張蝶 郝銀萍 李紅玉 閆強(qiáng) 李彥榮

[摘要]目前物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了比較成熟的階段，在許多專業(yè)知識中都會涉及到物理知識，在社會的各個領(lǐng)域均取得了很大的成功。因此，理工科類大學(xué)生需要學(xué)習(xí)大學(xué)物理知識，大學(xué)物理教師需要研究如何把高中物理銜接到大學(xué)物理。我們以力學(xué)部分為例，探索了高中物理和大學(xué)物理中力學(xué)部分的不同點(diǎn)，并引出從高中物理銜接到大學(xué)物理的教學(xué)方法，能夠?yàn)榇髮W(xué)物理教師提供參考。

[關(guān)鍵詞]力學(xué)；大學(xué)物理；高中物理

[中圖分類號]G641? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[DOI]：10.20122/j.cnki.2097-0536.2024.04.054

在理工科大學(xué)生的學(xué)習(xí)生涯中，大學(xué)物理占有很重要的地位，能為將來專業(yè)知識的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。相比高中物理，大學(xué)物理的知識更廣泛、復(fù)雜，導(dǎo)致大學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理時會比較困惑；大學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理時會保留高中物理的學(xué)習(xí)方法，較難學(xué)習(xí)使用新的思維方法解決物理問題。因此，大學(xué)物理教師在教學(xué)中需要采用一些有效的方法從高中物理銜接到大學(xué)物理，使大學(xué)生能夠熟練掌握大學(xué)物理知識。力學(xué)在高中物理和大學(xué)物理中均占有很重要的位置，力學(xué)也是學(xué)習(xí)其他理工科類專業(yè)課程的基礎(chǔ)，因此本文以力學(xué)為例來分析如何從高中物理銜接到大學(xué)物理。

一、課程介紹

大學(xué)物理是理工科學(xué)生所學(xué)課程的一門公共基礎(chǔ)課，大部分學(xué)校需要兩學(xué)期完成學(xué)習(xí)。大學(xué)和高中物理課程內(nèi)容相似，由于教學(xué)規(guī)定，高中物理學(xué)習(xí)分為必修部分和選修部分；大學(xué)生在學(xué)習(xí)與高中必修部分有關(guān)的知識點(diǎn)時，更容易掌握新的知識，但是涉及到高中物理選修部分知識點(diǎn)時會感到困惑，并且難以用高等數(shù)學(xué)方法解決物理問題。因此，大學(xué)物理教師在教學(xué)時需要由淺入深，在高中物理基礎(chǔ)上有效銜接到大學(xué)物理。

二、大學(xué)物理與高中物理力學(xué)的不同點(diǎn)

高中物理和大學(xué)物理力學(xué)的知識范圍不同[1]。在高中物理力學(xué)中需要學(xué)習(xí)萬有引力定律，但是大學(xué)物理力學(xué)部分去掉了這一知識點(diǎn)；而大學(xué)物理力學(xué)部分增加了一些新的內(nèi)容，如為了描述物體轉(zhuǎn)動時候的物理量引入了剛體，為了研究剛體的運(yùn)動情況推導(dǎo)出了剛體定軸轉(zhuǎn)動時角動量守恒定律。

高中物理力學(xué)解決特殊情況下的物理問題，大學(xué)物理力學(xué)需要解決普遍情況下的物理問題。高中物理力學(xué)遇到的問題一般都是理想情況，而且規(guī)律比較簡單；而大學(xué)物理力學(xué)中遇到的問題比較普遍，沒有太多規(guī)律，需要考慮的物理?xiàng)l件比較繁雜。如高中力學(xué)會遇到理想情況勻速圓周運(yùn)動，只需要考慮質(zhì)點(diǎn)的向心力，可以根據(jù)公式進(jìn)行求解。但是大學(xué)物理力學(xué)中的圓周運(yùn)動較為復(fù)雜，需要考慮質(zhì)點(diǎn)切向方向受到的力和法向方向受到的力，可以根據(jù)公式進(jìn)行求解；當(dāng)切向方向所受的力為0時，一般圓周運(yùn)動可變?yōu)閯蛩賵A周運(yùn)動，所以勻速圓周運(yùn)動是一種特殊物理問題。

高中物理力學(xué)中需要用到初等數(shù)學(xué)方法，大學(xué)物理力學(xué)中需要用到高等數(shù)學(xué)方法。在大學(xué)物理力學(xué)中研究的是普遍情況下的物理問題，物體的受力以及運(yùn)動情況更復(fù)雜，需要應(yīng)用高等數(shù)學(xué)知識來解決問題，經(jīng)常會用到矢量運(yùn)算和微積分方法。如在求解勻變速直線運(yùn)動的位移表達(dá)式時，高中解法是作圖法：如圖1先把物體的v-t圖像畫出來，然后把物體的運(yùn)動過程分成許多小的時段，每個小的時段可以看作勻速直線運(yùn)動，每個小時段矩形的面積可看作這一時間段的位移，所有小時段的面積之和就代表整個過程的位移，因此梯形面積就代表當(dāng)加速度為a時，從0（此時速度為V0到t這段時間間隔的位移，梯形面積可表示為：

而大學(xué)的解法應(yīng)用了微積分方法，在勻變速直線運(yùn)動中，當(dāng)加速度為時，從0（此時位移為）到t這段時間間隔的位移可用以下方法求解：

當(dāng)為0時，上式可化為高中物理力學(xué)中勻變速直線運(yùn)動位移表達(dá)式，兩者推導(dǎo)方式不同，但是結(jié)論卻一致。

高中物理力學(xué)分析解釋物理現(xiàn)象，大學(xué)物理力學(xué)分析物理本質(zhì)。由于高中學(xué)習(xí)的物理知識比較簡單，學(xué)生只需要了解物理現(xiàn)象并能夠用具體的物理公式計(jì)算物理問題；但在大學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生要對物理知識進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，要會通過現(xiàn)象分析本質(zhì)，并且能夠解釋物理現(xiàn)象以及推導(dǎo)相關(guān)物理知識。如狹義相對論的時間間隔相對性，高中學(xué)生只需要了解在不同的慣性參考系中測得兩件事情的時間間隔是不同的，并且會用公式簡單計(jì)算不同情況下的時間間隔；但大學(xué)生則明白為什么不同的慣性參考系中測得兩件事情的時間間隔不同，還要掌握時間膨脹公式的推導(dǎo)，并且能夠用時間膨脹知識解釋一些典型例子，如雙生子佯謬。

三、高中物理力學(xué)到大學(xué)物理力學(xué)的銜接方法

由于高中和大學(xué)力學(xué)的知識范圍、知識普遍度、使用數(shù)學(xué)方法的不同，導(dǎo)致理工科大學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理力學(xué)時會感到困惑、學(xué)習(xí)興趣下降，從而影響后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)。為了解決這些問題，需要大學(xué)物理教師在教學(xué)中采用有效措施來進(jìn)行銜接。

（一）由高中物理力學(xué)知識引出大學(xué)物理力學(xué)知識進(jìn)行銜接

在高中和大學(xué)階段有一些共同的物理力學(xué)知識點(diǎn)，在高中需要掌握特殊情況下恒量之間的關(guān)系，在大學(xué)物理力學(xué)中這些知識由恒量之間的關(guān)系變?yōu)樽兞恐g的關(guān)系。教師在講解這些共同知識點(diǎn)的時候，可以先回憶高中物理力學(xué)中相關(guān)知識點(diǎn)，然后再引出大學(xué)物理力學(xué)中的知識點(diǎn)，恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)行兩個階段的同一種知識點(diǎn)的比較，合理的進(jìn)行教學(xué)的銜接，加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解[2]。比如高中物理力學(xué)和大學(xué)物理力學(xué)中動能定理的表述相同，在高中物理力學(xué)中，動能定理應(yīng)用于恒力沿著直線做功，求解過程比較簡單；但在大學(xué)物理力學(xué)中，動能定理應(yīng)用于變力沿著曲線做功，在求解過程中會用到微積分知識和矢量運(yùn)算知識；通過高中和大學(xué)相同知識點(diǎn)的比較，學(xué)生會對動能定理中的變量有深刻的理解。教師在講解共同知識點(diǎn)的時候，通過講解兩個階段同一知識點(diǎn)的不同之處，使學(xué)生意識到大學(xué)物理知識的廣泛性，能夠應(yīng)用大學(xué)物理力學(xué)知識解決更加復(fù)雜的物理問題。

在大學(xué)物理力學(xué)中會學(xué)習(xí)一些新的知識，比如剛體力學(xué)部分。教師在講解新增知識點(diǎn)的時候可以與已經(jīng)學(xué)過的知識點(diǎn)進(jìn)行比較，如講解剛體力學(xué)部分可與質(zhì)點(diǎn)力學(xué)部分進(jìn)行比較，由質(zhì)點(diǎn)推導(dǎo)出剛體的概念以及相關(guān)運(yùn)動規(guī)律。質(zhì)點(diǎn)是一個理想物理模型，它忽略物理的大小和形狀，當(dāng)物體的大小和形狀不能忽略，如輪子的轉(zhuǎn)動、地球的自轉(zhuǎn)，該如何建立理想物理模型呢？如果忽略掉物體的形變，就可以把物體抽象為剛體，剛體也是一種理想模型。教師通過舊知識點(diǎn)引出新知識點(diǎn)，使學(xué)生更容易理解新知識點(diǎn)。

（二）加強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用高等數(shù)學(xué)方法來解決物理力學(xué)問題的能力

隨著學(xué)習(xí)的深入，力學(xué)的物理模型由一般情況變成普通情況，物理量由恒量變成變量，因此需要用微積分方法去解決實(shí)際問題。大學(xué)生在大一已經(jīng)學(xué)習(xí)過了微積分，但是側(cè)重點(diǎn)在數(shù)學(xué)計(jì)算上，很難把微積分和物理問題聯(lián)系起來，因此教師在教學(xué)時需要把物理中的極限概念講透，多用微積分方法來做題，培養(yǎng)學(xué)生用微積分解決問題的能力。微分在物理學(xué)中常常以微元的形式出現(xiàn)，比如質(zhì)量元、電荷元、位移元，因此在解決力學(xué)問題時需要先選取合適的微元量，然后再進(jìn)行積分，教師要引導(dǎo)學(xué)生深刻理解物理中微元量的意義。以轉(zhuǎn)動慣量的求解為例，如圖2求解質(zhì)量為m，長為l的棒，繞端點(diǎn)轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)動慣量J，由于棒上不同位置距轉(zhuǎn)軸的距離不同，所以需要用微積分的方法來解決問題；由于質(zhì)量的分布具有一定的規(guī)律性，所以選取微元需要由相關(guān)規(guī)律性來決定，盡可能簡化解題過程，選取距離軸x處，長度為dx的棒為微元dx，微元dx的質(zhì)量為

在高中力學(xué)中，一般研究一維或者二維物理量，但在在大學(xué)物理力學(xué)中需要研究三維物理量，所以需要用矢量運(yùn)算去解決問題。在高中物理力學(xué)中一般會涉及到矢量的相加減運(yùn)算，而在大學(xué)物理力學(xué)中，由于物理模型的復(fù)雜性，需要更復(fù)雜的矢量運(yùn)算來解決問題[3]。學(xué)生剛接觸大學(xué)物理力學(xué)時很難形成用矢量方法來解決問題的習(xí)慣，因此需要教師在教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用矢量運(yùn)算的意識，放慢教學(xué)節(jié)奏引導(dǎo)學(xué)生了解矢量的概念、如何書寫矢量、熟練運(yùn)用矢量運(yùn)算。比如在講解剛體力學(xué)中的力矩時，詳細(xì)的介紹矢量的表示方法、矢量叉乘的法則，再介紹判斷矢量叉乘結(jié)果方向的右手螺旋法則，通過詳細(xì)的教學(xué)過程打破學(xué)生在高中時形成的思維習(xí)慣并接受新的方法。

（三）由物理現(xiàn)象引出物理規(guī)律

隨著物理力學(xué)知識的難度升高，學(xué)生難以理解新的知識點(diǎn)，教師在教學(xué)中可借助生活中的物理現(xiàn)象進(jìn)行講解。如在學(xué)習(xí)剛體的定軸轉(zhuǎn)動角動量守恒定律時，可借助花樣滑冰運(yùn)動員的表演進(jìn)行講解，當(dāng)運(yùn)動員抱緊雙臂、腿收攏轉(zhuǎn)動速度就會加快，當(dāng)運(yùn)動員手腳張開轉(zhuǎn)動速度就會減慢。為什么會發(fā)生這種現(xiàn)象？在學(xué)習(xí)剛體的定軸轉(zhuǎn)動角動量守恒定律后就明白，當(dāng)運(yùn)動員抱緊雙臂、腿收攏時轉(zhuǎn)動慣量減少、轉(zhuǎn)動速度變大，而當(dāng)運(yùn)動員手腳張開時轉(zhuǎn)動慣量變大、轉(zhuǎn)動速度變小。教師通過具體的物理現(xiàn)象，加深了學(xué)生對物理規(guī)律的理解。

四、結(jié)語

本文從知識范圍、知識普遍程度、運(yùn)用數(shù)學(xué)方法三方面分析了大學(xué)物理與高中物理力學(xué)的不同點(diǎn)，結(jié)合具體的例子進(jìn)行比較。為了更好的在教學(xué)中從高中物理銜接到大學(xué)物理，教師在教學(xué)過程中要由易到難，由高中物理知識引出大學(xué)物理知識，由物理現(xiàn)象引出物理規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用高等數(shù)學(xué)方法解決問題的能力；同時，還需要充分考慮學(xué)生的物理基礎(chǔ)，使學(xué)生能夠從高中物理知識過渡到大學(xué)物理知識。

參考文獻(xiàn)：

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[3]曹海霞.淺談大學(xué)物理與中學(xué)物理教學(xué)的有效銜接[J].物理教師，2021，42（10）：25-29.

基金項(xiàng)目：2023年山西省高等學(xué)校一般性教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目課題，項(xiàng)目名稱：基于OMO的大學(xué)物理同步教學(xué)探索與研究，（項(xiàng)目編號：J20231508）

作者簡介：

張蝶（1994.9-），女，漢族，山西長治人，碩士，助教，研究方向：凝聚態(tài)物理；

郝銀萍（1983.5-），女，漢族，山西太原人，博士，副教授，研究方向：新能源利用；

李紅玉（1992.10-），女，漢族，山西臨汾人，碩士，講師，研究方向：理論物理；

閆強(qiáng)（1991.8-），男，漢族，山西大同人，碩士，講師，研究方向：新能源利用；

李彥榮（1992.1-），女，漢族，山西臨汾人，碩士，講師，研究方向：凝聚態(tài)物理。