高中階段 “重力” 知識的物理觀念內(nèi)涵分析

呂 爽，劉茂軍

（吉林師范大學 物理學院，吉林 四平 136000）

0 引言

教育部于2017年頒布的《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標），在整合與提升三維教學目標的基礎上，首次提出物理學科核心素養(yǎng)一詞，并且明確劃分為四部分內(nèi)容，分別是物理觀念、科學思維、科學探究和科學態(tài)度與責任.

本文通過對高中重力知識的物理觀念內(nèi)涵的分析，以深刻理解物理觀念的本質(zhì).初中階段，學生對重力知識已有一定的了解.人教版八年級上冊物理教材中，重力的定義為由于地球的吸引而使物體受到的力.2019 年新版高中物理教材必修第一冊中，重力的定義為由于地球的吸引而使物體受到的力［1］.初高中教材上對重力的定義相同，均指出重力是由于地球的吸引而產(chǎn)生的.從初中物理教材上第一次提到重力，到高中物理對重力的進一步學習，學生都不能透徹地理解重力的本質(zhì)，培養(yǎng)物理觀念的教學也無從入手［2］.在此，本文將深入探討重力的物理觀念內(nèi)涵，以更好地指導中學物理教學實踐.

1 物理觀念的內(nèi)涵

新課標將物理觀念劃分為物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念和能量觀念等因素，并且指出物理觀念就是在對物理概念、規(guī)律等提煉和升華的基礎上，形成的對物質(zhì)、運動與相互作用、能量的基本認識.新課標中肯定了物理觀念的重要地位，將物理觀念視為解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎［3］.

物理觀念之所以可以成為新課標物理課程的重要目標之一，是因為物理觀念一旦形成，就會根植于人們的頭腦中，即使有一天學習的物理知識被遺忘了，學生頭腦中形成的物理觀念依然存在，并對以后的物理學習起一定的作用.被保留下來的物理觀念，對學生的想法、行為和解決問題的方式方法都會產(chǎn)生影響.物理觀念是物質(zhì)世界在人頭腦中的反映，由于受到認識主體知識水平、認知發(fā)展階段和個人興趣等不同因素的影響，即使對待同一事物，每個人形成的物理觀念也是不同的，進而使得物理觀念打上認識主體的烙印.因此，物理觀念具有一定的主觀性.大量物理事實經(jīng)過長時間的積累形成物理知識，即物理知識是來自于人類研究物質(zhì)世界變化規(guī)律過程中得到的概念、規(guī)律.物理事實描述的是客觀的物質(zhì)世界，物質(zhì)世界不以人的意志為轉移.因此，作為無數(shù)物理事實集合體的物理知識，也具有一定的客觀性.

通過對物理觀念和物理知識的比較與分析，可以看出物理觀念和物理知識二者之間既有區(qū)別又有聯(lián)系［4］，應加以辯證的認識.物理觀念的形成以物理知識為依托，但物理觀念不是物理知識的簡單堆積，而是物理概念、物理規(guī)律在頭腦中提煉與升華的結果.因此，物理觀念對物理知識具有引領作用.物理觀念的層次高低，決定著學生對物理世界認識層次的高低.物理知識的積累是物理觀念形成的基礎，不同知識水平的人即使對待同一事物，形成的物理觀念的層次也是不同的.

2 高中 “重力” 知識的物理觀念內(nèi)涵分析

2.1 物質(zhì)觀內(nèi)涵分析

重力的物質(zhì)觀指的是重力的施力物體和受力物體均是物質(zhì)，并且這種物質(zhì)具有靜止質(zhì)量和一定的結構［5］.高一的學生已經(jīng)知道，物質(zhì)的組成結構是分子或原子，原子的組成結構是原子核和核外電子，對固體、液體、氣體的性質(zhì)及狀態(tài)之間的轉化有了簡單的了解.但是學生的認知還停留在 “看得見、摸得著” 的物質(zhì)，具有一定的局限性［6］.

根據(jù)重力的定義我們知道，重力是一種非接觸力.高中學生的認知已經(jīng)發(fā)展到了一定的水平，基于牛頓萬有引力的思想，也不難理解重力的發(fā)生.重力的施力物體是地球，受力物體是地球附近一切物體.無論是施力物體還是受力物體，都是客觀存在的一種物質(zhì)，這種研究對象的確定就是物質(zhì)觀的表現(xiàn).因此，高中 “重力” 知識的物質(zhì)觀表現(xiàn)在以下三個方面：（1）物質(zhì)的存在形式.科學家認為，自然界中的物質(zhì)有實物和場兩種基本存在形態(tài).施力物體和受力物體都以實物的形態(tài)存在，具有一定的靜止質(zhì)量，占有一定的空間，且存在形式是間斷的；（2）物質(zhì)的結構.各種物質(zhì)形態(tài)在自然界中都有一定的結構，施力物體和受力物體都是由具有靜止質(zhì)量的基本粒子組成的物質(zhì)，只是不同的物質(zhì)內(nèi)部結構不同；（3）物質(zhì)的屬性.物質(zhì)的屬性和功能受物質(zhì)結構的影響.受到重力的物體必然是具有質(zhì)量的某種物質(zhì)，而質(zhì)量是物質(zhì)最基本的屬性.經(jīng)過初中對重力的學習，學生能從物理學的視角觀察自然現(xiàn)象，形成將物理學與實際相聯(lián)系的認識.高中則在此基礎上，潛移默化地促進了學生物質(zhì)觀念的建構，使學生初步具有物質(zhì)觀念，為學生日后物理觀念、核心素養(yǎng)的形成奠定了基礎.

2.2 運動與相互作用觀內(nèi)涵分析

重力的運動與相互作用觀指的是重力來源于萬有引力，即來源于施力物體和受力物體之間的相互作用.在一定條件下，這種相互作用使物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變.高中 “重力” 知識的運動與相互作用觀表現(xiàn)在以下兩個方面：（1）世界上的一切物質(zhì)都處于運動之中，只有相對靜止沒有絕對靜止.由于地球自轉，地球上的一切物質(zhì)都處于運動之中.我們所研究的物體受到重力作用而做的運動，都是相對地球靜止而言的；（2）按照牛頓的思想我們知道，任何有質(zhì)量的物體之間都存在著遵循相同規(guī)律的引力，即萬有引力.從萬有引力的角度看，重力來源于地球?qū)Φ厍虮砻娓浇矬w的萬有引力，即來源于兩個物體間的相互作用［7］.所有具有質(zhì)量的物體之間都存在著相互吸引力，這種作用是超距的，不需要物與物的接觸.從 “相互接觸” 到 “超距作用” ，是人類思維上的一次重大飛躍，進一步豐富和發(fā)展了相互作用觀念.

以自由落體運動中的運動與相互作用觀的分析為例，2019 年新版高中物理教材必修第一冊中，自由落體運動的定義是物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動.雨滴從高空掉落，起初雨滴處于靜止狀態(tài)，由于地球的吸引使雨滴受到重力作用，致使雨滴運動狀態(tài)發(fā)生改變，由靜止變?yōu)閯蚣铀僦本€運動.牛頓萬有引力的發(fā)現(xiàn)源于蘋果落地的現(xiàn)象.成熟的蘋果由于地球的吸引，受到重力作用做自由落體運動，這種相互作用使蘋果由靜止運動起來.以上兩種現(xiàn)象說明重力是雨滴、蘋果運動狀態(tài)發(fā)生改變的原因.這種由于相互作用使物體運動狀態(tài)發(fā)生改變的現(xiàn)象，就是運動與相互作用觀的體現(xiàn).

不同學習階段，運動與相互作用觀念的教學要求是不同的.2019年新版高中物理教材必修第一冊教學中，主要是以勻變速直線運動為問題情境來體現(xiàn)運動與相互作用觀念的.因此，教學要結合學生認知發(fā)展規(guī)律，循序漸進，為后續(xù)進一步構建運動與相互作用觀奠定基礎［8］.

2.3 能量觀內(nèi)涵分析

重力的能量觀指的是物體由于被舉高而具有重力勢能，在一定條件下，物體的重力勢能可以轉化為其他形式的能量.高中 “重力” 知識的能量觀體現(xiàn)在以下兩個方面：（1）物體由于被舉高而具有重力勢能，被舉高的高度與勢能零點的選取有關，一般選取地球表面為重力勢能零點；（2）重力勢能可以與動能、彈性勢能等其他形式的能量之間進行轉換.禁止高空拋物、墻體脫落請勿靠近等生活中常見的警示牌，都蘊含著 “重力” 知識的能量觀.初中學生已經(jīng)掌握了重力勢能、動能以及能量轉化的相關知識，了解了各種形式的能量之間可以互相轉化.因此，不難理解其中蘊含的物理知識.選取地球表面為重力勢能零點，高空物體由于 “被舉高” 而具有一定的重力勢能.由于受到地球吸引力的作用，開始做自由落體運動.物體相對于重力勢能零點的位置越高、質(zhì)量越大，則具有的重力勢能越大.運動過程中，由于物體只受到重力的作用（空氣阻力忽略不計），物體開始做初速度為零的勻加速直線運動.速度在單位時間內(nèi)均勻遞增，高度越高，落到地面時的速度越大，物體所具有的動能就越大.在這一運動過程中，物體完成重力勢能到動能的轉化.

3 結語

充分研讀與分析物理教材，挖掘教材具體知識中隱含的物理觀念，是每位物理教師的必修課，是做好教學工作的必要前提.分析具體物理知識中隱含的物理觀念內(nèi)涵，不僅可以增強學生對抽象物理觀念的理解，還能為教師教學提供新思路.教學過程要在保證遵從學生認知規(guī)律的前提下，結合具體教學內(nèi)容顯化物理觀念，培養(yǎng)學生將物理知識與實際情景相關聯(lián)的自覺性［9］.通過不斷的探究、實踐和總結，幫助學生對物理概念、物理規(guī)律進行提煉和升華［10］，完成思維上的跨越.在理解物理觀念的基礎上，最終完成物理觀念的建構，進而真正提高物理學科核心素養(yǎng).