唐昌琳 蒋龙飞

[摘   要]物理概念是学习物理的基础，概念理解不准确、掌握不够熟练直接影响学生对物理学科的进一步学习。如何让学生快速准确地理解掌握物理概念是高中物理教学的关键问题。笔者在几十年的教学实践与反思中发现，从学生已经掌握的知识出发，逐渐递进，不但可以提高学生对新概念的接受速度，还可以提高学生对新概念理解的准确度，同时对培养学生的科学思维能力，对提升学生的学科核心素养都有积极作用。

[关键词]高中物理;概念教学;科学思维

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]     A        [文章编号]    1674-6058（2021）20-0034-03

一、基于已知知识，开展概念教学

所谓已知知识就是学生已经掌握的物理知识或生活常识，基于已知知识的物理概念教学，就是从已经掌握的物理知识或生活常识出发，帮助学生建立新的物理概念的过程。本文结合三个教学片段进行分析说明。

1.位移与路程教学片段

已知知识：在初中学生已经知道，当一个物体相对另一个物体的位置发生了变化，就说这个物体发生了机械运动，简称运动。

新概念的产生：

【教师】什么叫作机械运动？

【学生】当一个物体相对另一个物体的位置发生变化，叫作机械运动。

【教师】对！如一个同学由我们教室的右前方的A位置移动到了左后方的B位置，他相对教室的位置发生了变化，我们说这个同学做了机械运动。

【教师】那么我们怎样简单地描述该同学由A位置移动到B位置这一事实呢？

【学生】需要描述A位置到B位置的距离。

【教师】对。这个距离可用连接AB的直线描述，如图1所示。这样就能把该同学的位置移动描述清楚了吗？

【学生】不能。

【教师】那还需要什么呢？

【学生】还需要描述该同学是由A位置移动B位置。

【教师】对。如图1所示，我们是不知道他是由A到B，还是由B到A的。请问用什么方法可描述该同学由A位置移动到B位置呢？

【學生】用一个由A指向B的箭头就可以描出该同学由A位置移动到B位置的位置移动方向了。

【教师】对。如图2所示，我们就可以把该同学位置移动的距离与移动的方向描述清楚了。在物理学中把这一描述位置移动的距离与方向的有向线段叫作位移。

位移：由初始位置指向末了位置的有向线段。线段的长度表示位置移动的距离（也叫位移的大小），箭头表示移动的方向。

【教师】请问该同学确实是沿AB直线由A位置移到B位置的吗？

【学生】因为有桌子阻挡，他不可能沿直线由A到B，除非把所有桌子移开。

【教师】对。我们教室整齐地排列着4组课桌，该同学不可能沿直线由A到B，如图3所示，他可以沿ACB、ADB等路径由A到B。如果把课桌移走，他还可以沿任意路径由A到B，如图4中Ⅱ所示。

图3                                    图4

这样看来，位移只能描述位置移动的始末，不能描述具体的运动过程。为了描述运动的具体路径过程，我们又引入一个描述具体路径实际长度的物理量——路程。

路程：运动轨迹的实际长度。

【小结】物体由不同路径从一个位置运动到另一个位置，路程是不一样的，但位移总是相同的。不管怎样运动，都存在路程大于等于位移大小这一事实，而且只有在单方向的直线运动中路程才等于位移大小。

以上是一个利用学生熟悉的教室布局，再由学生在初中就已经掌握了的机械运动出发，层层递进，建立位移、路程概念的教学片段。这一基于已知知识的新概念教学不但成功地帮助学生建立了位移、路程两个新的物理概念，也为下一个新概念“矢量”的引入打下了基础。

2.动能和动能定理教学片段

已知知识：在初中学生就已经知道了力对物体做功等于力和物体在力的方向上移动的距离的乘积，即[W=Fs]，也知道做了多少功就有多少能量转化为其他形式的能量。物体由于运动所具有的能叫作动能。进入高一以后，在学习本节内容之前学生已经掌握了匀变速直线运动与牛顿第二定律的相关知识，即[s=v0t+12at2]，[v2t-v20=2as]、[F=ma]等。

新概念的产生：

【教师】大家都知道力是改变物体运动状态的原因，那么我们就来看看下面这个物理模型中力与运动状态变化之间的关系。

建立模型：一个质量为m的物体，以初速度[v1]滑上一粗糙水平地面，其与地面间的动摩擦因数为[μ]，在滑上水平地面的同时受到一个与运动方向相同的恒定拉力F的作用并移动一段位移s，速度增加到[v2]，试讨论物体所受外力对物体做功与物体速度变化之间的关系。

【教师】请大家在草稿纸上画出物体受力示意图及运动过程示意图，并请A同学上讲台来，在黑板上画出示意图。

【A同学】画出的示意图如图5所示。

【教师】物体所受合外力怎样？它将做什么运动？

【学生】物体所受合外力为：[F合=F-f]。因为物体受与速度同向的恒力作用，所以物体做初速度为[v1]的匀加速直线运动，其加速度遵循[F合=ma]。

【教师】这个合外力对物体做的功与速度变化之间有什么关系呢？请B同学上讲台来，在黑板上推导，其他同学在草稿纸上完成。

【B同學】[W=F合s]……①

[F合=ma]………②

[v22-v21=2as]……③

由②③式可得：[F合=mv22-v212s]

将上式代入①式可得：[W=12mv22-12mv21]……④

【教师】我们知道外力做了多少功就有多少能量转化为其他形式的能量，从这个角度来看，④式右边应该是某种能量的变化。这个能量与物体运动的速度有关，即由于物体运动所具有的能量——应该就是我们在初中所说的动能。

【动能】一个物体运动所具有的能叫作动能，等于物体质量与物体速度的二次方的乘积的一半，表达式为：[Ek=12mv2]。

从④式整体来看，外力对物体做的功等于物体动能的增量，这就是我们在高中阶段要知道的第一个重要定理——动能定理。

【动能定理】外力对物体做的功等于物体动能的增量，数学表达式为：

[W=12mv22-12mv21]

虽然学生在初中已经知道“物体由于运动所具有的能叫作动能”，也知道“物体的动能跟质量和速度有关，速度越大，质量越大，它具有的动能就越大[1]”，但动能的多少，怎样量度，还是不清楚的。本教学片段利用功、牛顿第二定律及运动学知识，导出一个等式，左边是力对物体做的功，右边是一个差值。根据初中掌握的“力做了多少功就有多少能量转化为其他形式的能”，学生很容易理解右边应该是某种形式能量的增加量，因为这一能量与物体运动速度有关，应该就是初中物理所说的物体由于运动所具有的能——动能。

以上是从初中所学知识及高中阶段在本节内容学习之前已经掌握的知识出发，得出动能的计算式及动能定理，整个过程自然流畅，学生容易接受。

二、利用概念教学，培养学生的科学思维

高中物理学科核心素养之科学思维主要包括模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。这些要素在各种不同的课型中都会得到相应的训练，概念教学也不例外，实例如下。

《功率》的教学片段

已知知识：日常生活中关于工作效率、学习效率的含义;初中阶段已掌握的“把做功的多少与所用时间的比叫作功率”;高中在学习本节《功率》之前学生已经掌握了力对物体做的功[W=Fscosθ];物体的平均速度[v=ΔsΔt]，其中[Δt]为发生位移[Δs]对应的一段时间，则[v]为这段时间的平均速度，如果从开始计时算起[Δt→0]，则为该时刻的瞬时速度。（教师把数学表达式呈现在黑板的一角）

新概念的产生：

【教师】我们日常生活中常说效率一词，请问什么叫作效率？

【学生】效率就是单位时间内完成事件的多少，也就是完成某个事件跟完成这个事件所需时间的比值。

【教师】请举例说明。

【学生】如某同学2小时完成20道题，他做作业的效率是10道/小时。

【教师】该同学恰好是每小时做完10道题吗？

【学生】不是的，这是一个平均值。

【教师】为什么？

【学生】因为20道题里面既有选择题、填空题，也有计算题。他也许是第1个小时完成了16道选择题和填空题，第2个小时完成4道计算题。

【教师】很好！那么请问大家，力对物体做功的效率又应该如何表达呢？

【学生】应该是该力在单位时间内所做功的多少，或者说是力对物体所做的功跟完成这个功所需时间的比值。

【教师】非常正确，为了简化表达，我们把力对物体做功的效率叫作功率。

今天我们就来学习功率这个概念，板书课题并给出功率的定义和数学表达式。

【功率】力对物体做的功W与完成这些功所需时间t的比值。

数学表达式：[P=Wt]

单位：国际单位为瓦特。

符号是W，[1W=1 J/s]。

【教师】功有负值，功率有没有负值？

有的学生回答“有”，有的学生回答“没有”，让回答“没有”的学生说明理由。

【学生】就像我们做作业的效率，不可能有-5道题/小时一样，我认为功的效率应该是力对物体做功的绝对值跟所需时间的比值。

【教师】很正确，效率最小是0，不可能有负值，也就是说功率是没有负值的。

概念的深化：

【教师】根据前面的知识我们知道，用[P=Wt]求出的功率应该是t时间内的平均功率，如果从计时开始所取的[t→0]，则求出的功率是什么功率？

【学生】从平均速度与瞬时速度的关系可知，当[t→0]时，求出的应该是该时刻的瞬时功率。

【教师】对。不过目前我们还不具备用[P=Wt]求瞬时功率的数学知识。那么我们有没有更好的办法求瞬时功率呢？让我们一起来推推看。

[P=Wt] ………………①

[W=Fs cos θ] ………②

将②代入①有[P=Fscosθt] ，考虑到[v=st] ，可得：[P=Fvcosθ] ………③

如果t为一段时间，则③式中的v为t时间内的平均速度，则P为t时间内的平均功率;如果从计时开始所取的[t→0]，则v为开始计时时刻的瞬时速度，P就是该时刻的瞬时功率。

【教师】在②式中，[θ]表示力F的方向与位移s的方向的夹角，那么在③式中[θ]表示什么意思呢？

【学生】在③式中[θ]表示F的方向与速度v的方向的夹角。

【教师】理由是什么？

【学生】因为速度方向跟位移方向是一致的，所以力的方向与位移方向的夹角也就是力的方向与速度方向的夹角。

这是一个基于已知知识，从生活走向物理的教学片段。在平均功率、瞬时功率新概念的建立过程中着重培养了学生的科学推理与科学论证能力。

注：本文作者为《广西普通高中物理学科教学关键问题实践研究》（2018ZJY235）课题组成员。

[   参   考   文   献   ]

[1]  泸粤版初中物理教材编写组.义务教育教科书物理（九年级上册）[M].广州：广东教育出版社，上海：上海科学技术出版社，2017.

[2]  人民教育出版社高中物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]  人民教育出版社高中物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书物理（必修2）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（责任编辑 易志毅）