大學物理教材力學部分創新實踐探究

程福平 饒瑞昌

摘要：雖然現在大學物理類教材有上百種之多，但是大部分教材都大同小異，沒有太多特色。本論文以饒瑞昌、時鐘濤教授主編的《大學物理學（第二版）》為例，介紹了大學物理類教材力學部分的編寫思路和特色，以供各位大學物理類教材作者參考。

關鍵詞：大學物理；教材；力學

在教學中，教材具有十分重要的作用，它是教師進行教學的基本依據，也是學生獲取知識的主要來源。

饒瑞昌和時鐘濤主編的《大學物理學（第二版）》（上、下冊）（高等教育出版社出版）在2014年被教育部確定為“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材。下面僅就《大學物理學（第二版）》力學部分教材的編寫談一些創新。

一、提高起點 避免重復

力學是大學物理課程首先接觸的內容，很容易發生和中學重復的情況，往往引不起學生的重視和注意，致使影響到整個大學物理課程的教學，這是多年來許多高校共同的教訓。因此，教材的編寫遵循“盡量避免與中學物理重復，又不跨入后續課程范圍”這一原則。如：著重討論曲線運動與變力情況，加強矢量與微積分的表述及具體應用，讓學生自始至終使用微積分的處理方法。對于質點這一中學學過的理想模型，著重指出：“這種在一定條件下把研究對象抽象化為某種理想模型的方法是一種重要的科學研究方法，不這樣做，我們甚至連最簡単的現象也會感到難以處理甚至朿手無策。實際上，物理學的全部原理、定律都是對一定的理想模型行為的刻畫，可以毫不跨張地說，沒有理想模型就沒有物理學”。而對于直線運動、牛頓運動三定律、恒力情況等內容則考慮到中學已有基礎，采用從簡慨述或總結提高等符合教學實際方式進行編寫。

對于涉及到后續課程的內容則往往點到為止，不跨入后續課程的范圍。如：在表述完經典力學的平動坐標系變換后，對涉及到理論力學中的轉動時則指出：“當兩個參考系之間有相對轉動時，它們的位矢、速度和加逨度之間的變換關係要復雜得多，對此本課程不作討論”。

二、嚴密表述 簡明凊晰

為使學生對物理現象和規律有全面、完整、準確的認識，對教材內容的表述必須是嚴謹的。如：對單個質點

幾乎所有的大學物理教材將式（3-3）稱為質點系的功能原理。實際上，這種叫法不夠合適。因為按照一般對概念的理解，原理比定理更加普通和基本，而且一般地說原理如同基本定律那樣無法從理論上來進行推證，而定理則不然，它可以由基本定律或更基本的一些定理來推證的。由此可以看出，由功能定理推導出功能原理，從邏輯上是不太適合的，對比式（3-1）和式（3-2），則將式（3-3）稱為“機械能定理”更合適些，也可以考慮稱為“功能定理”。又如：功是力學教學中的一個基本概念，學生在中學物理的學習中就對功的概念有了初步的理解。在大學物理教學中，隨著對問題討論的深入和擴大，要求學生對功的理解也要進一步深化。因此，明確而嚴密的闡述功的定義無疑是十分必要的。但是，多年來在不同的大學物理教材中常常對功的定義式

采用不同的說法，歸納起來有以下三種：

1.ds是受力F作用的物體的元位移。

2.ds是力的F作用點的元位移。

3.ds是力F作用的質點的元位移。

各種教材對功的定義在形式上雖然有以上三種不同的說法，但本質上對功的概念的理解是一致的，不同的說法只反映了定義的嚴密程度和適用范圍的差異，并無相互矛盾之處。

首先，若力的作用對象是質點，則以上三種說法是完全一致的。

其次，若受力對象為剛體時，以上三種說法才表現出了差異。

第一種說法只適用于討論剛體的平動（質心的運動），此時物體的位移必須理解為物體質心的位移。若剛體有轉動存在，那么剛體各部分的位移都不一樣，籠統的說物體的位移就不確切了。而第二種說法和第三種說法既適用于物體的平動，又適用于物體的轉動，因為它們所指的位移都是力所作用的那個點（物質的點）的位移，即使物體上各點位移不同也沒有關系。因為力作用在哪個點，我們就取哪個點的位移來計算功。

再者，仔細推敲一下，第二種說法和第三種說法還是有差異的。第三種說法中被作用的質點的位移是完全確定的，而第二種說法中對力的作用點的位移則可能產生兩種不同的理解。因為單就“力的作用點”這個詞而言，既可以理解為力所作用的那個質點，也可以理解為力所作用處的“空間點”（幾何上的點而不是物質點），前一種理解與第三種說法完全一致，而后一種理解則是一種誤解，在這種誤解下完全可能出現力的作用對象不動，而力所作用處的空間點的位置不斷改變，因而力要作功的情況。

這樣，同一個力的作用在兩種不同的理解下就會給出功的計算的兩種不同的結果，從而出現矛盾。這后一種理解雖然是對力的作用點的一種誤解，但是從字面上看卻是可能出現的一種誤解。因此，從這個意義上說，功的定義的第三種說法是最準確最嚴密的一種說法，因此，在教材編寫中我們采用了第三種說法。

三、精選例題 培養能力

為觧決學生普遍感到觧答力學習題困難的問題，在教材編寫中對例題、習題進行了精選，盡量選編有代表性、應用性的、難度適中的例題和習題。所用例題均是在進行詳細分析的基礎上進行求觧，部分例題采用多種觧法（第3章 剛體的定伷轉動8個例題有3個例題是采用一題多觧）如：教材中安排如下的一道例題采用轉動定律和剛體定軸轉動的動能定理2種解法求解，以培養學生靈活應用知識和解決問題的能力。

四、聯系實際 激發興趣

理論聯系實際有利于激發學生的學習興趣，調動學生學習的積極性，培養學生應用理論知識分析、觧決問題的能力。編寫的教材各部分有不少經過精選的例子，這些例子指出理論的實際意義，概述原理的各種應用而又不涉及過多的技術細節。如：降落傘、鍛壓、繩索與圓柱間的摩擦、宇宙速度與宇宙飛船、火箭飛行、重力加速度和摩擦因數以及轉動慣量的測定……

五、參考文獻

[1] 牛頓. 自然哲學之數學原理. 王克迪 譯. 北京：北京大學出版社，2013

[2] 愛因斯坦. 愛因斯坦文集[M]. 許良英 范岱年 譯. 北京：商務印書館，1976

[3] 費曼 （R.P.Feynman）等.費曼物理學講義（第1卷）[M]. 鄭永令 等譯.上海：上海科學出版社，2005

[4] 哈依金. 力學的物理基礎 上、下冊. 應質先，張先疇 譯. 北京：高等教育出版社，1982

[5] 溫伯格. 引力論與宇宙論—廣義相對論的原理和應用 [M]. 鄒振隆， 張歷寧等 譯. 北京：科學出版社，1980