淺談“運(yùn)動(dòng)量”教學(xué)的深入
山東濟(jì)寧市育才中學(xué) 張協(xié)成動(dòng)量和動(dòng)能,都是度量物體運(yùn)動(dòng)大小的物理量。而且,它們對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行度量時(shí),都只用到物體的質(zhì)量(m)和運(yùn)動(dòng)的速度(v)這兩個(gè)物理量。
動(dòng)能的概念,以及由此而引出的動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律,使人們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)更加深入;動(dòng)量的概念,特別是由此導(dǎo)出的動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律,不但適用于恒力作用情況,而且也適用于變力作用的情況,比牛頓定律具有更廣泛的適用性。在物理學(xué)知識(shí)系統(tǒng)中,動(dòng)量守恒定律有廣泛的適用范圍,除力學(xué)外還涵蓋物理學(xué)中的聲、光、熱、電、原子物理學(xué)等,是物體相互作用所遵守的法則,也是自然界重要的規(guī)律。也就是說(shuō),動(dòng)能和動(dòng)量的概念,以及由此而引出的動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律、動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律,一方面使牛頓力學(xué)的范疇得到了進(jìn)一步的擴(kuò)展,另一方面為人們解決力學(xué)問(wèn)題,開(kāi)辟了與牛頓定律相并行的三大途徑。因此,動(dòng)量和動(dòng)能的概念是力學(xué)的重點(diǎn),也是高中物理教與學(xué)的重點(diǎn)。
但是,為什么既要引入動(dòng)量,又要引入動(dòng)能呢?動(dòng)量和動(dòng)能,究竟有什么區(qū)別,這是高中物理教學(xué)中,經(jīng)常被人們忽視的一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。在動(dòng)量和動(dòng)能這兩個(gè)概念的教學(xué)中,若只講動(dòng)量和動(dòng)能在公式表述形式上的區(qū)別,而不講它們?cè)谘芯繉?duì)象和物理本質(zhì)上的異同,其結(jié)果是學(xué)生雖然會(huì)解題了,但他們卻不知道為什么要這樣解題。因而,我們的物理教學(xué),不能只孤立地給學(xué)生講一些支離破碎的物理知識(shí),而應(yīng)該給他們構(gòu)建一個(gè)完美的、自洽的物理體系,讓他們?cè)趯W(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律時(shí),不僅要知其然,而且要能知其所以然。為此,筆者把動(dòng)量和動(dòng)能這兩個(gè)概念的教學(xué),分為三個(gè)步驟,使教學(xué)不斷深入。
一、按現(xiàn)行教材的編排順序,分別系統(tǒng)地講解學(xué)習(xí)動(dòng)量和動(dòng)能的概念
其實(shí),用速度描述物體“運(yùn)動(dòng)的多少”,是最容易被人們接受的思想。但是,大量的事實(shí)也使人們認(rèn)識(shí)到,對(duì)物體的作用效果不但要考慮物體的速度,還要考慮它的質(zhì)量。假設(shè)與子彈同等速度射出的一粒芝麻,衣裳即可將其擋住,但如果是子彈則不行。通過(guò)列舉此類現(xiàn)象及學(xué)生實(shí)驗(yàn),啟發(fā)他們思考,在物體的質(zhì)量一定的條件下,物體的速度越大,其運(yùn)動(dòng)量越大;在運(yùn)動(dòng)速度一定的條件下,物體的質(zhì)量越大,其運(yùn)動(dòng)量也越大。這就是說(shuō),用質(zhì)量(m)和速度(v)這兩個(gè)物理量的乘積,來(lái)反應(yīng)物體的運(yùn)動(dòng)量,是一種更科學(xué)的度量方法,從而引出動(dòng)量的概念。
對(duì)于動(dòng)量概念的引入,也可以在牛頓第二定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)速度公式的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出力對(duì)時(shí)間的累積規(guī)律
從數(shù)量關(guān)系上分析上式:要使質(zhì)量一定、原來(lái)運(yùn)動(dòng)速度較小的物體獲得一個(gè)較大的速度,既可以用較大的力作用較短的時(shí)間,也可以用較小的力作用較長(zhǎng)的時(shí)間。只要力和力作用時(shí)間的乘積ft相同,這個(gè)物體都會(huì)增加相同的速度。而當(dāng)物體質(zhì)量也在變化時(shí),ft的大小則可以反映mv(質(zhì)量與速度乘積)的改變量。由此可見(jiàn),上式中力和力作用時(shí)間的乘積、物體質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度的乘積以及上式本身,都具有一定的物理意義。為此,我們引入了兩個(gè)新的物理量──沖量和動(dòng)量,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)規(guī)律──動(dòng)量定理。
相對(duì)而言,動(dòng)能的概念,利用初中的基礎(chǔ)是比較易于引入的。當(dāng)然,我們也可以通過(guò)演繹推理和數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換,在牛頓第二定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)速度公式的基礎(chǔ)上,導(dǎo)出力對(duì)位移的累積規(guī)律