运动学概念和规律的教学思考

摘 要：运动学概念和规律是高中物理教学的起点内容。与初中物理相比，这些知识在理性分析、逻辑思维和定量要求等方面都提升到了一个新的高度，是整个高中物理的基础内容。教学中，教师要注重基础知识的教学，循序渐进，引导学生建立运动学的概念体系，让学生了解运动学规律的数学结构，并提升他们对运动学知识的宏观理解和架构能力，从而有效培养学生的运动学观念，提升他们的物理核心素养。

关键词：核心素养；物理观念；运动学概念；运动学规律；数学结构

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》指出，物理观念的课程目标是形成三个主要的物理观念，能用其解释自然现象和解决实际问题。［1］高中物理课程的教学目的，不是让学生仅仅获得一些堆砌的知识，而是要让学生构建一个优化后的高中物理知识系统结构，这样才能有效地形成物理观念。物理观念不是概念和规律的简单堆砌，而是对概念和规律的提炼和升华，即把概念和规律提炼组合成一个有逻辑的、合理的知识系统，使其成为解决实际问题的关键视角，成为分析物理问题的思维指南。［2］

在自然界和生活中运动现象随处可见，对运动的研究是物理学产生与发展的一个重要起点。从逻辑结构来看，力学是物理学的基础，运动学又是力学的基础。因此，学习物理应当从学习运动学知识开始。在人类文明几千年的历史长河中，尽管人类对运动的朴素理解往往是潜意识的，但这种理解却根深蒂固，以至于每一个初学者都难免会遇到难以轻易跨越的认知障碍。［3］学生对运动学概念和规律的理解通常不够清晰、不够深入，这在一定程度上影响了自身对正确运动观念的形成和发展。本文总结了运动学概念体系和规律的数学结构，以期为教学实践提供有益的参考。

1 运动学概念体系

运动学概念体系如图1所示。机械运动是指物体的空间位置随时间的变化，这一表述明确了我们所研究问题的物理情境。在该情境中，研究对象是由宏观物体抽象化后建立的理想模型——“质点”。这些概念都是从直观、感性和定性的角度出发的，为描述运动现象奠定了基础。为了从抽象、理性和定量的层面进一步刻画运动，我们需要构建一套完备的运动学物理量体系。首先，在参考系上建立时间轴和坐标系，用来确定物体在某时刻所处的位置，这是运动学的核心问题；然后，用位移描述在某段时间内位置坐标的变化，将位置坐标（位置矢量，以下简称位矢）的变化率定义为速度，将速度的变化率定义为加速度，这一过程彰显了比值定义法和极限思想。对运动学概念的理解，有以下几个问题值得深入思考。

1.1 平动的物体是否都可以看作质点

2019年人教版高中物理必修第一册（以下简称“新教材”）中通过举例指出，要准确地描述物体的运动，并不是一件容易的事。随后又列举了可以把物体看作质点的三种情况：第一种情况是物体上各点的运动差异很小，可以忽略物体的大小和形状；第二种情况是不研究各点的运动差异，而只关注物体整体的运动；第三种情况是物体上各点的运动情况完全相同，物体上任意一点的运动完全能反映整个物体的运动，即平动的物体。［4］

有一个长期存在争议的问题——火车过桥时能否将火车看作质点。一方面，要计算火车过桥的时间，那么必须考虑火车自身的长度，从这个角度来看，不能将火车看作质点；另一方面，火车整体是平动的，从上述第三种情况来看，可以将火车简化为一个质点。这样的矛盾该如何化解呢？

事实上，该争议无法统一的原因是各自的侧重点不同。在这个问题中，不仅有运动学问题，还有几何学问题。从运动属性看，可以用一点来代替火车整体的运动；而从几何属性看，火车的长度并非次要因素，不能忽略。也就是说，平动的火车的运动属性可以用质点描述，而几何属性不可以用质点描述。新教材编写很严谨，其在表述平动的物体可以看作质点前加了一句话：“从描述运动的角度看”，并且指出“一个物体能否看成质点是由所要研究的问题决定的”。［5］

1.2 参考系是否只是作为参考的物体

自然界中的一切物体都处于永恒的运动中，就哲学意义而言，运动是绝对的。然而，当我们具体描述某一物体的运动时，这种描述总是相对于其他物体而言的，即物理学中研究的是相对运动。任何物理过程都是在特定的空间和时间中发生的，为了定量地描述物体的运动，除了要选定参考物之外，还必须有计时装置（如时钟）。参考物和与之固连的时钟的组合称为参考系，习惯上我们常把参考物称为参考系，且不必特别指出与之相连的时钟。经典力学的基础是绝对时空观，即时间是连续的、均匀的、不停流逝的，空间也是连续的、均匀的、各向同性的，而且物质、时间和空间彼此无关。因此，我们在描述运动时，可分别独立地选择空间坐标系和时间坐标轴，即时间的描述与所选择的空间坐标系无关。［6］

1.3 速度是否是位移对时间的变化率

新教材中明确区分了“位置”和“位移”这两个完全不同的物理量。［7］位置和时刻是对应状态的物理量，位移和时间是对应过程的物理量。新教材从一开始就向学生渗透关于状态和过程的认识，这对学生正确理解相关概念和规律很有益处。质点沿直线运动时，在直线坐标系中，x表示位置，位置的变化

不少资料把物体初始位置不在坐标原点的“位置－时间”图像也称为“位移－时间”图像，这是一种典型的错误。新教材开宗明义地把“x-t”图像称为“位置－时间”图像，并且明确指出：只有将物体的初始位置选作坐标原点时，位置与位移大小才相等，“位置－时间”图像才可以叫作“位移－时间”图像。

2 运动学规律的数学结构

学生在初中物理阶段主要学习匀速直线运动的相关知识，其中只涉及三个物理量（v，t，x），关系式比较简单。在高中物理阶段，由于匀变速直线运动问题中物理量的数量增加，导致物理规律错综复杂。因此，运动学问题的情境变化多端，学生难以灵活运用规律来解决问题，这是学生学习高中物理的困难所在，会影响他们学习的信心。为了帮助学生解决这一问题，教师需要引导学生从数学结构角度深入理解运动学规律。

匀变速直线运动规律一共涉及五个物理量（v₀，a，t，v，x），这些规律都是由速度和加速度两个物理量的定义式通过代数变形和推导得出的，而不是建立在实验基础上的科学定律，因此其正确与否无需实验来检验。虽然这些规律只是通过简单代数变形和推导得出的，但它们的物理意义和适用范围却发生了根本性的变化，这些规律在本质上反映了物理量（变量）之间的函数关系。

设t₀，x₀，v₀为运动的初始条件。

匀变速直线运动规律的数学结构如图2所示。其中要特别注意平均速度公式的定义式和推论的适用条件的差异，定义式普遍适用，而推论只适用于匀变速直线运动。

3 结语

本文深入探讨了运动学概念和规律在高中物理教学中的核心作用，旨在为学生学习高中物理打下坚实的基础。我们明确了质点、参考系、位移、速度、加速度等关键概念，并通过实例解析和理论阐述，帮助学生理解这些概念在运动分析中的应用。特别是，我们详细剖析了匀变速直线运动规律的数学结构，展示了物理量之间的内在联系，并教授了“知三求二”的解题原理，使学生能灵活应对各类运动学问题。本文的研究不仅丰富了运动学教学的理论内容，更为教学实践提供了有效指导。通过循序渐进的教学方法，我们帮助学生逐步建立起运动学的概念体系，提升他们的物理逻辑思维和定量分析能力。这不仅有助于学生在高中物理学习中取得优异成绩，更为他们未来在物理领域的深入探索与应用奠定了坚实的基础。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：5.

［2］人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研发中心.普通高中教科书（人教版） 教师培训手册 物理［M］.北京：人民教育出版社，2020：160-162.

［3］赵凯华，张维善.新概念高中物理读本 第一册［M］.北京：人民教育出版社，2006：12-13，15-16.

［4］［5］人民教育出版社 课程教材研究所 物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书 物理 必修 第一册［M］.北京：人民教育出版社，2019：11-13.

［6］郑永令，贾起民，方小敏.力学（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2002：3.

［7］漆安慎，杜婵英.普通物理学教程 力学（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2005：18.

［8］教育部师范教育司.高中物理专题分析 运动学［M］.北京：人民教育出版社，1999：8-21.