鄭俊光

(廣東省潮州市潮安區(qū)庵埠中學(xué) 515638)

核心素養(yǎng)是學(xué)生成長為有文化教養(yǎng)的合格公民而必備的品格和關(guān)鍵能力.物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包括物理概念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.學(xué)生在中學(xué)階段課堂上學(xué)物理.不是讓他成為物理學(xué)家，而更應(yīng)關(guān)注的是，學(xué)生畢業(yè)后，作為一個(gè)公民,學(xué)過物理和沒學(xué)過物理有什么差異，物理能留給他終身受用的東西是什么，這就是中學(xué)物理教學(xué)需要培養(yǎng)的核心素養(yǎng).下面通過對初高中物理中常出現(xiàn)的物理量正、負(fù)號的剖析、對比及用法的探討，來探究如何處理好初高中物理教學(xué)的銜接，提升中學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng).

物理觀念是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華.從教材內(nèi)容看高中很多知識是初中的拓展與延伸，內(nèi)容的深度和廣度上都存在較高的臺階.初高中物理中出現(xiàn)有正、負(fù)號的物理量不少，用法也各不相同，以物理量的正、負(fù)號用法為例，在教學(xué)中可通過對比，梳理相關(guān)知識點(diǎn)，對物理量的正、負(fù)號及用法做以下的剖析：

中學(xué)物理中的正、負(fù)符號，可以表示標(biāo)量，也可以表示矢量，還可以表示物理量的性質(zhì).如果搞不清他們的含意，解題時(shí)雖然思路正確，但由于不加區(qū)分地亂用正、負(fù)號，計(jì)算結(jié)果經(jīng)常出錯(cuò)，應(yīng)引起重視.

常見物理量的正、負(fù)，可分為“性質(zhì)符號”和“量質(zhì)符號”，下面分別進(jìn)行討論.

一、性質(zhì)符號

表征物質(zhì)屬性、基本結(jié)構(gòu)的物理量，它帶有的正、負(fù)號我們把它叫做性質(zhì)符號.如：電量的正、負(fù)，粒子的正、負(fù)等，表明是正電荷還是負(fù)電荷.力矩的正、負(fù)，表示力產(chǎn)生的力矩是使物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)沿逆時(shí)針方向變化，還是沿順時(shí)針方向變化.正力矩使物體的轉(zhuǎn)動狀態(tài)沿逆時(shí)針方向變化，負(fù)力矩使物體的轉(zhuǎn)動狀態(tài)沿順時(shí)針方向變化.電源的正、負(fù)極，表征極性的電勢高、低.電源供電時(shí)，電流由正極“流出”，“負(fù)極”流入.如果可以充電，電流方向相反.直流電表(電流表、電壓表、萬用表)接線柱的正、負(fù)：一般情況下，電流應(yīng)由正接線柱“流入”,由負(fù)接線柱“流出”.二極管的正、負(fù)極表示：如果二極管所加電壓正極“高”、負(fù)極“低”時(shí)，二極管處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，所加電壓相反，二極管處于“截止”狀態(tài).透鏡焦距的正負(fù)：表明是凸透鏡還是凹透鏡，鏡對平行光線會聚或發(fā)散情況.像距的正負(fù)：表明是實(shí)像還是虛像.利用成像公式計(jì)算時(shí)應(yīng)帶上符號運(yùn)算.

二、量質(zhì)符號

研究物體運(yùn)動規(guī)律時(shí)，描述物體狀態(tài)，運(yùn)動過程的物理量所帶的正、負(fù)號，我們把它叫量質(zhì)符號.這些物理量又分為矢量和標(biāo)量.

1.矢量的正、負(fù)號

矢量是有大小和方向的物理量，一般大小由它絕對值的大小表示；方向由它與已知方向的夾角表示.矢量可進(jìn)行合成與分解運(yùn)算，實(shí)質(zhì)是一種等效替換，計(jì)算運(yùn)用平行四邊形定則.特殊的矢量：是在一直線上的矢量，此時(shí)它們只有兩個(gè)方向，可用正、負(fù)號表示方向.先在直線上選定一個(gè)方向?yàn)檎较?，凡與此選定正方向相同的矢量為正，反之為負(fù).不在同一直線上的矢量，可以利用“正交分解法”.把它們分解在已選定正方向相互垂直的直角坐標(biāo)系中，這樣就轉(zhuǎn)化為兩直線上帶有正、負(fù)號的矢量了.帶正、負(fù)號的矢量則可進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，使復(fù)雜的問題變得簡單.

利用正、負(fù)號表示矢量方向的物理量有：力、位移、速度、加速度、沖量、動量、電場強(qiáng)度、磁感強(qiáng)度等.對這些矢量的正、負(fù)號的意義要理解好，稍有疏忽混淆，便產(chǎn)生誤解.如：兩個(gè)負(fù)加速度a1=-3m/s2和a2=-8m/s2相比較，試問它們哪個(gè)負(fù)加速度大？錯(cuò)解：根據(jù)有理數(shù)大小的比較，兩個(gè)負(fù)數(shù)比較則絕對值小的負(fù)數(shù)大，-3>-8,所以a1>a2.

分析加速度的正負(fù)號不表示代數(shù)量.加速度是矢量，它們的正負(fù)號表示空間的方向，它們的大小應(yīng)以其絕對值的大小為依據(jù).所以應(yīng)是a2>a1.矢量正負(fù)除表示方向外，有的還具有增量含意.如：沖量：它的方向由力的方向決定，沖量為正，表示受沖量物體的動量在選定方向上增加；沖量為負(fù)，表示物體動量在選定方向上減少.

2.標(biāo)量的正、負(fù)號

只有大小沒有方向的量稱為標(biāo)量.在物理學(xué)中，不少物理量盡管沒有方向，但卻有正負(fù)之分，隨物理量的不同，物理意義不同.功是能量變化的量度，功的正負(fù)的意義是說明誰對誰做功，正功為外力對物體做功，物體的能量增加，負(fù)功為物體對外界做功或物體克服外力做功，物體本身的能量減少.例如：在研究氣體內(nèi)能變化時(shí)，若氣體被壓縮，外界對氣體做功為正，當(dāng)氣體與外界沒有熱交換時(shí)，氣體內(nèi)能增加；若氣體膨脹，氣體對外界做功，當(dāng)氣體不能從外界吸收熱量時(shí)，氣體內(nèi)能減少，溫度降低.

圖1

勢能的正負(fù)的意義是；比零勢能多還是少.勢能為正，比零多；勢能為負(fù)，比零少.其正負(fù)無絕對意義，只有相對大小，零勢能的位置是人為選定的，這里的零不等于沒有勢能，它比負(fù)勢能還要多.例如：對于物體的重力勢能，其正負(fù)表示比參考平面的勢能高低，正號表示位置比參考平面高，勢能比參考平面還多；負(fù)表示位置比參考平面低，勢能比參考平面的勢能還少.勢能的大小與參考平面的高低有關(guān)，而參考平面是可以任意選取的；在比較物體的重力勢能的大小時(shí)，只能選取同一參考平面，重力勢能為正的比零大，零比負(fù)的大.如圖1,水平地面上放一張桌子，三個(gè)質(zhì)量相等的物體位于地面、桌面、桌面上方H處.若選取水平地面為參考平面，桌面的重力勢能為正，上方H處的重力勢能也為正，且比桌面的重力勢能大；若選取桌面為參考平面，桌面的重力勢能為零，上方H處的重力勢能也為正，地面的重力勢能為負(fù)， 正比負(fù)大；若選取桌子上方H處的為參考平面，下方的兩個(gè)物體重力勢能均為負(fù).

圖2

電勢正負(fù)的意義同電勢能.它反映該點(diǎn)電勢是比零電勢點(diǎn)高還是低.電勢差Uab的正負(fù)：反映a、b兩點(diǎn)間的電勢高低，Uab>0時(shí)，Ua>Ub，Uab<0時(shí)，Ua

分子間由于存在相互的作用力，從而具有的與其相對位置有關(guān)的能叫做分子勢能.其變化情況要看分子間作用力.分子間作用力分為斥力和引力.在平衡位置時(shí)相對平衡,小于平衡位置時(shí)表現(xiàn)為斥力,大于平衡位置時(shí)表現(xiàn)為引力.但無論何時(shí),引力與斥力都是同時(shí)存在的.是內(nèi)能的重要組成部分.分子勢能大小隨r的變化關(guān)系如圖2所示，選取無窮遠(yuǎn)的分子勢能為零，r0處的分子勢能為負(fù)，且最小值，r變大或變小其分子勢能都增加，在r0到無窮遠(yuǎn)處的分子勢能一直是負(fù)的.

溫度的正負(fù)是表明比零度高還是低，還應(yīng)注意是什么溫標(biāo).比如日常生產(chǎn)中我們常用攝氏溫度表示物體的溫度，溫度可以為正，也可以為負(fù)，例如今天的氣溫為+26℃，又如今年冬天最低氣溫達(dá)-35℃.

標(biāo)量的狀態(tài)量值大小與零點(diǎn)選取有關(guān)，但兩個(gè)狀態(tài)間的量值變化情況與零點(diǎn)選取無關(guān).某些物理量的增量的正負(fù)，表示是在增加還是減少.如△Ek、△Ep、△E等，這些量為正值，表示增加，負(fù)值表示減少，還有在熱力學(xué)第一定律表達(dá)式△E=Q+W中，熱量Q為正，表示物體吸熱，Q為負(fù)則表示物體放熱.

概括起來，取正負(fù)的標(biāo)量大致可分為三類：

(1)正負(fù)不參與大小比較，只為說明一定的物理意義的標(biāo)量.如：功的正負(fù)、焦距的正負(fù)、電量的正負(fù)、力矩的正負(fù)等.

(2)正負(fù)參與大小比較的標(biāo)量.如勢能(重力勢能、彈性勢能、電勢能、分子勢能等)、電勢、溫度等.這種物理量的正負(fù)號，在運(yùn)算中一定要保持到底.如電子從電勢為-10 V的A點(diǎn)運(yùn)動到電勢為+5 V的B點(diǎn)，電場力做的功為多少？將已知數(shù)據(jù)代入：Wab=qUab=q(Ua-Ub) 得Wab=1.6×10-19×(-10-5)J=2.4×10-18J.

(3)正負(fù)只起比較作用的標(biāo)量.如電勢差、電動勢及某些量的增量，在計(jì)算中也不一定都帶上正負(fù)號，如只研究電路中某兩點(diǎn)電勢差的大小，而不比較電勢的高低時(shí)，可以不帶正負(fù)號.

綜上所述，通過對初高中物理中出現(xiàn)的物理量正、負(fù)號進(jìn)行整理、對比，在課堂教學(xué)中，逐步介紹，階段總結(jié)，達(dá)到使學(xué)生能掌握知識，提高學(xué)科素養(yǎng)的目的.其它初高中物理知識體系中出現(xiàn)的不少內(nèi)容的銜接，也可以依此類推，使學(xué)生能較全面掌握中學(xué)物理必須弄清的物理概念及規(guī)律，通過中學(xué)階段的學(xué)習(xí)，能準(zhǔn)確地用學(xué)科語言表述教材或日常生活中出現(xiàn)的物理情景、物理問題以及解決問題的方法，從而提高中學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng).

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