揭開高中物理的神秘面紗

劉昱池 劉楊 惠德峰 盧華燕

摘 要 通過高中物理的學習，提高學生的思維能力，環環相扣，層層遞進，養成獨立思考、善于思考的習慣，讓學生對事物的認識更加清晰。

關鍵詞 高中物理 運動情景 受力情景 能力 程度 定義式 決定式

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A

高中物理教學的目的是教會學習和研究問題的方法，以及透過現象看本質的哲學思想。從古至今，比如：伽利略和亞里斯多德等科學家，他們既是哲學家，又是物理學家。學生在學習物理的過程中鍛煉能力，使其分析思考問題的能力不斷升華。

1物理的主體結構和目的

眼睛是心靈的窗戶，眼睛是觀察事物獲取信息的重要器官。從物理的角度來看，人們能看到的信息就是物體位置的變化及位置變化快慢程度。而高中物理的主線就是通過對“勻變速直線運動”“圓周運動”（勻速和非勻速）這兩種運動的研究，來讓學生掌握科學研究的方法，養成獨立思考、善于思考的習慣。

高中物理的總體思路：首先，看清楚物體的情景即運動情景；第二，解釋產生這一運動的原因；第三，把這些原理再運用到實際生活中去。

物理必修1（山東魯科版）：什么是勻變速直線運動，變速直線運動的原因是什么。運動的形式多種多樣，而高中物理給出的第一個現象是最理想的并且又是最簡單的運動——勻變速直線運動。怎樣去研究它呢？先要做一些必要的準備工作：（1）位置的變化，先要主體定位就離不了參照物；（2）物體的運動，物體的主體就要模擬成質點；（3）位置變化，突出變化就要搞清楚路程和位移；（4）運動起來就要把時間與時刻分清楚。位置變化有快有慢，速度變化也有快有慢（關于這一點在下面另單獨分析），這些工作理清以后，下一章第一節開始就給出什么是勻變速直線運動。怎么看清楚勻變速直線運動，方法是把運動過程中的某一段作為研究對象（強調一段為目的），其運動的情景，有5個物理量：初速度、末速度、加速度、經過這一段的時間和位移。而解決它們的其基本規律就是：①速度公式：vt=v0+at；②位移公式：S=v0t+at2 。而這5個物理量中任意知道3個物理量，就可求出其它2個物理量。經過必要的練習后，我們從理論上對勻變速運動有了一定的認識，接著課本的第二節就給我們一個實際的勻變速運動去探究。利用紙帶描繪出其運動的實際軌跡，用打點計時器記錄時間。這個實際的運動中只知道位移和時間兩個量，而每一個方程都有4個量，所以必須選取兩個獨立的段，列兩個以上獨立方程才能看清楚此運動的情景。有的資料書或者有的老師在此時都會加入追擊問題的研究，而追擊問題是對勻變速直線運動的再一次加深。追擊問題中兩個物體速度相等這一臨界狀態為解決復雜物理問題提供一個方案。

而最后一節自由落體運動的目的是承前啟后。其中有兩句話很是關鍵：（1）自由落體是初速度為0，只受重力作用；（2）加速度叫重力加速度，提示我們加速度的產生與力有關。下一步就圍繞力來研究問題了，至此圍繞勻變速直線運動的研究，向我們展示了首先怎么做有針對性的準備工作，再提出問題找出解決問題的方案，最后再應用此方法去解決問題。

必修一（山東魯科版）下一個目標就是用牛頓第二定律去解釋產生勻變速運動的原因。因為力與上輪的位置、位移和變化快慢相比較要抽象得多，所以在研究每一個力以后都會給一個我們能夠感受到的實際現象，或者通過實際感覺來進一步對所研究的力去理解。（1）重力，最后展示給我們重心和穩度，比如說恐高是什么情況，是人在觀察周邊時感覺自己的重心不穩，假如站在20層高的樓上向下看，如果墻體的高度讓你感覺安全你就不會恐懼，反之就會恐高，重力各部分受力的就會集中在的那一點被自己感受到了。（2）彈力，在講彈力的時候，更多的情況是微小形變。什么是彈性形變，彈力的大小和方向大部分是用假設，和初中學過的二力平衡的方法來判斷、不直觀、不形象。最后，課本就用彈簧的明顯形變來研究彈力的大小和方向。（3）摩擦力，滑動摩擦因素與最大靜摩擦因素的那兩個圖表：鋼與鋼的相同，而木材與木材的不同是什么意思，摩擦力在我們日常生活中感受還是比較深刻的，所以本節最后的汽車輪胎在什么情況下摩擦力大一點，就很容易理解了。

受力分析，是解決物體運動的原因的突破點。因為看清楚物體的受力情況才能知道如何運用牛頓定律，動能定律，功能關系去解決問題。受力分析貫穿整個物理的主線，其難點就在分析上，把受力分析作為專題應分為三個階段：第一階段，在重力、彈力、摩擦力學習之后先利用已經儲備的知識（假設、平衡），對受力分析的方法做一個初步介紹，可以用兩個連接體處于靜止狀態mA =mB，用隔離物體方法和整體法（系統法），分別分析圖1的情景得出墻對A的摩擦力f=2mg以及A與B之間的摩擦力f /=mg，再讓學生練圖2，A與B之間無摩擦力，圖2中很多學生會走錯路，然后總結圖1，先隔離法后整體法，和先整體后隔離法都可以。但圖2必須先整體后隔離法，才搞的清楚原因。強調學生要掌握受力分析的方法——整體法和隔離法。

圖1 圖2

還要鼓勵學生不要怕錯，要有敢于分析的勇氣。受力的物理情景會隨著學習的不斷深入而變得更加準確，也就離看清楚物理的運動原因越來越近。第二個專項訓練階段是在學習共點力作用下物體的平衡問題分析，此時實際上是對第一個階段的受力分析方法有一個理論上的支撐點。再運用力的合成和分解的矢量運算法則，再一次通過共點力平衡的原因——合外力為零，讓整體和隔離的方法變得更加清晰。第三個專項階段是牛頓定律之后，受合外力不為零的不平衡問題分析。此時更加上升了一個高度，物體的受力情景分析是更需要從物體的運動狀態去思考。運動與受力關系除了比較直觀的第一個階段，還有更多的情景是從物體的運動狀態進行分析，也叫動態分析。以上這三個受力分析的階段就是物理思考的完整過程，學會思考，獨立思考，敢于思考，這就是物理學習的目的之一。

通過受力分析，當物體同時受到幾個里作用將會產生什么效果？通過效果相同得到矢量的運算法則，再從共點力作用下物體的平衡過渡到牛頓定律——物體的不平衡，解釋了物體做勻變速直線運動的原因是恒定合外力產生恒定的加速度。本來這一課題的研究可以結題了，但為使其更加完美。接著用牛頓運動定律解決問題，其運用有三點：也就是由：（1）物體的運動分析物體的受力；（2）由物體的受力分析物體的運動情況；（3）具體實例展示超重與失重。

但牛頓定律有其局限性。牛頓定律的局限之一：力是產生加速度的原因，而如前面分析的在地球上的三種力以外，另外由其它的機械能產生的力或者表現出的力的現象的那些，我們平常所講的施加的力，那是不可控的，而不可控也就是從力的角度分析，如果物體的受力在真實的情況下是個變力，其受力的情況就變得不確定起來，那么其運動情況也變得不受控制，牛頓運動定律就是像有些書中說的“蘋果掉到了頭上”，那般純粹理想化的想象出來（為他的思維點贊）。而真實的情況應該是力必定是某一種能做功的機械所給予的，包括人施加了一個力，而人這個機械給予的這個力所反映出來的是形變和運動狀態的效果的話，從結果上看人做功的能力（關于能力看第二部分）不同的人所表現出的效果是不一樣的。P=FV和F-f=ma可以知道從理論上講人的奔跑速度是有一個極限的，現在的100米競賽的計時在正規的此賽中已精確到小數點的第二位，就說明這個速度已經接近人類在特有環境和身體情況下的極限值了。

因此如何更能真實的反映物體的運動情況。能更加準確的分析物體運動情景的原因，物理就安排了用能的觀點去分析問題。

能量對于廣大的高中學生就更為抽象，而要講清能的觀點（能量守恒）其實突破口就是動能定理。其一做功是能量轉化的量度，其二，動能定理就是能量守恒定律，任何的從現象上看到的力與位置變化伴隨著相對應能量的變化。比如mgh可以理解為重力做了m gh的功，也理解為物體的重力勢能變化了mgh。同樣的，彈簧的彈力做功理解為彈性勢能的變化。而只有摩擦力做功要分清是相對地球的位移還是相對接觸物體的位移，是靜摩擦還是滑動摩擦。

動能定律在高中學習中的好處就在于：對于程度好的學生可以更好的從能量守恒的觀點上去理解和應用物理規律。而對于理解能力稍差的學生，也可以直接應用動能定律解決問題。實際效果（只是從考試分數上看）幾乎一樣。從2013-2018的高考計算題考生得分情況可以看出。

從以上的分析來看實際上已經實現了高中物理的大部分目標，從邏輯上看已達到分析解決問題的目的了，但為便其更加完美，是否可以解決更加復雜的運動呢？就讓我們一起解決一下拋物體運動吧！

運動的合成和分解，就是告訴大家解決復雜運動方案的。來應用一下，第二節，豎直上拋運動用合成的方法比較簡單，第三節，斜拋運動，用分解的方法更加合理和容易，經過練習以后，是否就讓我們能理解到解決問題的更多方法。就如科學實驗一樣，有的方法是錯誤的，它讓我們知道有多少錯誤和失敗方案，而又多少是走了彎路的方法。而又有多么簡捷的方案，這就是科學實驗給我們的珍貴財富。

圓周運動是高中階段需要獨立研究的第二種運動，其特點在于周期性、重復性。從現象上看，勻變速直線運動，其特點在于軌跡是直線，而圓周運動其軌跡是圓。勻變速直線運動主要是研究速度大小的改變，而圓周運動主要研究速度方向的改變，所以圓周運動以研究向心力和向心加速度為主，而其切向力和切向加速度只作簡單的介紹，而解決圓周運動的關鍵在其半徑r和周期T，因為根據運動的規律，其運動情景的描述：f=頻率，T= ，v=，a=r，弧長= ，周長=2 r，面積= r2，可見r和T是最基本的物理量。第四節，向心力的事例分析就是通過現實生活中的實例告訴我們這樣一個道理。做圓周運動的物體m，要以某一半徑r和某一個周期T運動就必須m這么大的向心力，當然根據條件的轉換也可能表達為m 2r，。如果此物體的實際受力情況剛好達到此要求，那么就形成了等式列成了方程F=，F=m 2r，F=m。如果實際給的力比所需要的向心力大了或小了，那么那此時物體就將該點切線的外測或內側飛出去，而做其它形式的運動（看其受力情況而言），而第四節就體現了物理這門科學是多么嚴謹，它就讓大家看到一些真實的需要向心力的實例，實際的力與所需不符合此物體時物體將離心而去不再做圓周運動。

作為更為神秘的天體運動，經過無數科學家堅持不懈地探索，以至于付出生命的代價才達成日心說的觀點，認識到太陽系，某個星體以太陽為中心圍繞太陽轉，而衛星圍繞行星轉，圓周運動的規律使我們有了探索天體運動的基本理論武器，其研究方法的主線就是：（1）用能實際測量到的環繞半徑r，和環繞周期T，去計算中心天體的質量和密度。實際上能知道天體的質量和密度，就可以通過基本的科學方法進行各種研究：組成星體的基本元素，是否有某種化學元素存在是否適合人類居住等等。（2）發射人造地球衛星。衛星定位美國的GPS，中國的北斗導航等等，給我們的生活質量比以往有極大的提升。

關于必選3—1，3—2就是電場和磁場的問題，實際上是在電磁場當中模擬出一個地球上重力場。電場中用電勢代表電場中的高度（電力勢），用電勢差代表在電場中的高度差（電力勢差），電場中電力做功用引入的電勢差表達W=qu，類似重力場做功。用一檢驗電荷q移動做功的多少與q的比值W/q定義電勢差，u=w/q。總體而言，在電場中為了研究力的大小和方向，引入了電場強度E，為了研究能的觀點而引入了電勢差u的觀點，到此就不必贅述。又是牛頓定律和動能定律在電場中的應用。

而磁場又是怎么回事呢？

經過科學家們的研究磁場和電場是可以相互產生的，其一，只是各自表現出來的效果不同，電場對所有帶電體都產生作用，而磁場只對運動的電荷產生力的作用，所以電場用電荷，比如一個q去試探力的大小 ，而磁場要用一個電流元IL去試探產生的力的大小B=F/IL。其二，在現實生活中把理論用于實踐，把科學轉化為生產力則更為實用。而電的發明更接近我們生活，而且大家最能感受到的就是電與我們的生活緊密聯系，密不可分，這就是恒定電流和交變電流在我們高中物理課本中作用和地位。

電流，從微觀到宏觀的關鍵點是I=Q/t，I=nesv，大量電荷流動的過程中其現象表現為歐姆定律I=U/R，U=IR，而其中的R就如同宏觀運動中的阻力因素，所以在生活中基本不用牛頓定律這種太理想化，而純粹理論上的規律去研究，進而用更實際化的做功和功率來研究生活中的問題，因此，在電路中的有用的和無用的功或功率，也就是其效率反而是電路中的重點和難點，包括更實用的電表原理和構造。

再來看看其它（包括3-3 3-4 3-5）。

3-3，3-4，波動理論和光學，熱力學，分子運動及氣態方程包括原子物理，只是物理學中的分支，其更加接近現實生活，而這些在大學里面會成為一代獨立學科。因此在高中其列為選修。而3-5為什么現在又變為必選內容呢？（1）為了物理學的完整性，那是因為整個高中物理的兩大守恒定律，能量守恒，動量守恒，如果3-5為非必選課程，那么對整個高中物理就存有非常大的缺陷。（2）牛頓定律實際上是講述力的瞬時性，力與加速度是瞬時對應關系，力與V或a與v沒有直接關系，而做功是力的位移積累，那么力的時間積累呢？所以動能定律和動量守恒就像觀察事物的兩個角度，缺了任何一位都是一種缺陷。

2能力、本領、以及程度，定義式和決定式

高中物理在教給學生進行科學研究的方法的同時，不斷對學生學習的能力、思維能力、解決問題的能力以及程度的不斷地提升，而要達到此目的就要首先對什么是能力、本領以及程度加以理解，在理解當中不斷地提高。

常言道沒有金剛鉆，不攬瓷器活，言外之意就是其它的鉆子雖然也能鉆孔，打磨，但硬度不夠，這個度就是程度的意思。

速度：物體位置移動，那么動起來的程度如何呢？此時所要表達就是動的快慢程度，表述其快慢程度的物理量取名為速度，意思是在相同時間內位置變化的大小，其定義式是V=S/t，而決定式就是要看機械和機械的功率及其所處外部環境。

加速度：呈上所述，就是速度改變的程度，也就是速度變化的快慢程度，為了描述速度變化快慢，從直接意義上的定義式為a== 。決定其加速度大小的是a=F/m， a=∝F，a=∝1/m。以上所述是變化的決定式表述。

重力場強度（確切地講是質量場），在地球不同緯度，不同高度的地方的地方產生力的能力不一樣，表現在產生力的大小不一樣，怎樣知道的呢？放一個試探體m，在不同的位置產生的重力不一樣就得出產生力的能力的強弱程度不同，這種方法是我們試探出來的，放入一個m，在不同地讀出不同的重力G，即是其強弱的表現g=G/m，我們把此叫為定義式，但是其能力的強弱是由地球自身因素及所處位置（也叫自身因素）， 而決定式的只是物理學中沒有辦法給出其統一的決定式，如果要給出一個比較接近實際的一個表達式就是g=G 。

電場強度，磁感應強度，與重力場強度一樣，只是放入的試探體不同了，分別一是試探電荷q和電流元IL，分別放在電場中和磁場中所產生力的能力不同程度的表述，電場強度E和磁感應強度B，其定義式E=F/q，B=F/IL。在課本也給出了一定條件下的決定式：點電荷在真空中的電場強度E=kQ/r2，請注意是理想化的，一是點電荷，一是真空中。磁感應強度B這也是把假設想的磁感線條數，磁通量模擬為真實存在而得出的，B的決定式可以理解為由磁通密度B=來決定，讓我們對定義式能更好的理解。其中的決定式還有E=n。注意其中只是一種程度的描述，加上一個n（匝數）以后就把其量化，研究對象轉化為通電線圈。量化到實際電器當中，前者的單位為韋伯每秒，而后者n是匝數，但其單位是伏特，但是不能把韋伯每秒就叫伏特。前者的研究對象是磁場，后者的研究對象是處于磁場中的線圈。

其中決定式的還有電容器的電容C= ，但其定義式C=，也就是說C=可獲取容納電荷本領的直觀結果。因為不管其材料正對面積，兩板之間的距離如何。其容納電荷的能力的強弱程度可以簡單地對其加壓就可試探得出。而如果知道其決定式，就可以對其容納電荷的能力進行調整，做出改變。其實決定式和定義式，它們分別起到的作用不同，定義式更注重解決問題的實際效果。而決定式可以分析產生此效果的原因，從而可以設計并制造符合一定要求的產品（器件）來，就像碩士研究生分為學碩和專碩一樣。

關于勁度，彈簧的軟硬程度其表述為△x∝F，所以說其定義式為k=F/△x而勁度以前教材上叫作倔強，就有一點帶有感情色彩，而勁度更顯得中性一點。其本質是由自身的材料和結構決定的。

摩擦因數，如果我們把它理解為摩擦程度，也就是產生摩擦力能力的強弱程度就好理解得多。在相同壓力（支持力）條件下產生摩擦力越大，能力越強，表現出的摩擦因數就越大。所以在材料不發生變化的情況下 =，但此為定義式。真正的決定因素是材料和接觸面的粗糙程度。

同樣的定義方法還有功和功率。做功是目的，功率是做功的快慢程度，定義式為P=但是其決定因素是由機械本身的構造決定。

分析到此處，我們不難發現，高中物理對能力和產生能力的強弱程度以及對某一概念的定義和決定式的理解是鍛煉學生提升自身本領的過程。

3關于“刷題”

做題是為了什么？做題的目的是什么？做題是對必要的練習達到對每個知識點熟練的掌握，更是要學生學會獨立思考、善于思考、敢于思考的精神。因此，老師應該是推著學生走，而不是拉著學生走，因為你拉他的時候不一定看得到他，而推他的時候是對學生全程關注的，他不一定看到老師。從刷題的角度去分析，就是名師精講精練，盡可能多的時間和題讓學生獨立去完成，因為老師每多講一個題，實際上是浪費了一個題，講的越多就浪費的越多且沒有效果。對于老師來說，那些題都沒問題的，而對學生來說，每次解題就相當于“第一次吃螃蟹”的人，因為我們鍛煉的是學生。學生是人，而不是機器，所以學生的練習也必需要高效，而不是題海題山，更不是用時間去熬出來的，而是學生自己學出來的。

如果說學生在初中的學習是感性認知，那么進入高中就要過度到理性認知。怎樣讓學生更快的適應到高中階段的學習是高中一年級教學的目標，學生就要通過知識的學習和老師科學的引導方法來鍛煉學生思考問題的能力。老師的作用是在前面引導（我把此比喻成拉著學生走），同時在后面督促學生做、練、想（我把此比喻為推著學生走）。拉有時看不見學生，這時教師是學習的主體，而推著學生走時學生是學習的主體，這樣就可以對每個學生的學習情況全程關注。因此，高一的老師既要起到拉的作用，也要有推的效果。實際上高一的老師很累。

進入高二，通過高中一年級對學生學習的方法、能力、思考的訓練，學生的人生觀、世界觀、價值觀的初步養成，在此時的電路、電場、磁場的學習如前所訴。老師的作用是以推為主，以拉為輔，和學生一起體驗學習的樂趣，在學習中感受解決問題的方法帶來的喜悅和能力提高而帶來的成熟的氣質。

高三，老師與學生一起把整個高中的各個知識點串通一遍，練扎實。更多的時候是學生自己練，老師起到督促和監督的作用，因為高考是檢驗學生獨立思考、獨立解決問題最為標準的尺子，而從此以后 將完全的獨立學習和生活，老師就是陪了他們三年，最終將看著他們漸行漸遠。

4關于老師

本人覺得對于怎樣做一個合格的好老師，那些大的說教、大的道理我不想講。只講三點：第一，要有淵博的學識。第二，要有科學的、行之有效的方法。第三，也是最為關鍵的一點，就是要像一個非常負責任，且有愛心的父母一樣對待自己的學生。他們有缺點、有錯誤，我們老師能包容、原諒。力求用最好的、最正能量的方法幫助他們克服困難，改正錯誤。老師的一個笑容、一句鼓勵或許可以改變他的一生，或讓他終生難忘。

就如網上有一篇文章中寫到的，這么多年以來，我覺得自己教的不是書，而是在教一個個孩子。作為一名老師，我希望能夠讓他們在自己的人生中體會到一些成就感和學習的樂趣，我一直對自己說：以教書開始，到做人為止，做一個無愧于學生、無愧于自己的老師。我認為老師終身的成就是最終教會學生怎么做人。

參考文獻

[1] 楊曉瑜.新課程下高中物理教學現狀及對策[J].學園（教育科研），2013（02）.

[2] 晏良霞.高中物理教學現狀分析[J].中學時代，2012（06）.