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)，進一步理解牛頓運動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動定律的力學(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，就可以站在一個較高的層面上，將教材由厚到薄，給學(xué)生一個系統(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)及其綜合問題。這對于提高分析與解決物理問題的能力將是非常必要的。

綜觀高中力學(xué)教學(xué)，我們可以建立這樣一個力學(xué)體系結(jié)構(gòu)，那就是——兩大基本定律、兩個基本定理、三個守恒定律，可簡稱為“二、二、三”力學(xué)體系。體系內(nèi)定理與定律之間既相互獨立，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有引力定律

如圖1，牛頓三大定律揭示了力與運動的關(guān)系，涵蓋了靜力學(xué)、動力學(xué)和運動學(xué)三大部分，解決了物體的平衡、變速直線運動和變速曲線運動問題。

如圖2，萬有引力定律F萬=G■揭示了任何物體間的相互吸引力，是一種場力。由于引力常量G極小，僅在質(zhì)量m1或m2很大時才考慮，常用于解決天體運動問題。一般情況下，對于有關(guān)天體的勻速圓周運動：F萬=F向，mg=F向，F(xiàn)萬=mg。

物體在星體表面上，受到星體對它的萬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物體的重力：F萬=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≈mg。

二、兩個基本定理：即動量定理和動能定理

如圖3，動量定理∑I=P2-P1，揭示了物體所受合外力對時間的積累效應(yīng)；動能定理∑W=EK2-EK1或∑W′=E2-E1，揭示了物體所受合外力對空間的積累效應(yīng)。所以，兩個基本定理揭示了力與時空的關(guān)系。我們可以對一個研究對象，從狀態(tài)1至狀態(tài)2的變化過程，由動量定理或動能定理列方程求解問題。

三、三個守恒定律：即動量守恒定律、機械能守恒定律和能量轉(zhuǎn)化與守恒定律

如圖4，動量守恒定律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、相互作用等多體問題； 機械能守恒定律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動問題；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)能量從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體或從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式時，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孤立的，而是相互聯(lián)系、相輔相成的對立統(tǒng)一體：萬有引力定律揭示的是一種場力，它仍遵循牛頓三大定律；動量定理和動能定理都是從牛頓運動定律中推出的，但有其更廣泛的適用范圍；動量守恒定律由動量定理推出，機械能守恒定律由動能定理推出，能的轉(zhuǎn)化與守恒定律則是機械能守恒定律的進一步推廣。

所以，從狹義上講，牛頓三大定律和萬有引力定律是牛頓運動定律，但從廣義上講，二、二、三力學(xué)體系就是牛頓運動定律體系。展現(xiàn)這一完美的清晰的物理圖景，猶如一幅美麗的畫卷不但給人以美的熏陶，也將使高中牛頓運動定律體系的力學(xué)系統(tǒng)化知識得以進一步升華，從而站在一個更高的層面上去理解牛頓運動定律。

參考文獻：

[1]王較過，黃小龍.基于思維導(dǎo)圖的物理教學(xué)目標(biāo)設(shè)計[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2013（12）.

[2]張憲魁.物理科學(xué)方法教育[M].青島：青島海洋大學(xué)出版社，2000.