高中“二、二、三”力學(xué)體系結(jié)構(gòu)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(xué)體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律在高中物理教學(xué)中的思想脈絡(luò)，建立了高中物理牛頓運(yùn)動(dòng)定律的力學(xué)體系結(jié)構(gòu)。

關(guān)健詞：物理圖景；基本定律；基本定理；守恒定律

中學(xué)物理教學(xué)，特別是高中物理教學(xué)，注重于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，而這一科學(xué)思維能力的培養(yǎng)則貫穿在解決物理問(wèn)題的思路與方法之中。在完成高中物理力學(xué)部分教學(xué)后，就可以站在一個(gè)較高的層面上，將教材由厚到薄，給學(xué)生一個(gè)系統(tǒng)化的力學(xué)體系結(jié)構(gòu)，向?qū)W生展現(xiàn)一幅十分完美的物理圖景，并應(yīng)用其清晰的物理圖景，解決力學(xué)及其綜合問(wèn)題。這對(duì)于提高分析與解決物理問(wèn)題的能力將是非常必要的。

綜觀(guān)高中力學(xué)教學(xué)，我們可以建立這樣一個(gè)力學(xué)體系結(jié)構(gòu)，那就是——兩大基本定律、兩個(gè)基本定理、三個(gè)守恒定律，可簡(jiǎn)稱(chēng)為“二、二、三”力學(xué)體系。體系內(nèi)定理與定律之間既相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系，自成一體。

一、兩大基本定律：即牛頓三大定律和萬(wàn)有引力定律

如圖1，牛頓三大定律揭示了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，涵蓋了靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)三大部分，解決了物體的平衡、變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和變速曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。

如圖2，萬(wàn)有引力定律F萬(wàn)=G■揭示了任何物體間的相互吸引力，是一種場(chǎng)力。由于引力常量G極小，僅在質(zhì)量m1或m2很大時(shí)才考慮，常用于解決天體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。一般情況下，對(duì)于有關(guān)天體的勻速圓周運(yùn)動(dòng)：F萬(wàn)=F向，mg=F向，F(xiàn)萬(wàn)=mg。

物體在星體表面上，受到星體對(duì)它的萬(wàn)有引力一部分提供給物體隨星體自轉(zhuǎn)的向心力，剩余部分就是星體對(duì)物體的重力：F萬(wàn)=F向+mg。在地球的兩極，自轉(zhuǎn)加速度最小，重力加速度最大；在赤道，自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的向心力很小， F萬(wàn)≈mg。

二、兩個(gè)基本定理：即動(dòng)量定理和動(dòng)能定理

如圖3，動(dòng)量定理∑I=P2-P1，揭示了物體所受合外力對(duì)時(shí)間的積累效應(yīng)；動(dòng)能定理∑W=EK2-EK1或∑W′=E2-E1，揭示了物體所受合外力對(duì)空間的積累效應(yīng)。所以，兩個(gè)基本定理揭示了力與時(shí)空的關(guān)系。我們可以對(duì)一個(gè)研究對(duì)象，從狀態(tài)1至狀態(tài)2的變化過(guò)程，由動(dòng)量定理或動(dòng)能定理列方程求解問(wèn)題。

三、三個(gè)守恒定律：即動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒定律和能量轉(zhuǎn)化與守恒定律

如圖4，動(dòng)量守恒定律P1=P2，適用于系統(tǒng)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(wèn)題； 機(jī)械能守恒定律E1=E2（EK1+EP1=EK2+EP2）（ΔEK=-ΔEP）適用于系統(tǒng)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(shù)和為零的情況下，即：∑W′=0，常用于解決單體或多體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題；能量轉(zhuǎn)化與守恒定律ΔE1=-ΔE2，是宇宙間普遍存在的定律，當(dāng)能量從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體或從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式時(shí)，能的總量保持不變。

如圖5，綜上所述的力學(xué)體系，體系的三部分不是絕對(duì)孤立的，而是相互聯(lián)系、相輔相成的對(duì)立統(tǒng)一體：萬(wàn)有引力定律揭示的是一種場(chǎng)力，它仍遵循牛頓三大定律；動(dòng)量定理和動(dòng)能定理都是從牛頓運(yùn)動(dòng)定律中推出的，但有其更廣泛的適用范圍；動(dòng)量守恒定律由動(dòng)量定理推出，機(jī)械能守恒定律由動(dòng)能定理推出，能的轉(zhuǎn)化與守恒定律則是機(jī)械能守恒定律的進(jìn)一步推廣。

所以，從狹義上講，牛頓三大定律和萬(wàn)有引力定律是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，但從廣義上講，二、二、三力學(xué)體系就是牛頓運(yùn)動(dòng)定律體系。展現(xiàn)這一完美的清晰的物理圖景，猶如一幅美麗的畫(huà)卷不但給人以美的熏陶，也將使高中牛頓運(yùn)動(dòng)定律體系的力學(xué)系統(tǒng)化知識(shí)得以進(jìn)一步升華，從而站在一個(gè)更高的層面上去理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律。

參考文獻(xiàn)：

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