大学物理教材力学部分创新实践探究

程福平 饶瑞昌

摘要：虽然现在大学物理类教材有上百种之多，但是大部分教材都大同小异，没有太多特色。本论文以饶瑞昌、时钟涛教授主编的《大学物理学（第二版）》为例，介绍了大学物理类教材力学部分的编写思路和特色，以供各位大学物理类教材作者参考。

关键词：大学物理；教材；力学

在教学中，教材具有十分重要的作用，它是教师进行教学的基本依据，也是学生获取知识的主要来源。

饶瑞昌和时钟涛主编的《大学物理学（第二版）》（上、下册）（高等教育出版社出版）在2014年被教育部确定为“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。下面仅就《大学物理学（第二版）》力学部分教材的编写谈一些创新。

一、提高起点 避免重复

力学是大学物理课程首先接触的内容，很容易发生和中学重复的情况，往往引不起学生的重视和注意，致使影响到整个大学物理课程的教学，这是多年来许多高校共同的教训。因此，教材的编写遵循“尽量避免与中学物理重复，又不跨入后续课程范围”这一原则。如：着重讨论曲线运动与变力情况，加强矢量与微积分的表述及具体应用，让学生自始至终使用微积分的处理方法。对于质点这一中学学过的理想模型，着重指出：“这种在一定条件下把研究对象抽象化为某种理想模型的方法是一种重要的科学研究方法，不这样做，我们甚至连最简単的现象也会感到难以处理甚至朿手无策。实际上，物理学的全部原理、定律都是对一定的理想模型行为的刻画，可以毫不跨张地说，没有理想模型就沒有物理学”。而对于直线运动、牛顿运动三定律、恒力情况等内容则考虑到中学已有基础，采用从简慨述或总结提高等符合教学实际方式进行编写。

对于涉及到后续课程的内容则往往点到为止，不跨入后续课程的范围。如：在表述完经典力学的平动坐标系变换后，对涉及到理论力学中的转动时则指出：“当两个参考系之间有相对转动时，它们的位矢、速度和加逨度之间的变換关係要复杂得多，对此本课程不作讨论”。

二、严密表述 简明凊晰

为使学生对物理现象和规律有全面、完整、准确的认识，对教材內容的表述必须是严谨的。如：对单个质点

几乎所有的大学物理教材将式（3-3）称为质点系的功能原理。实际上，这种叫法不够合适。因为按照一般对概念的理解，原理比定理更加普通和基本，而且一般地说原理如同基本定律那样无法从理论上来进行推证，而定理则不然，它可以由基本定律或更基本的一些定理来推证的。由此可以看出，由功能定理推导出功能原理，从逻辑上是不太适合的，对比式（3-1）和式（3-2），则将式（3-3）称为“机械能定理”更合适些，也可以考虑称为“功能定理”。又如：功是力学教学中的一个基本概念，学生在中学物理的学习中就对功的概念有了初步的理解。在大学物理教学中，随着对问题讨论的深入和扩大，要求学生对功的理解也要进一步深化。因此，明确而严密的阐述功的定义无疑是十分必要的。但是，多年来在不同的大学物理教材中常常对功的定义式

采用不同的说法，归纳起来有以下三种：

1.ds是受力F作用的物体的元位移。

2.ds是力的F作用点的元位移。

3.ds是力F作用的质点的元位移。

各种教材对功的定义在形式上虽然有以上三种不同的说法，但本质上对功的概念的理解是一致的，不同的说法只反映了定义的严密程度和适用范围的差异，并无相互矛盾之处。

首先，若力的作用对象是质点，则以上三种说法是完全一致的。

其次，若受力对象为刚体时，以上三种说法才表现出了差异。

第一种说法只适用于讨论刚体的平动（质心的运动），此时物体的位移必须理解为物体质心的位移。若刚体有转动存在，那么刚体各部分的位移都不一样，笼统的说物体的位移就不确切了。而第二种说法和第三种说法既适用于物体的平动，又适用于物体的转动，因为它们所指的位移都是力所作用的那个点（物质的点）的位移，即使物体上各点位移不同也没有关系。因为力作用在哪个点，我们就取哪个点的位移来计算功。

再者，仔细推敲一下，第二种说法和第三种说法还是有差异的。第三种说法中被作用的质点的位移是完全确定的，而第二种说法中对力的作用点的位移则可能产生两种不同的理解。因为单就“力的作用点”这个词而言，既可以理解为力所作用的那个质点，也可以理解为力所作用处的“空间点”（几何上的点而不是物质点），前一种理解与第三种说法完全一致，而后一种理解则是一种误解，在这种误解下完全可能出现力的作用对象不动，而力所作用处的空间点的位置不断改变，因而力要作功的情况。

这样，同一个力的作用在两种不同的理解下就会给出功的计算的两种不同的结果，从而出现矛盾。这后一种理解虽然是对力的作用点的一种误解，但是从字面上看却是可能出现的一种误解。因此，从这个意义上说，功的定义的第三种说法是最准确最严密的一种说法，因此，在教材编写中我们采用了第三种说法。

三、精选例题 培养能力

为觧决学生普遍感到觧答力学习题困难的问题，在教材编写中对例题、习题进行了精选，尽量选编有代表性、应用性的、难度适中的例题和习题。所用例题均是在进行详细分析的基础上进行求觧，部分例题采用多种觧法（第3章 刚体的定伷转动8个例题有3个例题是采用一题多觧）如：教材中安排如下的一道例题采用转动定律和刚体定轴转动的动能定理2种解法求解，以培养学生灵活应用知识和解决问题的能力。

四、联系实际 激发兴趣

理论联系实际有利于激发学生的学习兴趣，调动学生学习的积极性，培养学生应用理论知识分析、觧决问题的能力。编写的教材各部分有不少经过精选的例子，这些例子指出理论的实际意义，概述原理的各种应用而又不涉及过多的技术细节。如：降落伞、锻压、绳索与圆柱间的摩擦、宇宙速度与宇宙飞船、火箭飞行、重力加速度和摩擦因数以及转动惯量的测定……

五、参考文献

[1] 牛顿. 自然哲学之数学原理. 王克迪 译. 北京：北京大学出版社，2013

[2] 愛因斯坦. 爱因斯坦文集[M]. 许良英 范岱年 译. 北京：商务印书馆，1976

[3] 费曼 （R.P.Feynman）等.费曼物理学讲义（第1卷）[M]. 郑永令 等译.上海：上海科学出版社，2005

[4] 哈依金. 力学的物理基础 上、下册. 应质先，张先畴 译. 北京：高等教育出版社，1982

[5] 温伯格. 引力论与宇宙论—广义相对论的原理和应用 [M]. 邹振隆， 张历宁等 译. 北京：科学出版社，1980