問道物理——談物理概念的學(xué)習(xí)

當(dāng)以讀書通世事 2023-08-04 發(fā)布于甘肅

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摘要：很多學(xué)生覺得高中物理學(xué)習(xí)比較困難，概念多、公式多，邏輯性強(qiáng)。首先那么多的概念、公式記住就比較困難，而做到靈活運(yùn)用那更是談何容易。實(shí)際上這些所謂的困難源頭都是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的打開方式不同，沒有真正地掌握物理概念的內(nèi)涵。物理學(xué)是對(duì)物理現(xiàn)象的描述的學(xué)科，所以必須要有很多相應(yīng)的概念來作為我們進(jìn)行形式邏輯運(yùn)算的抓手。這同時(shí)也說明物理概念是人為定義的，至少是有人為參與的，概念學(xué)習(xí)是有門道的。物理概念對(duì)于物理學(xué)就如承重結(jié)構(gòu)對(duì)于建筑，骨骼對(duì)于動(dòng)物，其重要性不言自明。另一方面，這也說明掌握了物理概念的內(nèi)涵，就基本上掌握了學(xué)習(xí)物理的方法。

關(guān)鍵字：物理概念形式邏輯問道物理物理思想

我們?nèi)绻盐锢韺W(xué)的發(fā)展歷史拿過來看，就會(huì)發(fā)現(xiàn)物理學(xué)的發(fā)展與一個(gè)人從白紙一樣成長(zhǎng)成科學(xué)家的歷史。反之，這也提醒我們學(xué)習(xí)物理者要從這歷史中尋找學(xué)習(xí)物理的正確方法——問道物理。

物理學(xué)的目的是什么？是描述物理現(xiàn)象，透過現(xiàn)象總結(jié)規(guī)律得到本質(zhì)，最好能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)新的現(xiàn)象，能夠指導(dǎo)生產(chǎn)。那么問題來了，如何描述現(xiàn)象呢？對(duì)物理現(xiàn)象的描述可以是多種多樣的，什么樣的描述更利于進(jìn)一步研究呢？下面我們以一些實(shí)例來進(jìn)行討論。

1、運(yùn)動(dòng)學(xué)——機(jī)械運(yùn)動(dòng)的描述中概念的形成

在所有的物理現(xiàn)象中，機(jī)械運(yùn)動(dòng)是最常見也是最先被人類研究的物理現(xiàn)象。歷史上的科學(xué)家是如何研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)的呢？首先，觀察到這樣的一些事實(shí)（現(xiàn)象）：物體的位置會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化；對(duì)于同一個(gè)物體而言，從不同的“角度”看對(duì)其運(yùn)動(dòng)的描述是不同的，比如說坐在馬車上的人觀察一個(gè)與之同向的行人的運(yùn)動(dòng)情況與站在地面上靜止的人觀察這個(gè)行人的運(yùn)動(dòng)情況是不同的；不同物體運(yùn)動(dòng)的快慢是不一樣的；同一個(gè)物體在不同時(shí)間的運(yùn)動(dòng)快慢也會(huì)不同；有的物體運(yùn)動(dòng)軌跡是直線有的物體運(yùn)動(dòng)軌跡是曲線；有的物體只發(fā)生平移運(yùn)動(dòng)有的物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)還有的物體在平動(dòng)的同時(shí)也有轉(zhuǎn)動(dòng)……物理學(xué)家在描述物體的運(yùn)動(dòng)的時(shí)候就需要思考：①如何盡可能把運(yùn)動(dòng)描述的簡(jiǎn)潔準(zhǔn)確；②如何把運(yùn)動(dòng)中的特征描述好；③如何讓物理描述便于形式邏輯運(yùn)算。

這里，就出現(xiàn)了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的最基本的物理概念，似乎是天然存在的，實(shí)際上是人為定義的。首先就是定義機(jī)械運(yùn)動(dòng)的概念：運(yùn)動(dòng)在哲學(xué)中的概念就是“變化”，就是“矛盾的相互作用”，而機(jī)械運(yùn)動(dòng)是指物體的空間位置隨著時(shí)間的變化。這個(gè)概念似乎可有可無，因?yàn)榻^大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)物理之前沒有其他的“運(yùn)動(dòng)”概念，所以也沒有負(fù)向的運(yùn)動(dòng)概念干擾。那么，如何描述這空間位置的變化呢？物體的位置變化必然需要參考其他的物體，所以就有了參照物的概念（也叫參照系，實(shí)際上參照系是以參照物為基礎(chǔ)建立的一個(gè)空間坐標(biāo)系）。為了描述的簡(jiǎn)單，一般以地面為參照系，但是這不是必須的。需要強(qiáng)調(diào)的是參照系的選取以描述的簡(jiǎn)單為好，同一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)選取的參照系不同描述也不同。實(shí)際物體的運(yùn)動(dòng)是比較復(fù)雜的，從最簡(jiǎn)單的情況入手是最有效的策略。那么，如何把實(shí)際物體復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化呢？如果在所研究的問題中物體的形狀和大小影響較小或幾乎無影響，則可以用一個(gè)點(diǎn)來代替實(shí)際的物體，這個(gè)點(diǎn)除了沒有幾何形狀外含有原來物體的所有屬性，這就是質(zhì)點(diǎn)的概念（涉及到理想化思想）。

與運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)的就是位置和時(shí)間，位置變化和時(shí)間變化。如何描述呢？位置變化可以用從出發(fā)點(diǎn)指向終點(diǎn)的有向線段來描述，時(shí)間的變化體現(xiàn)為這個(gè)過程開始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔。為了更加準(zhǔn)確形象地描述這些概念并且防止混淆，就得到了位移（由于具有方向性這個(gè)特性，得到矢量的概念）和時(shí)刻時(shí)間間隔（用時(shí)間軸形象描述）等概念。那么，如何描述物體運(yùn)動(dòng)快慢呢？在生活中，有很多比較快慢的方法。比如在運(yùn)動(dòng)會(huì)中，觀眾可以根據(jù)看到的運(yùn)動(dòng)員在某一時(shí)刻位置來判斷哪個(gè)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)快（相同時(shí)間比位移），而裁判員則根據(jù)到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間先后來判斷運(yùn)動(dòng)的快慢（相同位移比時(shí)間）。從這生活中的方法中可以提煉出兩種比較運(yùn)動(dòng)快慢的方法：相同時(shí)間比位移和相同位移比時(shí)間。那么那種比較方法更優(yōu)呢？這種比較方法是否能夠解決所有的比較運(yùn)動(dòng)快慢的問題呢？如果僅僅是比較物體的運(yùn)動(dòng)快慢而不考慮后續(xù)的物理研究，則這兩種方案無所謂誰優(yōu)誰劣，但是直覺告訴人們，時(shí)間是均勻地流逝的，以相同時(shí)間比位移更利于后續(xù)概念的生成和物理研究。如果兩個(gè)被比較物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間既不相同運(yùn)動(dòng)位移也不相同該如何比較快慢呢？那么只需要假設(shè)兩個(gè)物體各自以相同的運(yùn)動(dòng)快慢運(yùn)動(dòng)相同的時(shí)間來比較位移就好了。為了更利于快慢比較的普遍性，這個(gè)“相同的時(shí)間”可以規(guī)定為單位時(shí)間，則在操作上具有了方便性——把一個(gè)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位移除以運(yùn)動(dòng)的時(shí)間就得到了“單位時(shí)間內(nèi)的位移”。把不同運(yùn)動(dòng)這樣操作得到的結(jié)果進(jìn)行比較，就是數(shù)值大的運(yùn)動(dòng)快。這個(gè)可以描述運(yùn)動(dòng)快慢的物理量就是速度，同時(shí)得到了求速度的公式：速度=運(yùn)動(dòng)位移÷運(yùn)動(dòng)時(shí)間（）。這里所定義的速度有個(gè)特點(diǎn)是物體運(yùn)動(dòng)快慢一直不變，而實(shí)際物體的運(yùn)動(dòng)快慢是隨著時(shí)間變化的，所以這樣定義的速度是不精確的，是粗糙的，這只能粗略說明物體在一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的快慢情況，這是平均速度。如何更加準(zhǔn)確描述物體運(yùn)動(dòng)快慢情況呢？那就要知道物體每時(shí)每刻運(yùn)動(dòng)的快慢。如何定義與時(shí)刻對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)快慢物理量呢？我們不能丟棄剛剛定義好的平均速度這個(gè)比較運(yùn)動(dòng)快慢的物理概念，而應(yīng)該在此基礎(chǔ)上看是否可以發(fā)展出滿足要求的概念（轉(zhuǎn)化思想——將未知向已知方向轉(zhuǎn)化）。實(shí)際物體運(yùn)動(dòng)快慢每時(shí)每刻都不一樣，但是在非常短的時(shí)間內(nèi)我們可以認(rèn)為這種差異是不大的，則可以用這段時(shí)間的平均速度來作為這段時(shí)間中某個(gè)時(shí)刻的速度，當(dāng)這時(shí)間選得越小則差異也就越小，這種替代就越精確。所以某個(gè)時(shí)刻的速度（瞬時(shí)速度）就是平均速度的一種極限（極限思想——讓平均值與瞬時(shí)值之間的近似替代誤差變?yōu)?）。

實(shí)際物體的運(yùn)動(dòng)常常是速度變化的，有了速度概念來描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢之后，還得要知道如何描述變速運(yùn)動(dòng)中速度變化快慢。如何描述速度變化的快慢呢？可以參考如何描述運(yùn)動(dòng)快慢（位置變化的快慢）的研究——相同時(shí)間比較速度變化量。這樣我們就容易得到了這樣的物理量：加速度=速度變化量÷所用的時(shí)間（）。當(dāng)然，有人會(huì)進(jìn)一步思考是否可以按照這樣一直定義下去得到加速度變化快慢的物理量……這可以暫時(shí)先打住，是否需要可以根據(jù)后面的研究再?zèng)Q定。

在有了這些基本的描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)的物理概念之后，就是研究具體的運(yùn)動(dòng)了。從簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)開始研究，勻速直線運(yùn)動(dòng)太簡(jiǎn)單了沒有必要進(jìn)一步研究，所以值得研究且最簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)是加速度不變的直線運(yùn)動(dòng)——?jiǎng)蜃兯僦本€運(yùn)動(dòng)。在具體的研究中，根據(jù)定義的概念，通過形式邏輯運(yùn)算得到一系列的公式（即規(guī)律、結(jié)論），還涉及到圖像表示物理意義的解決問題的思想方法。然后再研究一種地球上最常見的勻變速直線運(yùn)動(dòng)——自由落體運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)然，從知識(shí)難度角度來看，各種具體的規(guī)律、公式及其應(yīng)用是更難的。這也是老師和學(xué)生所學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。然而，概念本身的生成過程卻是更基礎(chǔ)性的，是更能夠體現(xiàn)學(xué)生邏輯思維能力的，是決定學(xué)生能否在物理學(xué)科中走得更遠(yuǎn)的。在獲得這些概念的過程中所涉及到的物理思想、科學(xué)探究的方法是學(xué)生更應(yīng)該掌握的。然而，往往老師和學(xué)生在這方面沒有太多的注意，重心全部放在勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律上，用大量的練習(xí)來鞏固對(duì)公式的掌握，而很少花時(shí)間讓學(xué)生將物理概念融入血肉之中。

運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)概念生成過程可以用以下的思維導(dǎo)圖來形象地展示出來。

對(duì)照教材的目錄我們可以發(fā)現(xiàn)，教材實(shí)際上就是按照這樣的邏輯順序安排運(yùn)動(dòng)學(xué)內(nèi)容的。

我們從以上運(yùn)動(dòng)學(xué)概念生成的案例展示可以看出，提出問題才是概念生成的基礎(chǔ)。

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來自：當(dāng)以讀書通世事 > 《074-物理》

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