大学物理力学教学中融入体育运动情境的探索*

2012-03-20邢琳

物理通报 2012年5期

邢琳

(中原工学院理学院河南郑州 450007)

1 引言

大学物理课程是高等学校理工科学生的必修课，也是一门重要的基础课.理工科学生如果能在大学期间认认真真地学好大学物理课程，不仅对于自身专业课的学习有很大的帮助，而且对于未来迈入社会也会有非常深远的影响.但是大学物理课程由于知识点多，内容跨度大，所涉及的解题方法和技巧也各不相同，因此造成理工科学生普遍感觉到大学物理课程难学、吃力、枯燥，甚至有些学生会出现逃课现象.如何提高大学生们学习大学物理的兴趣和积极性，有效地吸引他们，成为从事大学物理教学的教师们一直关注的问题.

随着我国综合实力的不断增强，很多国际性的体育比赛在我国举行，这无疑会引起大学生们对体育的广泛关注，尤其是高校理工科的男生们会更加疯狂地痴迷体育.而在各种体育运动项目中，都包含有大量的物理知识.

结合自己的教学实践，以力学部分的讲解为例，在大学物理教学中融入体育运动情境不仅传授了知识，培养了能力，还能够吸引学生，让学生结合自身的实际切实感受到物理的魅力，从而激发他们学习大学物理的兴趣.

2 大学物理力学部分的知识框架

首先来回顾一下大学物理力学部分的知识结构.在大学物理力学部分通过对研究对象的抽象，主要学习了两个理想的物理模型：质点和刚体.基于这两个理想的物理模型，又分别学习了两类问题：运动学问题和动力学问题.对于运动学问题主要学习了物体的位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度等；而对于动力学问题首先学习了物体的受力和力矩.接下来的知识点便是把物体的受力和力矩与运动学问题有机关联起来的一些定律或者定理，如联系力与加速度的牛顿第二定律、联系力矩与角加速度的转动定律等.此外，再深入一步，联系二者的知识点分别有质点和质点系的动量定理、动量守恒定律、质点和质点系的动能定理、质点系的功能原理、机械能守恒定律、能量守恒定律、刚体定轴转动的角动量定理、刚体定轴转动的角动量守恒定律、刚体绕定轴转动的动能定理等.

3 大学物理力学教学中融入体育运动情境

尽管大学物理力学部分知识点的脉络很清晰，但是涉及到知识点的讲解是有技巧的.鉴于力学部分的内容与实际生活结合比较密切，因此笔者就把体育运动情境融入到物理知识的讲解中.通过展示丰富多彩、生动的体育情境，为学生尽可能地提供直观的物理事实和现象，让学生结合所学的物理知识进行分析、判断和综合，在课堂上更能发挥学生们的积极主动性，从而加深对所学物理内容的理解，下面举一些教学实例加以说明.

3.1 质点

质点是大学物理力学部分学习的第一个知识点.如果研究某一物体的运动，而可以忽略其大小和形状对物体运动的影响，若不涉及物体的转动和形变，就可以把物体当作是一个具有质量的点(即质点)来处理，因此质点是一个理想的物理模型.为了让学生们更深刻地理解该知识点，可结合一些体育比赛的例子，例如让大家思考帆船比赛中如何确定帆船在大海中的位置，铅球比赛中研究铅球被掷出后在空中的飞行时间，求解跳水运动员完成空中动作的时间等，从学生熟悉的、感兴趣的体育项目出发，明确所提问题研究的是什么，分析物体的大小和形状对所研究的问题有什么影响，就可以很好地帮助学生们深刻地理解物理的基本概念和思想，从而取得良好的教学效果.

3.2 位移路程速度加速度

在大学物理中位移、速度、加速度都是矢量，这是和高中学习不一样的地方.为了体会位移与路程、速度与速率的区别，可引入100 m和200 m的短跑体育项目情境，基于标准跑道的形状和周长，学生可轻而易举地区别位移与路程、速度与速率等知识点；还可以引入推铅球、掷铁饼、掷标枪等运动项目情境，在重力作用下，铅球、铁饼和标枪做的是抛物线运动，其运动轨迹是物体的路程，而投掷点与落地点的连线便是物体的位移，进而也可以求解物体的运动速度、速率、平均速度等物理量.

3.3 牛顿第一定律

牛顿第一定律又称惯性定律，其描述为：任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态，直到外力迫使它改变运动状态为止.对于惯性，在体育比赛中也是常见的，比如掷铅球时铅球离开手后仍能向前运动，短跑运动员冲线后又向前跑几步，跳远时运动员要助跑等.

3.4 摩擦力

摩擦力在日常生活中可谓是无处不见，但是摩擦产生的影响通常有利弊两个方面，因此要尽可能地趋利避害，有时需要设法增大摩擦，有时又需要设法减小摩擦.在体育运动中这样的例子也有很多，比如，举行拔河比赛时运动员常穿上比较新的运动鞋而且不希望地面上有沙子；体操运动员在做体操前或举重运动员举杠铃前，常在手掌心或器械上抹一些镁粉；运动员跑步穿钉鞋等这些操作都是为了增大摩擦力，从而赢得比赛；而在游泳比赛中，运动员穿鲨鱼衣或者刮体毛等这些操作都是为了减小运动员游动时的摩擦力，从而为运动员赢得比赛时间.

3.5 弹性力弹性势能

弹性力是由物体形变而产生的.在体育运动中，常会看到一些射箭项目，其中弓和箭的运动就可以由弹性力和弹性势能得以很好地解释.比如运动员拉弓射箭时，弓首先发生弹性形变，从而具有弹性势能，同时箭会受到来自于弓的弹性力作用.当运动员松手时，箭被射出，具有动能，这是由于弓的弹性势能转化成了箭的动能.在该转化过程中，由于只有弹性力做功，因此该过程还满足机械能守恒定律；此外，在体育运动中，还常会看到在撑杆跳高时，运动员要努力使杆的形变更大，这主要是撑杆的形变越大具有的弹性势能就越大，从而使运动员能上升的高度就更高；再比如网球拍、羽毛球拍要用弹性好的材料做成，弹性好的材料能按照运动员的要求产生需要的弹性势能，从而使球具有足够的动能.

3.6 动量守恒定律

动量守恒定律是物理学中最普遍、最基本的一个重要定律，也是理工科大学生应该掌握的一个重要定律.它的表述为：当系统所受合外力为零时，系统的总动量将保持不变.在花样滑冰场上常会看到两名运动员在滑冰表演刚开始时他们静止不动，随着优美音乐的响起，他们相互猛推一下后分别向相反方向运动，二者均获得了一定的速度.经分析可知该过程满足动量守恒定律，这是因为二者的相互作用力属于质点系的内力，对整个质点系来讲，系统所受的合外力为零，因此系统的总动量守恒.

3.7 机械能守恒定律

在只有保守内力做功的情况下，质点系的机械能保持不变，这就是机械能守恒定律.该定律也是理工科大学生应该掌握的一个重要定律.保守力通常有重力、引力和弹性力.在体育运动中，满足机械能守恒定律的运动有很多，比如，如果不计空气阻力，跳水运动员在入水之前的过程、跳高运动员在起跳后的过程、篮球运动员在球出手后的运动过程等.

3.8 刚体

如果在外力作用下，物体的形状和大小不发生变化，这种理想化的物体就叫做刚体.显然，在大学物理力学教学中，刚体是质点之外的又一个理想模型.众所周知，几乎所有的体育运动都是由运动员身体动作组成的，因此在对人体动作进行分析时就需要忽略人体或人体关节的大小和形变，把人体或人体关节抽象为刚体.基于此理想模型的建立，就可以研究组成肢体的各刚体的平动或者绕关节的转动.

3.9 角动量守恒定律

如果物体所受的合外力矩等于零，或者不受外力矩的作用，物体的角动量保持不变，这叫做角动量守恒定律.它也是自然界的一个基本定律，有许多现象都可以用角动量守恒来说明.例如跳水运动员和体操运动员围绕身体的横轴转动，花样滑冰运动员围绕身体转体的旋转动作等都可由该定律很好地解释.这里需要注意的是在对运动员进行动作分析时，需要先把运动员的身体看作一个刚体.

当然还有很多的物理知识可以从体育运动方面来解读，教师需要多观察、多思考、多积累，做个有心人.通过灵活运用体育运动，对与之相关的物理知识进行深入浅出的分析和讲解，不仅能够帮助学生正确地理解物理概念，还能够增强学生学习的兴趣，达到良好的教学效果，从而提高教学质量.