高中物理到大學物理的力學教學銜接探究

張蝶 郝銀萍 李紅玉 閆強 李彥榮

[摘要]目前物理學已經發展到了比較成熟的階段，在許多專業知識中都會涉及到物理知識，在社會的各個領域均取得了很大的成功。因此，理工科類大學生需要學習大學物理知識，大學物理教師需要研究如何把高中物理銜接到大學物理。我們以力學部分為例，探索了高中物理和大學物理中力學部分的不同點，并引出從高中物理銜接到大學物理的教學方法，能夠為大學物理教師提供參考。

[關鍵詞]力學；大學物理；高中物理

[中圖分類號]G641? ? [文獻標識碼]A

[DOI]：10.20122/j.cnki.2097-0536.2024.04.054

在理工科大學生的學習生涯中，大學物理占有很重要的地位，能為將來專業知識的學習打下基礎。相比高中物理，大學物理的知識更廣泛、復雜，導致大學生在學習大學物理時會比較困惑；大學生在學習大學物理時會保留高中物理的學習方法，較難學習使用新的思維方法解決物理問題。因此，大學物理教師在教學中需要采用一些有效的方法從高中物理銜接到大學物理，使大學生能夠熟練掌握大學物理知識。力學在高中物理和大學物理中均占有很重要的位置，力學也是學習其他理工科類專業課程的基礎，因此本文以力學為例來分析如何從高中物理銜接到大學物理。

一、課程介紹

大學物理是理工科學生所學課程的一門公共基礎課，大部分學校需要兩學期完成學習。大學和高中物理課程內容相似，由于教學規定，高中物理學習分為必修部分和選修部分；大學生在學習與高中必修部分有關的知識點時，更容易掌握新的知識，但是涉及到高中物理選修部分知識點時會感到困惑，并且難以用高等數學方法解決物理問題。因此，大學物理教師在教學時需要由淺入深，在高中物理基礎上有效銜接到大學物理。

二、大學物理與高中物理力學的不同點

高中物理和大學物理力學的知識范圍不同[1]。在高中物理力學中需要學習萬有引力定律，但是大學物理力學部分去掉了這一知識點；而大學物理力學部分增加了一些新的內容，如為了描述物體轉動時候的物理量引入了剛體，為了研究剛體的運動情況推導出了剛體定軸轉動時角動量守恒定律。

高中物理力學解決特殊情況下的物理問題，大學物理力學需要解決普遍情況下的物理問題。高中物理力學遇到的問題一般都是理想情況，而且規律比較簡單；而大學物理力學中遇到的問題比較普遍，沒有太多規律，需要考慮的物理條件比較繁雜。如高中力學會遇到理想情況勻速圓周運動，只需要考慮質點的向心力，可以根據公式進行求解。但是大學物理力學中的圓周運動較為復雜，需要考慮質點切向方向受到的力和法向方向受到的力，可以根據公式進行求解；當切向方向所受的力為0時，一般圓周運動可變為勻速圓周運動，所以勻速圓周運動是一種特殊物理問題。

高中物理力學中需要用到初等數學方法，大學物理力學中需要用到高等數學方法。在大學物理力學中研究的是普遍情況下的物理問題，物體的受力以及運動情況更復雜，需要應用高等數學知識來解決問題，經常會用到矢量運算和微積分方法。如在求解勻變速直線運動的位移表達式時，高中解法是作圖法：如圖1先把物體的v-t圖像畫出來，然后把物體的運動過程分成許多小的時段，每個小的時段可以看作勻速直線運動，每個小時段矩形的面積可看作這一時間段的位移，所有小時段的面積之和就代表整個過程的位移，因此梯形面積就代表當加速度為a時，從0（此時速度為V0到t這段時間間隔的位移，梯形面積可表示為：

而大學的解法應用了微積分方法，在勻變速直線運動中，當加速度為時，從0（此時位移為）到t這段時間間隔的位移可用以下方法求解：

當為0時，上式可化為高中物理力學中勻變速直線運動位移表達式，兩者推導方式不同，但是結論卻一致。

高中物理力學分析解釋物理現象，大學物理力學分析物理本質。由于高中學習的物理知識比較簡單，學生只需要了解物理現象并能夠用具體的物理公式計算物理問題；但在大學學習中，學生要對物理知識進行深入的學習，要會通過現象分析本質，并且能夠解釋物理現象以及推導相關物理知識。如狹義相對論的時間間隔相對性，高中學生只需要了解在不同的慣性參考系中測得兩件事情的時間間隔是不同的，并且會用公式簡單計算不同情況下的時間間隔；但大學生則明白為什么不同的慣性參考系中測得兩件事情的時間間隔不同，還要掌握時間膨脹公式的推導，并且能夠用時間膨脹知識解釋一些典型例子，如雙生子佯謬。

三、高中物理力學到大學物理力學的銜接方法

由于高中和大學力學的知識范圍、知識普遍度、使用數學方法的不同，導致理工科大學生在學習大學物理力學時會感到困惑、學習興趣下降，從而影響后續專業課的學習。為了解決這些問題，需要大學物理教師在教學中采用有效措施來進行銜接。

（一）由高中物理力學知識引出大學物理力學知識進行銜接

在高中和大學階段有一些共同的物理力學知識點，在高中需要掌握特殊情況下恒量之間的關系，在大學物理力學中這些知識由恒量之間的關系變為變量之間的關系。教師在講解這些共同知識點的時候，可以先回憶高中物理力學中相關知識點，然后再引出大學物理力學中的知識點，恰當的進行兩個階段的同一種知識點的比較，合理的進行教學的銜接，加深學生對知識點的理解[2]。比如高中物理力學和大學物理力學中動能定理的表述相同，在高中物理力學中，動能定理應用于恒力沿著直線做功，求解過程比較簡單；但在大學物理力學中，動能定理應用于變力沿著曲線做功，在求解過程中會用到微積分知識和矢量運算知識；通過高中和大學相同知識點的比較，學生會對動能定理中的變量有深刻的理解。教師在講解共同知識點的時候，通過講解兩個階段同一知識點的不同之處，使學生意識到大學物理知識的廣泛性，能夠應用大學物理力學知識解決更加復雜的物理問題。

在大學物理力學中會學習一些新的知識，比如剛體力學部分。教師在講解新增知識點的時候可以與已經學過的知識點進行比較，如講解剛體力學部分可與質點力學部分進行比較，由質點推導出剛體的概念以及相關運動規律。質點是一個理想物理模型，它忽略物理的大小和形狀，當物體的大小和形狀不能忽略，如輪子的轉動、地球的自轉，該如何建立理想物理模型呢？如果忽略掉物體的形變，就可以把物體抽象為剛體，剛體也是一種理想模型。教師通過舊知識點引出新知識點，使學生更容易理解新知識點。

（二）加強學生運用高等數學方法來解決物理力學問題的能力

隨著學習的深入，力學的物理模型由一般情況變成普通情況，物理量由恒量變成變量，因此需要用微積分方法去解決實際問題。大學生在大一已經學習過了微積分，但是側重點在數學計算上，很難把微積分和物理問題聯系起來，因此教師在教學時需要把物理中的極限概念講透，多用微積分方法來做題，培養學生用微積分解決問題的能力。微分在物理學中常常以微元的形式出現，比如質量元、電荷元、位移元，因此在解決力學問題時需要先選取合適的微元量，然后再進行積分，教師要引導學生深刻理解物理中微元量的意義。以轉動慣量的求解為例，如圖2求解質量為m，長為l的棒，繞端點轉動時的轉動慣量J，由于棒上不同位置距轉軸的距離不同，所以需要用微積分的方法來解決問題；由于質量的分布具有一定的規律性，所以選取微元需要由相關規律性來決定，盡可能簡化解題過程，選取距離軸x處，長度為dx的棒為微元dx，微元dx的質量為

在高中力學中，一般研究一維或者二維物理量，但在在大學物理力學中需要研究三維物理量，所以需要用矢量運算去解決問題。在高中物理力學中一般會涉及到矢量的相加減運算，而在大學物理力學中，由于物理模型的復雜性，需要更復雜的矢量運算來解決問題[3]。學生剛接觸大學物理力學時很難形成用矢量方法來解決問題的習慣，因此需要教師在教學中加強學生運用矢量運算的意識，放慢教學節奏引導學生了解矢量的概念、如何書寫矢量、熟練運用矢量運算。比如在講解剛體力學中的力矩時，詳細的介紹矢量的表示方法、矢量叉乘的法則，再介紹判斷矢量叉乘結果方向的右手螺旋法則，通過詳細的教學過程打破學生在高中時形成的思維習慣并接受新的方法。

（三）由物理現象引出物理規律

隨著物理力學知識的難度升高，學生難以理解新的知識點，教師在教學中可借助生活中的物理現象進行講解。如在學習剛體的定軸轉動角動量守恒定律時，可借助花樣滑冰運動員的表演進行講解，當運動員抱緊雙臂、腿收攏轉動速度就會加快，當運動員手腳張開轉動速度就會減慢。為什么會發生這種現象？在學習剛體的定軸轉動角動量守恒定律后就明白，當運動員抱緊雙臂、腿收攏時轉動慣量減少、轉動速度變大，而當運動員手腳張開時轉動慣量變大、轉動速度變小。教師通過具體的物理現象，加深了學生對物理規律的理解。

四、結語

本文從知識范圍、知識普遍程度、運用數學方法三方面分析了大學物理與高中物理力學的不同點，結合具體的例子進行比較。為了更好的在教學中從高中物理銜接到大學物理，教師在教學過程中要由易到難，由高中物理知識引出大學物理知識，由物理現象引出物理規律，培養學生運用高等數學方法解決問題的能力；同時，還需要充分考慮學生的物理基礎，使學生能夠從高中物理知識過渡到大學物理知識。

參考文獻：

[1]劉葉青.中學與大學物理力學和電學部分的銜接研究[D].福建：福建師范大學，2019.

[2]周政.大學物理與高中物理力學的教學銜接[J].安順學院學報，2016，18（1）：118-120.

[3]曹海霞.淺談大學物理與中學物理教學的有效銜接[J].物理教師，2021，42（10）：25-29.

基金項目：2023年山西省高等學校一般性教學改革創新項目課題，項目名稱：基于OMO的大學物理同步教學探索與研究，（項目編號：J20231508）

作者簡介：

張蝶（1994.9-），女，漢族，山西長治人，碩士，助教，研究方向：凝聚態物理；

郝銀萍（1983.5-），女，漢族，山西太原人，博士，副教授，研究方向：新能源利用；

李紅玉（1992.10-），女，漢族，山西臨汾人，碩士，講師，研究方向：理論物理；

閆強（1991.8-），男，漢族，山西大同人，碩士，講師，研究方向：新能源利用；

李彥榮（1992.1-），女，漢族，山西臨汾人，碩士，講師，研究方向：凝聚態物理。