學(xué)習(xí)高一物理動(dòng)力學(xué)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

閆學(xué)忠

【摘要】通過(guò)對(duì)學(xué)生初學(xué)高中物理遇到困難的分析入手，介紹了受力分析、矢量運(yùn)算、力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系、高中物理動(dòng)力學(xué)知識(shí)邏輯結(jié)構(gòu)等知識(shí)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)解決動(dòng)力學(xué)問(wèn)題一般方法和思路。

【關(guān)鍵詞】受力分析;運(yùn)動(dòng)分析;矢量運(yùn)算

一、準(zhǔn)確進(jìn)行受力分析是學(xué)好高中物理的關(guān)鍵

在高中力學(xué)這一章，學(xué)習(xí)各種力的三要素及產(chǎn)生條件，不能只簡(jiǎn)單記憶這些知識(shí)，這部分知識(shí)學(xué)習(xí)主要是為進(jìn)行受力分析做準(zhǔn)備的。受力分析是整個(gè)動(dòng)力學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，受力分析錯(cuò)誤了，后面進(jìn)行力的運(yùn)算會(huì)跟著錯(cuò)誤。在高一剛學(xué)習(xí)力學(xué)時(shí)，學(xué)生在分析受力時(shí)容易出錯(cuò)，常出現(xiàn)多分析或少分析力的情況。在高中物理教材中按照力的性質(zhì)分類，可分為重力、彈力、摩擦力、電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力等。如果對(duì)物體進(jìn)行受力分析時(shí)按照力的性質(zhì)分類的順序進(jìn)行受力分析，把每種性質(zhì)的力都分析了，這樣就不會(huì)出現(xiàn)多分析或少分析力的情況。因此受力分析的一般方法和思路為：先分析重力，再分析彈力、摩擦力、電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力、其他力（一般為人為的力）。在分析物體是否受到某個(gè)性質(zhì)的力時(shí)，關(guān)鍵看是否符合該性質(zhì)力的產(chǎn)生條件。比如在分析物體是否受到彈力時(shí)，根據(jù)彈力產(chǎn)生條件：接觸、擠壓且產(chǎn)生形變。首先看與被分析的受力物體接觸的物體有幾個(gè)，他們之間是否有因擠壓而產(chǎn)生形變，就可以確定物體受到幾個(gè)彈力。受力分析的方法可總結(jié)為：按照力的性質(zhì)分類順序，根據(jù)各力產(chǎn)生條件對(duì)物體進(jìn)行受力分析。一句話：一重（力），二彈（力），三摩擦（力），四電場(chǎng)（力），五磁場(chǎng)（力），六其他（人為力）。按照這個(gè)方法初學(xué)受力分析時(shí)會(huì)感到復(fù)雜，形成習(xí)慣后就會(huì)感到方便，且不容易出錯(cuò)。

例1：根據(jù)圖1情景，A、B、C三個(gè)物體上下疊放墻角處，三者都處于靜止平衡狀態(tài)，地面是水平光滑的，其他各接觸面都是粗糙的，則下列說(shuō)法正確的是（）

A.A與墻面間存在壓力

B.A與墻面間存在靜摩擦力

C.A物塊共受4個(gè)力作用

D.B物塊共受4個(gè)力作用

解析：運(yùn)用整體法和隔離法逐步進(jìn)行分析，第一步把A、B、C三個(gè)物體看作一個(gè)整體：按照力的性質(zhì)分類順序，先分析整體受到重力G總，整體與地面和墻面接觸，整體可能受到兩個(gè)彈力，即地面支持力和墻面支持力。根據(jù)彈力產(chǎn)生條件：接觸且擠壓形變，整體中C與地面之間有擠壓形變，所以地面對(duì)C有向上的支持力。水平方向上：整體處于平衡狀態(tài)，地面光滑，地面對(duì)C沒(méi)有摩擦力，根據(jù)力的平衡條件得知，墻對(duì)A沒(méi)有支持力。再根據(jù)靜摩擦力產(chǎn)生條件可知：A與墻面間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，A與墻面也不存在靜摩擦力，故A、B錯(cuò)誤。第二步以單個(gè)物體A為研究對(duì)象，對(duì)A物塊進(jìn)行受力分析：先分析A受到重力，A與B接觸，根據(jù)彈力和靜摩擦力產(chǎn)生條件，B對(duì)A有支持力和B對(duì)A有摩擦力作用，故A受到三個(gè)力的作用，所以C是錯(cuò)誤的。第三步對(duì)C進(jìn)行受力分析：先分析C受到重力，C與B和地面接觸且擠壓形變，根據(jù)彈力產(chǎn)生條件，C受到B的壓力和地面支持力。由于C與地面之間無(wú)摩擦力，再根據(jù)平衡條件，所以B與C之間無(wú)摩擦力。最后對(duì)B進(jìn)行受力分析：先分析B受到重力，B與A和C接觸且擠壓形變，B受到A的壓力和C的支持力，同時(shí)B對(duì)A有摩擦力作用。故D正確。

二、學(xué)會(huì)矢量運(yùn)算，做好初高中銜接

準(zhǔn)確對(duì)物體進(jìn)行受力分析后，下一步是通過(guò)力的運(yùn)算解決動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。力的矢量運(yùn)算分為同一條直線上力的運(yùn)算和互成角度力的運(yùn)算。1.當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)力在同一條直線上進(jìn)行矢量運(yùn)算時(shí)，首先規(guī)定正方向，如果力的方向與規(guī)定正方向相同時(shí)，計(jì)算時(shí)取正值;如果力的方向與規(guī)定正方向相反時(shí)，計(jì)算時(shí)取負(fù)值。最后運(yùn)用數(shù)學(xué)代數(shù)和求出合力。當(dāng)求得合力的值為正值時(shí)，說(shuō)明合力的方向與規(guī)定的正方向相同;當(dāng)合力的值為負(fù)值時(shí)，說(shuō)明合力的方向與規(guī)定的正方向相反，合力的正負(fù)僅僅表示方向。2.對(duì)兩個(gè)或多個(gè)不在同一條直線上（即互成角度）的力進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，應(yīng)遵循平行四邊形法則、三角形法則、正交分解法等矢量運(yùn)算法則。這里只重點(diǎn)講講正交分解法的使用。正交分解法主要分為以下幾個(gè)步驟：第一步，以物體受力點(diǎn)為原點(diǎn)O畫相互垂直的x軸、y軸，建立一個(gè)直角坐標(biāo)系。建立直角坐標(biāo)系遵守原則：當(dāng)物體處于平衡狀態(tài)時(shí)，建立直角坐標(biāo)系時(shí)使盡可能多的力落在坐標(biāo)軸上;當(dāng)物體處于非平衡狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)時(shí)，建立直角坐標(biāo)系時(shí)，使x軸或y軸與物體運(yùn)動(dòng)方向或加速度方向重合。第二步，將不在坐標(biāo)軸的已知力，沿著x軸、y軸分解在坐標(biāo)軸上，計(jì)算出各個(gè)分力的大小。第三步，分別求出兩個(gè)坐標(biāo)軸（同一條直線）上的合力Fx、Fy。第四步，利用勾股定理求出物體受到的合力。

三、正確建立物理模型，方便定量計(jì)算

初中物理主要要求學(xué)生定性描述物理規(guī)律和物理現(xiàn)象，給出合理解釋。高中物理增加了從定量計(jì)算方面對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，形成結(jié)論。因此有必要對(duì)高一新生強(qiáng)化物理模型建構(gòu)意識(shí)，從而簡(jiǎn)化物理過(guò)程，便于進(jìn)行復(fù)雜的物理運(yùn)算。

從定性分析到定量計(jì)算是一步非常大的跨越，也是高中物理和初中物理的一個(gè)非常大的不同，如果不能引導(dǎo)學(xué)生處理好這個(gè)問(wèn)題，會(huì)給高一學(xué)生學(xué)習(xí)物理造成非常大的困難。在研究動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)，實(shí)際生活中物體受力和運(yùn)動(dòng)情況很復(fù)雜，在不影響分析主要問(wèn)題情況下，忽略次要因素，抓住主要矛盾，把物體理想化為一個(gè)點(diǎn)或把復(fù)雜物體運(yùn)動(dòng)理想化為一個(gè)有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，就是物理模型構(gòu)建的過(guò)程。研究物理問(wèn)題時(shí)，常常把物體運(yùn)動(dòng)理想化為勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)（類平拋運(yùn)動(dòng)）、勻速圓周運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)模型。如研究火車在平直的軌道上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，我們忽略軌道微小的彎折和火車速度的微小變化而建構(gòu)“勻速直線運(yùn)動(dòng)”的模型。在研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們不考慮物體的大小和形狀對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響同時(shí)忽略物體自身的轉(zhuǎn)動(dòng)，建構(gòu)了理想的“質(zhì)點(diǎn)”模型。在研究物體在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)忽略空氣的阻力只考慮重力作用而建立“自由落體運(yùn)動(dòng)和平拋運(yùn)動(dòng)”的模型等，這些都是理想化模型的例子。在物理模型建構(gòu)教學(xué)實(shí)踐中，主要引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建勻變速直線運(yùn)動(dòng)模型、牛頓運(yùn)動(dòng)定律模型、平拋運(yùn)動(dòng)模型以及圓周運(yùn)動(dòng)模型等高考重點(diǎn)考察的模型。在階段性復(fù)習(xí)教學(xué)時(shí)教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生嘗試總結(jié)歸納不同物理模型的主要解題架構(gòu)。例如，勻變速直線運(yùn)動(dòng)模型核心框架為知三求二，即知道Vt、V0、a、x和t任意三個(gè)物理量即可求解一段勻變速直線運(yùn)動(dòng)的其余兩個(gè)物理量。

四、準(zhǔn)確把握好高中物理動(dòng)力學(xué)知識(shí)邏輯結(jié)構(gòu)

要想學(xué)好高中物理動(dòng)力學(xué)知識(shí)，就要站在整冊(cè)書的高度，了解高中物理教材編者意圖和思路，掌握整冊(cè)書知識(shí)邏輯結(jié)構(gòu)。高一物理課本第一章內(nèi)容為運(yùn)動(dòng)的描述;第二章內(nèi)容是勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究，這兩章講的是運(yùn)動(dòng)學(xué)基本概念和基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律有關(guān)知識(shí)。在第一、第二章中對(duì)學(xué)生重點(diǎn)培養(yǎng)建立理想物理模型的能力。第三章講相互作用—力，知識(shí)包括力的概念，重力、彈力、摩擦力的大小、方向、作用點(diǎn)及各力產(chǎn)生條件。需要補(bǔ)充的知識(shí)有平行四邊形法則、三角形法則、正交分解法等力的矢量運(yùn)算法則，這章主要講解力的有關(guān)知識(shí)。在第三章中對(duì)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)補(bǔ)充和能力培養(yǎng)的重點(diǎn)是教學(xué)受力分析和力的矢量運(yùn)算法則。第四章內(nèi)容是牛頓運(yùn)動(dòng)定律（運(yùn)動(dòng)和力關(guān)系），主要講述力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系。在高一物理知識(shí)結(jié)構(gòu)中，牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律是聯(lián)系力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)的橋梁，牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律表達(dá)式：F=ma，公式左側(cè)是物體受到的合力F，聯(lián)系著力學(xué)知識(shí);公式右側(cè)含有加速度a，聯(lián)系著有關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式（即運(yùn)動(dòng)學(xué)公式中包含著加速度a）。因此牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律在動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中有著重要作用，牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律表達(dá)式幾乎是解決動(dòng)力學(xué)問(wèn)題必須使用的關(guān)系式。

由牛頓運(yùn)動(dòng)定律可知，力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系具體表現(xiàn)為：1.物體有一定初速度，不受力或受合力為零，則物體做勻速直線運(yùn)動(dòng);2.物體受恒力F且F與初速度在同一直線上，則物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng);3.物體受恒力F且F與初速度垂直，則物體做平拋運(yùn)動(dòng)或類平拋運(yùn)動(dòng);4.物體受恒力F且F與速度方向始終垂直，則物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

動(dòng)力學(xué)問(wèn)題有兩個(gè)基本題型：一是已知質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，求作用于質(zhì)點(diǎn)上的某個(gè)力;二是已知作用于質(zhì)點(diǎn)上的力，求質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。解這兩類基本問(wèn)題一般思路是：首先都要對(duì)物體進(jìn)行受力分析，分析物體受到哪些力的作用;其次，對(duì)物體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，根據(jù)物體受力和初速度關(guān)系，利用運(yùn)動(dòng)和力的具體表現(xiàn)，分析出物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律模型;最后，依次列出牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式，求解方程組得出物理結(jié)論。

（基金項(xiàng)目：本文系海南省教育科學(xué)規(guī)劃一般課題“基于高中物理教材的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題學(xué)困原因分析及對(duì)策”的研究成果，課題編號(hào)：QJY20201060）