問題。一般情況下，對于有關天體的勻速圓周運動：F萬=F向，mg=F向，F萬=mg。

物體在星體表面上，受到星體對它的萬有引力一部分提供給物體隨星體自轉的向心力，剩余部分就是星體對物體的重力：F萬=F向+mg。在地球的兩極，自轉加速度最小，重力加速度最大；在赤道，自轉加速度最大，重力加速度最小。一般情況下，由于物體隨星體自轉的向心力很小， F萬≈mg。

二、兩個基本定理：即動量定理和動能定理

如圖3，動量定理∑I=P2-P1，揭示了物體所受合外力對時間的積累效應；動能定理∑W=EK2-EK1或∑W′=E2-E1，揭示了物體所受合外力對空間的積累效應。所以，兩個基本定理揭示了力與時空的關系。我們可以對一個研究對象，從狀態1至狀態2的變化過程，由動量定理或動能定理列方程求解問題。

三、三個守恒定律：即動量守恒定律、機械能守恒定律和能量轉化與守恒定律

如圖4，動量守恒定律P1=P2，適用于系統合外力為零的情況下，即：F合=0，常用于解決碰撞、相互作用等多體問題； 機械能守恒定律E1=E2（EK1+EP1=EK2+EP2）（ΔEK=-ΔEP）適用于系統除重力和彈簧彈力以外的其他力不做功或這些力做功的代數和為零的情況下，即：∑W′=0，常用于解決單體或多體運動問題；能量轉化與守恒定律ΔE1=-ΔE2，是宇宙間普遍存在的定律，當能量從一個物體轉移到另一個物體或從一種形式轉化為另一種形式時，能的總量保持不變。

如圖5，綜上所述的力學體系，體系的三部分不是絕對孤立的，而是相互聯系、相輔相成的對立統一體：萬有引力定律揭示的是一種場力，它仍遵循牛頓三大定律；動量定理和動能定理都是從牛頓運動定律中推出的，但有其更廣泛的適用范圍；動量守恒定律由動量定理推出，機械能守恒定律由動能定理推出，能的轉化與守恒定律則是機械能守恒定律的進一步推廣。

所以，從狹義上講，牛頓三大定律和萬有引力定律是牛頓運動定律，但從廣義上講，二、二、三力學體系就是牛頓運動定律體系。展現這一完美的清晰的物理圖景，猶如一幅美麗的畫卷不但給人以美的熏陶，也將使高中牛頓運動定律體系的力學系統化知識得以進一步升華，從而站在一個更高的層面上去理解牛頓運動定律。

參考文獻：

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