高中“二、二、三”力学体系结构的建立

郭义超

摘 要：本文提出高中物理中以牛顿三大定律为核心的“二、二、三”力学体系结构，进一步理解牛顿运动定律在高中物理教学中的思想脉络，建立了高中物理牛顿运动定律的力学体系结构。

关健词：物理图景；基本定律；基本定理；守恒定律

中学物理教学，特别是高中物理教学，注重于培养学生的科学思维能力，而这一科学思维能力的培养则贯穿在解决物理问题的思路与方法之中。在完成高中物理力学部分教学后，就可以站在一个较高的层面上，将教材由厚到薄，给学生一个系统化的力学体系结构，向学生展现一幅十分完美的物理图景，并应用其清晰的物理图景，解决力学及其综合问题。这对于提高分析与解决物理问题的能力将是非常必要的。

综观高中力学教学，我们可以建立这样一个力学体系结构，那就是——两大基本定律、两个基本定理、三个守恒定律，可简称为“二、二、三”力学体系。体系内定理与定律之间既相互独立，又相互联系，自成一体。

一、两大基本定律：即牛顿三大定律和万有引力定律

如图1，牛顿三大定律揭示了力与运动的关系，涵盖了静力学、动力学和运动学三大部分，解决了物体的平衡、变速直线运动和变速曲线运动问题。

如图2，万有引力定律F万=G■揭示了任何物体间的相互吸引力，是一种场力。由于引力常量G极小，仅在质量m1或m2很大时才考虑，常用于解决天体运动问题。一般情况下，对于有关天体的匀速圆周运动：F万=F向，mg=F向，F万=mg。

物体在星体表面上，受到星体对它的万有引力一部分提供给物体随星体自转的向心力，剩余部分就是星体对物体的重力：F万=F向+mg。在地球的两极，自转加速度最小，重力加速度最大；在赤道，自转加速度最大，重力加速度最小。一般情况下，由于物体随星体自转的向心力很小， F万≈mg。

二、两个基本定理：即动量定理和动能定理

如图3，动量定理∑I=P2-P1，揭示了物体所受合外力对时间的积累效应；动能定理∑W=EK2-EK1或∑W′=E2-E1，揭示了物体所受合外力对空间的积累效应。所以，两个基本定理揭示了力与时空的关系。我们可以对一个研究对象，从状态1至状态2的变化过程，由动量定理或动能定理列方程求解问题。

三、三个守恒定律：即动量守恒定律、机械能守恒定律和能量转化与守恒定律

如图4，动量守恒定律P1=P2，适用于系统合外力为零的情况下，即：F合=0，常用于解决碰撞、相互作用等多体问题； 机械能守恒定律E1=E2（EK1+EP1=EK2+EP2）（ΔEK=-ΔEP）适用于系统除重力和弹簧弹力以外的其他力不做功或这些力做功的代数和为零的情况下，即：∑W′=0，常用于解决单体或多体运动问题；能量转化与守恒定律ΔE1=-ΔE2，是宇宙间普遍存在的定律，当能量从一个物体转移到另一个物体或从一种形式转化为另一种形式时，能的总量保持不变。

如图5，综上所述的力学体系，体系的三部分不是绝对孤立的，而是相互联系、相辅相成的对立统一体：万有引力定律揭示的是一种场力，它仍遵循牛顿三大定律；动量定理和动能定理都是从牛顿运动定律中推出的，但有其更广泛的适用范围；动量守恒定律由动量定理推出，机械能守恒定律由动能定理推出，能的转化与守恒定律则是机械能守恒定律的进一步推广。

所以，从狭义上讲，牛顿三大定律和万有引力定律是牛顿运动定律，但从广义上讲，二、二、三力学体系就是牛顿运动定律体系。展现这一完美的清晰的物理图景，犹如一幅美丽的画卷不但给人以美的熏陶，也将使高中牛顿运动定律体系的力学系统化知识得以进一步升华，从而站在一个更高的层面上去理解牛顿运动定律。

参考文献：

[1]王较过，黄小龙.基于思维导图的物理教学目标设计[J].中学物理教学参考，2013（12）.

[2]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛：青岛海洋大学出版社，2000.