本文发表于《中学物理》（高中）全章概述 这一章的主要内容是从运动学的角度对做直线运动的物体进行描述。研究一种物理现象，人们通常是先从可以直接观察到的运动学量的角度来进行描述，从运动学的角度描述物体，就是要在确定的时刻或时间内明确做机械运动的物体的位置、位移、速度和加速度。而要想准确地描述这些理解量，就必须先学习质点、参考系和坐标系等内容。本章学习的内容，既是下一章研究匀变速直线运动的基础，也是学习力学各章的基础。 本章共4节课文，其知识线索可分为四部分：第一是关于描述物体运动的基础铺垫（第1节），明确描述的对象是什么（质点），用什么样的工具来描述（参考系）；第二是位移（第2节），从位置变化的角度认识位移这一新的物理量，包括如何描述位置、位置的变化，以及什么时刻的位置、什么时间内的位移等内容；第三是速度（第3节），从位移变化率的角度认识速度，包括大小和方向，以及如何测定速度；第四是加速度（第4节），从速度变化率的角度认识加速度，包括大小和方向。 相对初中而言，高中物理在理性分析、逻辑思维、定量要求、数学计算、概念的严密性、实验的复杂性等方面都上了一个台阶。本章是高中物理的第一章，在很多方面对高中物理来说都起到奠定基础的作用，学生学习高中物理需要具备的基本素养很多都是第一次在本章中出现。例如：第一次用较规范的理想模型的观点来思考问题；第一次体会时刻、时间、位置、位移等概念的确切含义；第一次在物理问题中渗透极限的思想；第一次用打点计时器进行定量的实验；第一次抽象地领会物理学中“变化率”的含义等等。因此，教学中如何对待这些重要的“第一次”很重要。既要使学生扎扎实实地从这些第一次中获得基本素养的提高，同时又要兼顾学生的可接受性，做到循序渐进、不一步到位，让学生在学习中获得成功的愉悦，这是在本章学习中需要特别注意的问题。 编者在编写教材时，注意在学习概念、规律的同时，培养学生的核心素养，教师也应注意从核心素养的角度去进行教学。 1.物理观念。这一章关于物理观念的学习，教材力图让学生清楚：世界是物质的，物质是运动的，机械运动中很重要的是要清楚物体在不同的时刻的位置、速度、加速度，及不同时间段的平均速度和位移等情况。为了加强相应观念的学习，教材特意在15页增加了“我们生活的客观世界是物质的，物质由分子、原子等组成，我们所看到的物体是物质的聚集状态。机械运动描述的是物体位置随时间变化的规律”的旁批。这一旁批的用意是让学生从机械运动这一特殊形式去认识客观世界的物质性。 2.科学思维。这一章关于思维的培养，教材主要突出抽象和概括思维的学习。首先，通过不同情况下对物体进行抽象的分析，最后概括得出质点的模型，其中忽略次要因素、抓本质的方法是模型建构中最重要的思想。另外，在速度及加速度概念的建立过程中，也很好地体现了抽象概括的思维方法。在瞬时速度概念的建立过程中，通过对平均速度要想较准确地表示某一时刻（或位置）的速度，就要取小时间段（或位移）的抽象分析，最后概括出瞬时速度的极限方法。这种化小、取微元的思想，在物理学习中非常重要。 3.科学探究。这一章的科学探究主要体现在教材用启发性的语言及问题，引导学生一步步地进行分析、建立概念、掌握方法、训练思维。这些从教材开始提出的问题、行文中引导学生思考、设置专门的“思考与讨论”等做法就能深刻地体会到。 4.科学态度与责任。这一章关于科学态度与责任，教材主要是通过引导学生主动思考问题、发表意见来展开，这就要求教师在课堂上一是要给学生留有时间让学生思考、表达，另外，也要注意观察学生是否参积极地参与到共同学习、讨论中来，要及时地给予表扬或提醒。另外，这一章有两个实验，要注意引导学生参与到测定时间和位移及速度的实验中来，并注意观察学生在实验中是否愿意动手、是否实事求是地记录数据、是否愿意交流和表达等。 由于修订后的课程标准不再像以前允许选修物理的学生可以不学某一模块，所以总体而言，选学物理的学生课程内容增多了，这就要对原教材的节数重新整合。重新整合后，这一章教材的节数由原来的5节变为现在的4节。 课时安排建议 第１节 质点 参考系 １课时 第２节 时间和位移 ２课时 第３节 运动快慢的描述-速度 ２课时 第 4节 速度改变快慢的描述-加速度 ２课时 二、具体说明 1．第1节“质点 参考系”涉及质点和参考系两个最基本的概念。关于质点概念的学习，教材一是分析通常情况下将物体看成点的必要性，即由于描述实际物体的复杂性，使得人们不得不进行科学的抽象；二是从三个方面分析什么样的物体可以看成质点；三是在旁批中特意点出了“在物理学中，突出问题的主要因素，忽略次要因素， 建立理想化的物理模型，并将其作为研究对象，是经常采用的一种科学研究方法。质点这一理想化模型就是这种方法的具体应用。”强调了建立物理模型的一般原则，这种研究方法突出研究问题的主要方面，深刻地把握了事物的本质。可以说，物理学研究问题的精髓在于：用模型描述自然，用数学表达模型；用实验检验模型。 这一节另一个重要的概念是“参考系”。在参考系的学习中，要让学生认识到，由于运动的相对性，要描述物体的运动，就一定要确定是在什么样的参考系中来描述。参考系在运动的描述中具有基础性的意义。其实，任何物理问题的说明和分析实际上都离不开参考系。考虑到中学教学的实际，关于参考系的概念教材没有给出严格的定义，而是说“用来做参考的物体称为参考系”。这也是通常的一种说法，即不区分“参考物”和“参考系”，而强调“坐标系是参考系的数学抽象”。在讨论具体问题时，通常只给出坐标系而不必具体地指出参考物或参考系。 关于参考系要结合下一节的坐标系进一步学习。 2．第2节新的概念比较多，有时刻、时间、坐标系、位置、位移，另外还有位移-时间图像及位移和时间的测量等内容，要注意把控好教学的节奏。 考虑到坐标系的学习应该和具体的位置、位移的数学表示紧密结合，所以将原来上一节坐标系的内容下放到了本节。坐标系的学习要让学生体会到：要定量地描述物体的运动只指出参考物或参考系不行，必须要有坐标系；另外，建立什么样的坐标系要视研究问题的需要和方便来确定，本章学习直线运动，当然只需建立一维直线坐标系。 本节教材另外一个变化是明确区分位置和位移，将原来的二级标题“路程和位移”改为“位置和位移”。质点位置随时间变化的规律是运动学的核心问题，教材明确提出位置坐标、研究质点的位置坐标随时间变化的关系，以体现教学内容的基础性。教材指出应在参考系上建立坐标系，并且定量地描述质点的位置。质点沿直线运动时，用x表示位置，用Δx表示位移。关于位移，国家《量和单位》中没有给出这一物理量，以前教教材中一般性的位移用s表示，但容易与弧长相混，现在用l来表示，取英文长度length的第一个字母。 位置和时刻是对应物理状态的物理量，时间和位移是对应物理过程的物理量。物理学中的很多规律，有的是描述两个状态的物理量关系，例如后续将学到的机械能守恒定律；有的是描述过程跟状态变化的关系，如动能定理。运用机械能守恒定律和运用动能定理解决问题的思路是不同的，其不同之处在于对状态与过程的认识。理解哪些是与状态相对应的物理量、哪些是与过程相对应的物理量，这是学生正确运用相关规律的基础。本教材的第一章就让学生区分时刻和时间、区分位置和位移，渗透关于状态和过程的思考，这对学生从一开始就形成一个正确的思路很有益处。为了加强对位置、位移这些基本物理概念的认识，本节还增加了“位移-时间图像”。 考虑到修订后的总体课程内容较多，本节将原教材“实验：用打点计时器测速度”一节中的“认识打点计时器”部分放到了此处，而将“速度的测量”部分放在了下一节。这样整章既减少了一节的内容，又在位移和时间概念学习过后，紧接着学习如何测量这些物理量，显得更紧凑、顺畅。 3.第3节是“位置变化的快慢-速度”，从节的标题可以看出较原教材“运动快慢的描述-速度”有所变化，这主要是考虑现在的描述更有利于学生认识速度的本质是质点位置变化的快慢，而不是别的物理量变化的快慢。这和下一节“速度变化快慢的描述——加速度”的描述是一致的。 关于速度的学习，教材加强了变化率的教学，因为它是事物变化非常重要的方面。任何事物的变化，包括物体位置的变化，总是伴随着一个过程。在这一过程中，人们关心两件事，一个是变化的多少，另一个是变化的快慢，后者就是变化率。以物体的直线运动为例，位移Δx是变化的多少，速度v＝Δx/Δt就是变化率。在研究物体的机械运动中，作为描述物体运动状态的速度有时显得更重要，对学生而言也更抽象，是学生学习中需要上的一个台阶。因为它不像位置变化的多少那么具体，那么“看得见、摸得着”，教学中更应多拿出时间来学习。 瞬时速度的概念学生第一次接触，也较难建立，是本节的难点。通常而言，说物体在某一时刻或某一位置有确定的速度，学生是可以理解的，但是要学生说出如何用数学语言准确地描述瞬时速度，多数学生都会感到比较困难。基于此，教材没有采用类似“瞬时速度是物体在运动时间趋于零时的平均速度”的说法。而是说，在要求不高时可以用平均速度代替这一时刻的瞬时速度，如果要求更准确，就可以将时间间隔缩小，质点在非常非常短的时间内的平均速度，就可以看成它在此时刻的瞬时速度。这样的说法既体现了极限的思想，又避免了过分的抽象，便于学生理解。 这一节有“测量纸带的平均速度和瞬时速度”的实验，在速度的概念建立后紧接着研究如何实现这一物理量的测量，也是比较自然、顺畅的。这部分内容的学习除让学生考虑如何来测量相应的物理量外，更重要的是让学生考虑在实测中如何来确定Δt和Δx。教材举例说明，如果要求得某一点的瞬时速度，如下图中E点的瞬时速度，可以在纸带上取包含E点在内的一小段间隔，例如图中的DF段，那么用经过D、F两点所用的位移和时间算出的平均速度代表纸带在E点的瞬时速度，就会比用D、G两点算出的平均速度代表E点的瞬时速度精确一些。 图1 计算每隔 0.06 s 的平均速度纸带示意图 对书中这样选取点，可能有的学生会想：为什么不在E点的左右各取一个点子，而是在左边取了一个点子，在右边取了两个点子？其实，教材想传达的意思不在于在包含E点的左右取几个点子，而是只要取包含E点在内的一小段即可。如果有学生提出用DE区间的平均速度来代表E点的瞬时速度是否可以的问题，老师应该给予肯定，说明他（她）对瞬时速度的理解是比较到位的。 另外，瞬时速度的学习应该让学生清楚：对于瞬时速度的概念，所取的位移及相应的时间越小，用平均速度代替瞬时速度越精确，但是在测量上并不一定如此。所以教材特意增加了“D、F两点间距离过小，测量误差会增大。所以，实际测量中要根据需要及所用仪器的情况，在要测量的点附近选取合适的位移和时间。”的旁批。 4.第4节加速度是物理学中非常重要的概念，也是比较抽象、难于理解和准确建立的概念。为了加强加速度概念的学习，教材在开始部分结合实例增加了一段分析运动的小汽车和飞机哪些情况说的是速度变化的大小，哪些情况说的是速度变化的快慢，并结合速度概念的学习，提出如何比较速度变化的快慢？进而引出加速度的概念。 加速度概念的准确理解除了从变化率的角度去分析，还有一个重要的方面就是从加速度的方向上去理解和把握，这也是学生常常感到比较难的地方。原因在于加速度中关键的量“速度的变化”不像位置、速度能直观地观察到，所以无论是速度的变化率，还是速度变化的方向，都应结合实例仔细分析，逐步建立正确的概念。为了加强对加速度方向的理解，教材结合实例分析了小汽车在不同运动情况下加速度的方向。教材的用意是：从运动学的角度去分析物体加速度的方向，就是要认定速度变化的方向，即教材所说“确定了Δv的方向，也就确定了加速度a的方向。”。 5.为了提高学生归纳、总结的能力，本章最后给出了“章小结示例”，这也是本套教材唯一给出章小结的一章。为什么只在第一章给出了章小结，而在其他章中没有给出呢？这是因为章小结会因每个人学习方法不同而有多种多样的形式，如果每章都给出小结，有可能会束缚学生自主学习、总结的手脚，限制了学生广阔的发展空间。所以后面的各章都没有再给出章小结，希望老师们在每章的学习中能引导学习自主归纳、总结出有各自特点的小结来。 |
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