问道物理——谈物理概念的学习
摘要：很多学生觉得高中物理学习比较困难，概念多、公式多，逻辑性强。首先那么多的概念、公式记住就比较困难，而做到灵活运用那更是谈何容易。实际上这些所谓的困难源头都是学生学习物理的打开方式不同，没有真正地掌握物理概念的内涵。物理学是对物理现象的描述的学科，所以必须要有很多相应的概念来作为我们进行形式逻辑运算的抓手。这同时也说明物理概念是人为定义的，至少是有人为参与的，概念学习是有门道的。物理概念对于物理学就如承重结构对于建筑，骨骼对于动物，其重要性不言自明。另一方面，这也说明掌握了物理概念的内涵，就基本上掌握了学习物理的方法。关键字：物理概念 形式逻辑 问道物理 物理思想我们如果把物理学的发展历史拿过来看，就会发现物理学的发展与一个人从白纸一样成长成科学家的历史。反之，这也提醒我们学习物理者要从这历史中寻找学习物理的正确方法——问道物理。物理学的目的是什么？是描述物理现象，透过现象总结规律得到本质，最好能够较为准确地预测新的现象，能够指导生产。那么问题来了，如何描述现象呢？对物理现象的描述可以是多种多样的，什么样的描述更利于进一步研究呢？下面我们以一些实例来进行讨论。1、运动学——机械运动的描述中概念的形成在所有的物理现象中，机械运动是最常见也是最先被人类研究的物理现象。历史上的科学家是如何研究机械运动的呢？首先，观察到这样的一些事实（现象）：物体的位置会随着时间发生变化；对于同一个物体而言，从不同的“角度”看对其运动的描述是不同的，比如说坐在马车上的人观察一个与之同向的行人的运动情况与站在地面上静止的人观察这个行人的运动情况是不同的；不同物体运动的快慢是不一样的；同一个物体在不同时间的运动快慢也会不同；有的物体运动轨迹是直线有的物体运动轨迹是曲线；有的物体只发生平移运动有的物体发生转动还有的物体在平动的同时也有转动……物理学家在描述物体的运动的时候就需要思考：①如何尽可能把运动描述的简洁准确；②如何把运动中的特征描述好；③如何让物理描述便于形式逻辑运算。这里，就出现了机械运动的最基本的物理概念，似乎是天然存在的，实际上是人为定义的。首先就是定义机械运动的概念：运动在哲学中的概念就是“变化”，就是“矛盾的相互作用”，而机械运动是指物体的空间位置随着时间的变化。这个概念似乎可有可无，因为绝大部分学生在学习物理之前没有其他的“运动”概念，所以也没有负向的运动概念干扰。那么，如何描述这空间位置的变化呢？物体的位置变化必然需要参考其他的物体，所以就有了参照物的概念（也叫参照系，实际上参照系是以参照物为基础建立的一个空间坐标系）。为了描述的简单，一般以地面为参照系，但是这不是必须的。需要强调的是参照系的选取以描述的简单为好，同一个物体的运动选取的参照系不同描述也不同。实际物体的运动是比较复杂的，从最简单的情况入手是最有效的策略。那么，如何把实际物体复杂的运动简化呢？如果在所研究的问题中物体的形状和大小影响较小或几乎无影响，则可以用一个点来代替实际的物体，这个点除了没有几何形状外含有原来物体的所有属性，这就是质点的概念（涉及到理想化思想）。与运动紧密相关的就是位置和时间，位置变化和时间变化。如何描述呢？位置变化可以用从出发点指向终点的有向线段来描述，时间的变化体现为这个过程开始状态和结束状态所对应的时间间隔。为了更加准确形象地描述这些概念并且防止混淆，就得到了位移（由于具有方向性这个特性，得到矢量的概念）和时刻时间间隔（用时间轴形象描述）等概念。那么，如何描述物体运动快慢呢？在生活中，有很多比较快慢的方法。比如在运动会中，观众可以根据看到的运动员在某一时刻位置来判断哪个运动员运动快（相同时间比位移），而裁判员则根据到达终点的时间先后来判断运动的快慢（相同位移比时间）。从这生活中的方法中可以提炼出两种比较运动快慢的方法：相同时间比位移和相同位移比时间。那么那种比较方法更优呢？这种比较方法是否能够解决所有的比较运动快慢的问题呢？如果仅仅是比较物体的运动快慢而不考虑后续的物理研究，则这两种方案无所谓谁优谁劣，但是直觉告诉人们，时间是均匀地流逝的，以相同时间比位移更利于后续概念的生成和物理研究。如果两个被比较物体的运动时间既不相同运动位移也不相同该如何比较快慢呢？那么只需要假设两个物体各自以相同的运动快慢运动相同的时间来比较位移就好了。为了更利于快慢比较的普遍性，这个“相同的时间”可以规定为单位时间，则在操作上具有了方便性——把一个运动的实际位移除以运动的时间就得到了“单位时间内的位移”。把不同运动这样操作得到的结果进行比较，就是数值大的运动快。这个可以描述运动快慢的物理量就是速度，同时得到了求速度的公式：速度=运动位移÷运动时间（）。这里所定义的速度有个特点是物体运动快慢一直不变，而实际物体的运动快慢是随着时间变化的，所以这样定义的速度是不精确的，是粗糙的，这只能粗略说明物体在一段时间内运动的快慢情况，这是平均速度。如何更加准确描述物体运动快慢情况呢？那就要知道物体每时每刻运动的快慢。如何定义与时刻对应的运动快慢物理量呢？我们不能丢弃刚刚定义好的平均速度这个比较运动快慢的物理概念，而应该在此基础上看是否可以发展出满足要求的概念（转化思想——将未知向已知方向转化）。实际物体运动快慢每时每刻都不一样，但是在非常短的时间内我们可以认为这种差异是不大的，则可以用这段时间的平均速度来作为这段时间中某个时刻的速度，当这时间选得越小则差异也就越小，这种替代就越精确。所以某个时刻的速度（瞬时速度）就是平均速度的一种极限（极限思想——让平均值与瞬时值之间的近似替代误差变为0）。实际物体的运动常常是速度变化的，有了速度概念来描述物体运动的快慢之后，还得要知道如何描述变速运动中速度变化快慢。如何描述速度变化的快慢呢？可以参考如何描述运动快慢（位置变化的快慢）的研究——相同时间比较速度变化量。这样我们就容易得到了这样的物理量：加速度=速度变化量÷所用的时间（）。当然，有人会进一步思考是否可以按照这样一直定义下去得到加速度变化快慢的物理量……这可以暂时先打住，是否需要可以根据后面的研究再决定。在有了这些基本的描述机械运动的物理概念之后，就是研究具体的运动了。从简单的运动开始研究，匀速直线运动太简单了没有必要进一步研究，所以值得研究且最简单的机械运动是加速度不变的直线运动——匀变速直线运动。在具体的研究中，根据定义的概念，通过形式逻辑运算得到一系列的公式（即规律、结论），还涉及到图像表示物理意义的解决问题的思想方法。然后再研究一种地球上最常见的匀变速直线运动——自由落体运动。当然，从知识难度角度来看，各种具体的规律、公式及其应用是更难的。这也是老师和学生所学习的重点和难点。然而，概念本身的生成过程却是更基础性的，是更能够体现学生逻辑思维能力的，是决定学生能否在物理学科中走得更远的。在获得这些概念的过程中所涉及到的物理思想、科学探究的方法是学生更应该掌握的。然而，往往老师和学生在这方面没有太多的注意，重心全部放在匀变速直线运动规律上，用大量的练习来巩固对公式的掌握，而很少花时间让学生将物理概念融入血肉之中。运动学的相关概念生成过程可以用以下的思维导图来形象地展示出来。 图片
图片
对照教材的目录我们可以发现，教材实际上就是按照这样的逻辑顺序安排运动学内容的。我们从以上运动学概念生成的案例展示可以看出，提出问题才是概念生成的基础。 本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请点击举报。