中學物理力學實用教學內容研究

中學物理力學實用教學內容研究

楊 澤 民1，楊 文 婷2

(1.阿拉善職業技術學院，內蒙古 阿拉善盟750300；2.包頭師范學院，內蒙古 包頭014030)

摘要：長久以來，各種版本的中學物理教科書中，都沒有將力的起源產生、力和運動的關系、表示計算、相互作用的特點給學生寫清楚，講明白。以下教學內容，以人教版八年級(高一)物理教科中的具體問題為選擇對象；重新編寫了以上提出的每一個問題。使學生自己在日常生活中的實踐、實驗、觀察、感受、體會，在最短的時間內，高效理解掌握物理力學入門部分的教學內容。

關鍵詞：力的起源產生；力和運動的關系；表示計算；相互作用的特點

收稿日期：*2015-02-07

作者簡介：楊澤民(1955-)，內蒙古阿拉善盟人，物理學教師副高級，研究方向：物理教學教育。

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A

1力的起源

力這個字，仔細觀察，就可以發現，事實就是，一把刀上頂出了頭。為什么？五千年以前，中國的造字大師們，用刀頂出頭來表示力呢？這說明人類的祖先不知道，力到底是什么？什么是力？所以，就用當時人類最厲害的武器，“刀”頂出頭來表示力。

力到底是什么？什么是力？力是怎樣產生的，來源于什么？我們的祖先說不清楚。這個問題直到今天，我們的教課書上，也沒有給我們后人徹底寫清楚，講明白。因為，力是在不斷的探討和研究之中。力是由物體能量釋放傳遞獲得時產生。就是物體之間的相互作用矢量。

你最多能拿起和舉高多少千克的杠鈴呢？

你最快的百米速度能達到多少？

汽車、火車、飛機、電動車等等，等等的物體，能拉多少東西，能跑多快。都需要你、我或物體能量的釋放傳遞獲得時產生力。在力作用才能改變物體的運動狀態、方向、形狀和位置。達到人類需要的目的。

2能的初探

物理學中的能，只指物體能量釋放傳遞獲得時產生力，對物體施力做功傳遞能量的能[1]。能夠產生力，對物體做功傳遞能量的物體就有能。沒有能量的釋放傳遞獲得，就沒有力產生。能來源于自然界中各種形式的物質能和各種形式的能量之間的相互轉換。功指力的作用下移動距離的乘積。能指施力物體向受力物體釋放傳遞的能量。

我們每一個人，就是一個能量獲取釋放傳遞源。我們獲得的能量來源于利用食物等生命物質中存儲的化學能。也稱為生物質能。有生物質能轉換成我們能夠產生力，釋放傳遞的能量，對物體施力傳遞能量做功。如日常生活中，我們的跑、跳、走和背、提、抱、扛、推、拉、打、踢物體的活動，就是由我們能量的釋放傳遞產生力，對物體傳遞能量做功的事實。改變自己和物體的運動狀態、方向、形狀和位置。如果人五天不吃食物和水。我們就沒有能量的釋放傳遞，就不能產生力做功和傳遞能量。

各種車輛和機器也是一樣，如果不加油和通電，它們就會變成一堆廢物。只有加油和通電后，有了能量的釋放傳遞產生力，才能為人類做功工作。

同時，運動的物體遇到障礙物時，也會對障礙物釋放能量產生力的作用。對物體傳遞能量做功。由此，這將充分證明運動的物體也有能量。是障礙物獲得能量做功，改變運動狀態、方向、形狀和位置。如打擊和碰撞，交通事故，等等，等等的事實，都將充分證明：力就是由物體能量釋放獲取傳遞獲得時產生。能夠產生力的物體就有能。力就是物體之間的相互作用矢量。

3力的實驗測量

力和能的大小，人類直接用眼睛是不能測出其大小的。只能通過試驗和測量力的工具，測量和計算出力和能的大小。人類最原始的測量力的工具，就是我們現在，在商店和各種市場上應用的秤。用秤和天平稱得物體的質量是多少千克，你提或托、抱、扛著物體不動時，你就對該物體施加了多少千克的作用力?，F在人類有發明和廣泛應用了電子稱和彈簧稱。如果，將電子稱或彈簧稱，固定在被推拉的物體上，通過稱來推拉物體，我們就可以測出你推拉力的大小是多少千克力。在前面的想想做做中，你能拿起和舉高的杠鈴和能夠達到的速度，都是由你對杠鈴自己能量釋放時產生力作用的結果。

你用彈簧稱或電子稱，將稱得質量為1kg的物體。如果在垂直方向上提或托著該物體不動時，你對該物體的作用力就是1kg作用力。如果，你猛提(加速提升)物體，你將會看到稱上的度數將大于1kg力。這時你對物體所施的力就是大于1kg力。如果你從高處急速放下物體。稱的度數將小于1kg力。你施加的力就小于1kg力。只有均勻的(勻速)提升或放下物體時，稱上的度數將不發生變化。和你提著物體不動時的力是相等的。這個試驗證明了一個新的問題，物體的質量是1kg ，你提或托著物體不動或勻速運動時，你對物體的施力就是1kg力。物體的重力就是1kg力。

相同的原理，如果你通過彈簧稱或電子稱，沿水平或不同方向去拉推物體時，稱上的拉推力的度數。一定就是你拉推力的大小。如果你拉推物體勻速運動，拉推力就是阻礙物體運動的阻力(摩擦力)的大小。這將充分證明勻速直線運動和靜止時，物體上的作用力和摩擦阻力是相等的特性。如果用大于摩擦力的力拉推物體時，物體將會加速運動。小于或不施力時，物體將會在摩擦力的作用下減速運動而靜止，這就是力的大小和存在與運動的關系。是有施力物體能量釋放傳遞時，施加在受力物體上的作用力。是有施力物體調節大小變化的作用力。重力和摩擦力的大小，在地球表面和同一物面上，物體的運動中一般是大小不變的力。

同時，這也充分證明了力和運動、功與能、都是人類抽象思維研究的對象。所以，物理學就是人類專門研究抽象思維的學科。力、熱、電、(光)原，都不能是我們直接用眼睛看見，瞎猜和胡想，就能知道和確定各種物理量的大小和之間的關系。由此，物理學被發展成為四大力學，即理論力學、熱力學、電動力學、和量子力學，它們涵蓋了自然科學，從基礎到尖端的理論指導和能與力，功等關系的轉換。

4什么是力

你敢用你最大的力去打墻壁和踢石頭嗎？

力的測量中，你通過自己的提、拉、推、打、踢的作用，你體會到了什么呢？

力就是物體之間的相互作用矢量。是由施力物體能量釋放傳遞獲得時產生作用力，對受力物體施加力的作用。是受力物體獲得能量，對施力物體施加方向相反的作用力。這就是力。是物體相互作用時，同時存在，同時消失的兩個力。只是物體之間能量釋放傳遞獲得時，相互之間的作用矢量。它不是功，也不是能。只是傳遞能量的中介和做功的一個要素。

通過以上的提、放、推、拉、打、踢的活動，我們可以發現力就是矢量。是人類有目的的施力。這個施力首先要選定被施力的物體，對該物體施加多大的力，在什么方向和什么位置施力，才能達到你和人類需要的目的和作用效果。所以，力是矢量。力一個矢量包括大小、方向、作用點或面三個要素。因此，稱為力的三要素。力的三要素是力一個矢量整體。只要其中一個要素發生變化，力的作用效果就要發生明顯的變化。

力的試驗測量活動中，我們誰都可以看到和體驗到，力作用的三要素不同，會是效果完全不同。但是這個不同的作用效果，不能明顯的顯示在物體上，是誰也能夠一目了然。清楚的知道和看到，力的真實作用和效果的存在。所以，在物理學中，就用力的矢量示意圖，來明顯的表示力的真實作用效果的存在。

由于力一個矢量有三個要素組成的特殊性問題。物理學中，就用一根有向線段來形象的表示力的三要素，力一個矢量整體。稱為力的矢量示意圖。

大小:是將相互作用面或體上的力，集合在具有代表性的一點上。用有向線段按比例尺長短表示。單位為牛頓(Newton)，簡稱為牛。符號為N。托或提著質量1千克的物體，約為9.8牛頓的力。

力的單位，實際上就是兩個名字。和我們每一個人的名字是一樣的，一個乳名。一個官名。但表示的含義就是一個人。力就是物體之間的相互作用矢量的大小，它的乳名就是千克力kg，多應用在我們的日常生活和有時應用在工程力學中。官名是牛頓N。應用在一切有力的計算和表示中。是為了紀念對全人類，在力學方面做出卓越貢獻的英國物理學家牛頓的名字命名的。它們都表示物體之間相互作用矢量的大小。換算關系為；1kg力等于9.8N，在近似計算時取10N。換算關系用一個專用字母g=9.8m/s2表示。在高一物理中我們將會徹底探討清楚。1kg=9.8N=10N

方向:用有向線段的箭頭表示物體受力的方向。即在這個力的作用下，物體的運動或運動趨勢，以及形變或形變趨勢的方向，就是物體的受力方向。

作用點:指力作用的集合點。用線段的起點表示。

由此我們就可以畫出任意物體相互作用力的矢量示意圖。如圖1所示。

圖1

如推木箱的力F=15kg=150N.木箱受到的阻力f=15kg=150 N。用1厘米來表示，1毫米表示15N。汽車的總重力G=50000kg=500000N。用2厘米來表示，1毫米表示25000N。同學的重力G=30kg=300N。用3厘米表示，1厘米表示100N。支撐同學的力FN=30kg=300 N。等等。由此，我們可以畫出任意一個我們選定物體之間的受力矢量示意圖。

由上面力的矢量示意圖，我們就可以發現：力的矢量示意圖，將抽象的力的感性認識。力是一個矢量整體的三要素量化值矢量，用一個簡單的有向線段，以不同的比例線段關系，形象的量化值表示在物體上。是我們誰都能夠清楚的看到物體的受力情況。為計算物體所受合力的大小和作用效果，提供了清楚明確的計算矢量示意圖。

5牛頓第三定律

在前面的試驗觀察體會中，你用彈簧測力計，對物體的提、拉、推、打、踢物體時，所施的作用力，是不是，就是物體對你所施的作用力呢？

用兩個彈簧測力計對拉，你會看到什么結果？

力就是物體之間的相互作用矢量。相互作用的特點；總是大小相等，方向相反，作用在同一直線的兩個物體上。這就是著名的牛頓第三定律(Newton third law of motion )。

數學表示：F= - F0

牛頓第三定律，是通過無數次實驗事實驗證得出的。而且，也經受了無數次實踐檢驗證明。它是自然界中一切物體之間相互作用的真理。

由牛頓第三定律和力的矢量示意圖，我們就可以準確無誤的，用比例尺長短，在一個物體上一樣的矢量示意圖。畫出任意一個物體所受力的矢量示意圖。

同學作用在木箱上的力F,方向向右。和木箱作用在同學上的力F0，方向向左。木箱所受的摩擦力f，方向向左。和地面所受的摩擦力f0，方向向右。地面支撐木箱的力N,方向向上。和木箱壓地面的力N0。方向向下。等等。

這些力就是牛頓第三定律中所表示的力。由此，我們也可以發現；牛頓第三定律的實質，就是用來確定物體之間，有沒有相互作用力和畫物體矢量示意圖的判定定理。

但是木箱確受到了4個力的作用，分別為F、f、N、G。這4個力是作用在木箱一個物體上。要看作用效果，就必須計算出合力的大小。

6合力的矢量計算

通過對牛頓第三定律和物體受力矢量示意圖的學習，我們基本上可以準確無誤的畫出物體的受力矢量示意圖。由物體受力的矢量示意圖，我們就可以用矢量作圖測量法和計算法，作圖測量或計算出任意一個物體所受合力的大小。計算合力時，首先要選定物體，應用牛頓第三定律仔細查找選定物體和什么物體之間有相互作用，有相互作用處就有力存在。物體自己對自己是否在施力。畫出矢量示意圖。將一個物體上所受的所有力，平移到其中一個力的作用點上。

用同方向的二力相加。反方向的二力相減?；コ山嵌鹊亩ψ髌叫兴倪呅?，測量或計算對角線的長度，按比例關系求出合力的大小。這就是物理學中，最常用的矢量計算的平行四邊形法則。

參考文獻〔〕

[1]彭前程.物理(八年級上冊)[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]楊澤民.中學物理教材中“功”的錯誤解讀與分析[J].陰山學刊(自然科學版)，2015,29(2)：109-112.

The Study of Practical Teaching of Force in Middle School

YANG Ze-min1，YANG Wen-ting2

(1.A Lashan Vocational College，ALashan 750300；2.Baotou Teachers College,Baotou 014030)

Abstract:The different Physics textbook versions of Middle Schools do not fully and accurately clarify and explain the origin of force, vector diagram, interaction characteristics, force measurement, calculation of force, force and motion relation issues, thus brings the difficulties to students’ understanding and further study. This thesis aims to reintroduce the teaching content, valid experiment content and accurate calculation practice for students’ study and understanding. It will also promote the teaching efficiency and academic scores for the related part.

Key words:Origin of force, Relationship between force and motion, Calculation, Features of force interraction