学习高一物理动力学应注意的几个问题

闫学忠

【摘要】通过对学生初学高中物理遇到困难的分析入手，介绍了受力分析、矢量运算、力和运动关系、高中物理动力学知识逻辑结构等知识，让学生学会解决动力学问题一般方法和思路。

【关键词】受力分析;运动分析;矢量运算

一、准确进行受力分析是学好高中物理的关键

在高中力学这一章，学习各种力的三要素及产生条件，不能只简单记忆这些知识，这部分知识学习主要是为进行受力分析做准备的。受力分析是整个动力学学习的基础，受力分析错误了，后面进行力的运算会跟着错误。在高一刚学习力学时，学生在分析受力时容易出错，常出现多分析或少分析力的情况。在高中物理教材中按照力的性质分类，可分为重力、弹力、摩擦力、电场力、磁场力等。如果对物体进行受力分析时按照力的性质分类的顺序进行受力分析，把每种性质的力都分析了，这样就不会出现多分析或少分析力的情况。因此受力分析的一般方法和思路为：先分析重力，再分析弹力、摩擦力、电场力、磁场力、其他力（一般为人为的力）。在分析物体是否受到某个性质的力时，关键看是否符合该性质力的产生条件。比如在分析物体是否受到弹力时，根据弹力产生条件：接触、挤压且产生形变。首先看与被分析的受力物体接触的物体有几个，他们之间是否有因挤压而产生形变，就可以确定物体受到几个弹力。受力分析的方法可总结为：按照力的性质分类顺序，根据各力产生条件对物体进行受力分析。一句话：一重（力），二弹（力），三摩擦（力），四电场（力），五磁场（力），六其他（人为力）。按照这个方法初学受力分析时会感到复杂，形成习惯后就会感到方便，且不容易出错。

例1：根据图1情景，A、B、C三个物体上下叠放墙角处，三者都处于静止平衡状态，地面是水平光滑的，其他各接触面都是粗糙的，则下列说法正确的是（）

A.A与墙面间存在压力

B.A与墙面间存在静摩擦力

C.A物块共受4个力作用

D.B物块共受4个力作用

解析：运用整体法和隔离法逐步进行分析，第一步把A、B、C三个物体看作一个整体：按照力的性质分类顺序，先分析整体受到重力G总，整体与地面和墙面接触，整体可能受到两个弹力，即地面支持力和墙面支持力。根据弹力产生条件：接触且挤压形变，整体中C与地面之间有挤压形变，所以地面对C有向上的支持力。水平方向上：整体处于平衡状态，地面光滑，地面对C没有摩擦力，根据力的平衡条件得知，墙对A没有支持力。再根据静摩擦力产生条件可知：A与墙面间没有相对运动趋势，A与墙面也不存在静摩擦力，故A、B错误。第二步以单个物体A为研究对象，对A物块进行受力分析：先分析A受到重力，A与B接触，根据弹力和静摩擦力产生条件，B对A有支持力和B对A有摩擦力作用，故A受到三个力的作用，所以C是错误的。第三步对C进行受力分析：先分析C受到重力，C与B和地面接触且挤压形变，根据弹力产生条件，C受到B的压力和地面支持力。由于C与地面之间无摩擦力，再根据平衡条件，所以B与C之间无摩擦力。最后对B进行受力分析：先分析B受到重力，B与A和C接触且挤压形变，B受到A的压力和C的支持力，同时B对A有摩擦力作用。故D正确。

二、学会矢量运算，做好初高中衔接

准确对物体进行受力分析后，下一步是通过力的运算解决动力学问题。力的矢量运算分为同一条直线上力的运算和互成角度力的运算。1.当两个或多个力在同一条直线上进行矢量运算时，首先规定正方向，如果力的方向与规定正方向相同时，计算时取正值;如果力的方向与规定正方向相反时，计算时取负值。最后运用数学代数和求出合力。当求得合力的值为正值时，说明合力的方向与规定的正方向相同;当合力的值为负值时，说明合力的方向与规定的正方向相反，合力的正负仅仅表示方向。2.对两个或多个不在同一条直线上（即互成角度）的力进行运算时，应遵循平行四边形法则、三角形法则、正交分解法等矢量运算法则。这里只重点讲讲正交分解法的使用。正交分解法主要分为以下几个步骤：第一步，以物体受力点为原点O画相互垂直的x轴、y轴，建立一个直角坐标系。建立直角坐标系遵守原则：当物体处于平衡状态时，建立直角坐标系时使尽可能多的力落在坐标轴上;当物体处于非平衡状态或运动时，建立直角坐标系时，使x轴或y轴与物体运动方向或加速度方向重合。第二步，将不在坐标轴的已知力，沿着x轴、y轴分解在坐标轴上，计算出各个分力的大小。第三步，分别求出两个坐标轴（同一条直线）上的合力Fx、Fy。第四步，利用勾股定理求出物体受到的合力。

三、正确建立物理模型，方便定量计算

初中物理主要要求学生定性描述物理规律和物理现象，给出合理解释。高中物理增加了从定量计算方面对物理问题进行计算，形成结论。因此有必要对高一新生强化物理模型建构意识，从而简化物理过程，便于进行复杂的物理运算。

从定性分析到定量计算是一步非常大的跨越，也是高中物理和初中物理的一个非常大的不同，如果不能引导学生处理好这个问题，会给高一学生学习物理造成非常大的困难。在研究动力学问题时，实际生活中物体受力和运动情况很复杂，在不影响分析主要问题情况下，忽略次要因素，抓住主要矛盾，把物体理想化为一个点或把复杂物体运动理想化为一个有规律的运动过程，就是物理模型构建的过程。研究物理问题时，常常把物体运动理想化为匀速直线运动、匀变速直线运动、平抛运动（类平抛运动）、匀速圆周运动等运动模型。如研究火车在平直的轨道上的运动规律时，我们忽略轨道微小的弯折和火车速度的微小变化而建构“匀速直线运动”的模型。在研究物体机械运动时，我们不考虑物体的大小和形状对运动轨迹的影响同时忽略物体自身的转动，建构了理想的“质点”模型。在研究物体在空中运动时忽略空气的阻力只考虑重力作用而建立“自由落体运动和平抛运动”的模型等，这些都是理想化模型的例子。在物理模型建构教学实践中，主要引导学生构建匀变速直线运动模型、牛顿运动定律模型、平抛运动模型以及圆周运动模型等高考重点考察的模型。在阶段性复习教学时教师应鼓励学生尝试总结归纳不同物理模型的主要解题架构。例如，匀变速直线运动模型核心框架为知三求二，即知道Vt、V0、a、x和t任意三个物理量即可求解一段匀变速直线运动的其余两个物理量。

四、准确把握好高中物理动力学知识逻辑结构

要想学好高中物理动力学知识，就要站在整册书的高度，了解高中物理教材编者意图和思路，掌握整册书知识逻辑结构。高一物理课本第一章内容为运动的描述;第二章内容是匀变速直线运动的研究，这两章讲的是运动学基本概念和基本运动规律有关知识。在第一、第二章中对学生重点培养建立理想物理模型的能力。第三章讲相互作用—力，知识包括力的概念，重力、弹力、摩擦力的大小、方向、作用点及各力产生条件。需要补充的知识有平行四边形法则、三角形法则、正交分解法等力的矢量运算法则，这章主要讲解力的有关知识。在第三章中对学生进行知识补充和能力培养的重点是教学受力分析和力的矢量运算法则。第四章内容是牛顿运动定律（运动和力关系），主要讲述力与运动关系。在高一物理知识结构中，牛顿第二运动定律是联系力学和运动学知识的桥梁，牛顿第二运动定律表达式：F=ma，公式左侧是物体受到的合力F，联系着力学知识;公式右侧含有加速度a，联系着有关运动学公式（即运动学公式中包含着加速度a）。因此牛顿第二运动定律在动力学问题中有着重要作用，牛顿第二运动定律表达式几乎是解决动力学问题必须使用的关系式。

由牛顿运动定律可知，力和运动关系具体表现为：1.物体有一定初速度，不受力或受合力为零，则物体做匀速直线运动;2.物体受恒力F且F与初速度在同一直线上，则物体做匀变速直线运动;3.物体受恒力F且F与初速度垂直，则物体做平抛运动或类平抛运动;4.物体受恒力F且F与速度方向始终垂直，则物体做匀速圆周运动。

动力学问题有两个基本题型：一是已知质点的运动，求作用于质点上的某个力;二是已知作用于质点上的力，求质点的运动情况。解这两类基本问题一般思路是：首先都要对物体进行受力分析，分析物体受到哪些力的作用;其次，对物体进行运动分析，根据物体受力和初速度关系，利用运动和力的具体表现，分析出物体的运动规律模型;最后，依次列出牛顿第二运动定律和运动学关系式，求解方程组得出物理结论。

（基金项目：本文系海南省教育科学规划一般课题“基于高中物理教材的动力学问题学困原因分析及对策”的研究成果，课题编号：QJY20201060）