大學(xué)物理教材力學(xué)部分創(chuàng)新實(shí)踐探究

程福平 饒瑞昌

摘要：雖然現(xiàn)在大學(xué)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(shí)鐘濤教授主編的《大學(xué)物理學(xué)（第二版）》為例，介紹了大學(xué)物理類教材力學(xué)部分的編寫思路和特色，以供各位大學(xué)物理類教材作者參考。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；教材；力學(xué)

在教學(xué)中，教材具有十分重要的作用，它是教師進(jìn)行教學(xué)的基本依據(jù)，也是學(xué)生獲取知識(shí)的主要來源。

饒瑞昌和時(shí)鐘濤主編的《大學(xué)物理學(xué)（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(jí)規(guī)劃教材。下面僅就《大學(xué)物理學(xué)（第二版）》力學(xué)部分教材的編寫談一些創(chuàng)新。

一、提高起點(diǎn) 避免重復(fù)

力學(xué)是大學(xué)物理課程首先接觸的內(nèi)容，很容易發(fā)生和中學(xué)重復(fù)的情況，往往引不起學(xué)生的重視和注意，致使影響到整個(gè)大學(xué)物理課程的教學(xué)，這是多年來許多高校共同的教訓(xùn)。因此，教材的編寫遵循“盡量避免與中學(xué)物理重復(fù)，又不跨入后續(xù)課程范圍”這一原則。如：著重討論曲線運(yùn)動(dòng)與變力情況，加強(qiáng)矢量與微積分的表述及具體應(yīng)用，讓學(xué)生自始至終使用微積分的處理方法。對(duì)于質(zhì)點(diǎn)這一中學(xué)學(xué)過的理想模型，著重指出：“這種在一定條件下把研究對(duì)象抽象化為某種理想模型的方法是一種重要的科學(xué)研究方法，不這樣做，我們甚至連最簡単的現(xiàn)象也會(huì)感到難以處理甚至朿手無策。實(shí)際上，物理學(xué)的全部原理、定律都是對(duì)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(xué)”。而對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)、牛頓運(yùn)動(dòng)三定律、恒力情況等內(nèi)容則考慮到中學(xué)已有基礎(chǔ)，采用從簡慨述或總結(jié)提高等符合教學(xué)實(shí)際方式進(jìn)行編寫。

對(duì)于涉及到后續(xù)課程的內(nèi)容則往往點(diǎn)到為止，不跨入后續(xù)課程的范圍。如：在表述完經(jīng)典力學(xué)的平動(dòng)坐標(biāo)系變換后，對(duì)涉及到理論力學(xué)中的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)則指出：“當(dāng)兩個(gè)參考系之間有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它們的位矢、速度和加逨度之間的變換關(guān)係要復(fù)雜得多，對(duì)此本課程不作討論”。

二、嚴(yán)密表述 簡明凊晰

為使學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象和規(guī)律有全面、完整、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，對(duì)教材內(nèi)容的表述必須是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。如：?duì)單個(gè)質(zhì)點(diǎn)

幾乎所有的大學(xué)物理教材將式（3-3）稱為質(zhì)點(diǎn)系的功能原理。實(shí)際上，這種叫法不夠合適。因?yàn)榘凑找话銓?duì)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(jìn)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(dǎo)出功能原理，從邏輯上是不太適合的，對(duì)比式（3-1）和式（3-2），則將式（3-3）稱為“機(jī)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(xué)教學(xué)中的一個(gè)基本概念，學(xué)生在中學(xué)物理的學(xué)習(xí)中就對(duì)功的概念有了初步的理解。在大學(xué)物理教學(xué)中，隨著對(duì)問題討論的深入和擴(kuò)大，要求學(xué)生對(duì)功的理解也要進(jìn)一步深化。因此，明確而嚴(yán)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(xué)物理教材中常常對(duì)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(diǎn)的元位移。

3.ds是力F作用的質(zhì)點(diǎn)的元位移。

各種教材對(duì)功的定義在形式上雖然有以上三種不同的說法，但本質(zhì)上對(duì)功的概念的理解是一致的，不同的說法只反映了定義的嚴(yán)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(duì)象是質(zhì)點(diǎn)，則以上三種說法是完全一致的。

其次，若受力對(duì)象為剛體時(shí)，以上三種說法才表現(xiàn)出了差異。

第一種說法只適用于討論剛體的平動(dòng)（質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)），此時(shí)物體的位移必須理解為物體質(zhì)心的位移。若剛體有轉(zhuǎn)動(dòng)存在，那么剛體各部分的位移都不一樣，籠統(tǒng)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(dòng)，又適用于物體的轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)樗鼈兯傅奈灰贫际橇λ饔玫哪莻€(gè)點(diǎn)（物質(zhì)的點(diǎn)）的位移，即使物體上各點(diǎn)位移不同也沒有關(guān)系。因?yàn)榱ψ饔迷谀膫€(gè)點(diǎn)，我們就取哪個(gè)點(diǎn)的位移來計(jì)算功。

再者，仔細(xì)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(zhì)點(diǎn)的位移是完全確定的，而第二種說法中對(duì)力的作用點(diǎn)的位移則可能產(chǎn)生兩種不同的理解。因?yàn)閱尉汀傲Φ淖饔命c(diǎn)”這個(gè)詞而言，既可以理解為力所作用的那個(gè)質(zhì)點(diǎn)，也可以理解為力所作用處的“空間點(diǎn)”（幾何上的點(diǎn)而不是物質(zhì)點(diǎn)），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(xiàn)力的作用對(duì)象不動(dòng)，而力所作用處的空間點(diǎn)的位置不斷改變，因而力要作功的情況。

這樣，同一個(gè)力的作用在兩種不同的理解下就會(huì)給出功的計(jì)算的兩種不同的結(jié)果，從而出現(xiàn)矛盾。這后一種理解雖然是對(duì)力的作用點(diǎn)的一種誤解，但是從字面上看卻是可能出現(xiàn)的一種誤解。因此，從這個(gè)意義上說，功的定義的第三種說法是最準(zhǔn)確最嚴(yán)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(yǎng)能力

為觧決學(xué)生普遍感到觧答力學(xué)習(xí)題困難的問題，在教材編寫中對(duì)例題、習(xí)題進(jìn)行了精選，盡量選編有代表性、應(yīng)用性的、難度適中的例題和習(xí)題。所用例題均是在進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行求觧，部分例題采用多種觧法（第3章 剛體的定伷轉(zhuǎn)動(dòng)8個(gè)例題有3個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)定律和剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能定理2種解法求解，以培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用知識(shí)和解決問題的能力。

四、聯(lián)系實(shí)際 激發(fā)興趣

理論聯(lián)系實(shí)際有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)分析、觧決問題的能力。編寫的教材各部分有不少經(jīng)過精選的例子，這些例子指出理論的實(shí)際意義，概述原理的各種應(yīng)用而又不涉及過多的技術(shù)細(xì)節(jié)。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(shù)以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測定……

五、參考文獻(xiàn)

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