最新修订版(人教版)高中物理教材编写说明 第三章 相互作用——力

黄恕伯 管窥物理 2019-12-23

本文发表于《中学物理》（高中）

一、全章概述

从必修1教材全书的框架来看，必修1教材的主要内容是系统地帮助学生形成“运动与相互作用观”。其教材框架包括三大块：

第一块学习运动的知识，包括第一章和第二章，学习质点运动的概念和规律，包括平衡（没有加速度）和不平衡（有加速度）两种情况；第二块主要学习相互作用（力）的知识；第三块为运动与力，即运动与相互作用的关系，学习在不同力的作用下质点运动的不同特点。本章主要是第二块内容，这是它在形成运动与相互作用观方面所起的结构性作用，也是本章在必修1教材中以至于整个高中物理课程中所处的重要地位。

这一章所包括的知识内容为：重力与弹力、摩擦力、牛顿第三定律、力的合成和分解、共点力的平衡条件。即课程标准必修课程的内容要求1.2.1和1.2.2的全部内容以及1.2.3中的牛顿第三定律。课程标准的相关具体要求如下：

1.2.1认识重力、弹力与摩擦力。通过实验，了解胡克定律。知道滑动摩擦和静摩擦现象，能用动摩擦因数计算滑动摩擦力的大小。

1.2.2通过实验，了解力的合成与分解，知道矢量和标量。能用共点力的平衡条件分析生产生活中的问题。

1.2.3 ……。理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。……。

本章前四节课文主要为相互作用的内容，第五节课涉及运动与相互作用关系的知识，即质点在没有加速度的运动情况下其相互作用的特点是合力等于0。

本章第5节“共点力的平衡条件”是高中物理运动与相互作用关系的起始内容，高中物理的运动与相互作用观的培养，从此拉开了大幕。在这里，学习平衡情况下的受力计算，将为下一章不平衡情况下的受力计算奠定知识内容和思维方法的基础。

本章在学科核心素养的培养方面，有以下功能。

1.物理观念。在这一章教学中，各知识内容都是围绕建立运动与相互作用观的线索来布局的，各知识内容在该线索中具有各自的功能。如下图（第2个方框），“重力、弹力、摩擦力”“牛顿第三定律”这两节课的功能是使学生能对物体的受力作出正确的分析，是解决关于共点力的运动与相互作用问题的基础环节；在此之后的环节，就是建立相互作用各物理量之间的定量关系，即列出共点力平衡的计算式（第3个方框），“力的合成和分解”“共点力的平衡条件”这两节课的功能就在于此。

每节课的教学设计，应该从这节课在这一章中的功能和地位来构思它的教学目标和教学内容。例如，力的合成和分解，其功能定位为这是“应用等效替换方法的受力计算工具”，教学中就不要拔高其要求，不要用力的合成和分解直接求解物体的受力问题。这样的功能定位，不仅易于接受、节约时间、大大减轻了学生的负担，最重要的是规范了用运动与相互作用视角分析问题的思路。

2.科学思维。本章具有大量科学推理的内容：本章学习了很多物理规律，如胡克定律、滑动摩擦力与动摩擦因数的关系、牛顿第三定律、平行四边形定则、共点力的平衡条件等，这些物理规律为演绎推理提供了丰富的素材；本章还有不少物理结论是通过实验形成的，如相同接触面滑动摩擦力大小跟压力大小的关系、弹簧弹力跟形变量的关系、作用力和反作用力的关系、二力合成的平行四边形定则等，都需要经历归纳推理的过程。以上这些知识，都是提升科学思维能力的载体。共点力是力的作用线相交于同一点的一组力，现实生活中存在很多力的作用点虽然不在同一点、但力矢量的延长线交于一点的实例，它们都是受共点力作用的物体，“将实际问题中的对象和过程转换成所学的物理模型”，是课程标准关于模型建构的水平4要求，即等级性学业水平考试要求，把现实生活中的相关研究对象转换成共点力作用物体模型，对提升学生的科学思维水平具有重要意义。

3.科学探究。本章有两个探究性学生实验：“探究弹簧弹力与形变量的关系”和“探究两个互成角度的力的合成规律”。这两个实验在培养学生科学探究能力的具体要素上具有不同的特点。探究弹簧弹力与形变量的关系的实验，主要侧重于“解释”，通过对实验数据的处理和分析，学会利用物理图像解释证据，包括建立坐标系、设计标度、描点、拟合、发现规律、陈述结论等。而探究两个互成角度的力的合成规律的实验，则还应侧重“问题”要素，学会对问题的可能结论作出有根据的假设，根据合成的两个力及其合力的矢量图的平面位置关系，判断它们可能具有平行四边形的几何关系，作出合力可能是平行四边形的对角线的假设，进而通过作图检验这个假设。发挥不同科学探究课题的不同特点，侧重在有利于某个科学探究要素的特点上花费精力、细致深入，这是课堂内科学探究教学的重要原则。

4.科学态度和责任。通过对滑动摩擦力的定量研究，通过对二力合成规律的探究以及作用力和反作用力关系的研究，逐步形成对科学的本质认识，体会物理学是基于人类有意识的探究而形成的对自然现象的描述与解释，是一项建立在观察和实验基础上的创造性工作。本章有多个学生实验，应要求学生对实验数据采取实事求是的态度，对偏离实验预期的数据，也要如实记录，然后分析是误差的原因还是实验操作的失误。这一章联系实际的内容很多，让学生运用自己学得的知识正确解决生活和社会中的实际问题，有利于增强他们的成就感和责任感。

这一章的重点是学会运用运动与相互作用关系的视角来观察物理问题。形成以“选择研究对象”为起始步骤的共点力平衡问题的分析思路。这一章的难点是在真实情境中如何选定研究对象。不仅要有选择研究对象的意识，还要具有选择研究对象的能力，能使研究对象既涵盖情境中的已知条件和需解决的问题，且符合共点力的模型。

课时安排建议：根据必修1全书的新授课时间为36 课时计算，本章教学可以安排9 课时。以下建议安排8 课时（留1 课时机动）。

第1节  重力和弹力               2课时

第2节  摩擦力                   2课时

第3节  牛顿第三定律             1课时                

第4节  力的合成和分解           1课时

第5节  共点力的平衡             2课时

二、具体说明

1．第1节  重力和弹力

(1)要全面了解一个力，不管是重力、弹力还是摩擦力，都应该知道以下几个方面的内容：受力的对象是谁？施力物体是谁？产生原因是什么？大小、方向、作用点如何？力作用的效果是什么？对重力来说，由于初中已学习了以上部分的定性知识，如施、受力物体，产生原因（因地球吸引），重力方向（竖直向下）等，而重力产生的效果（重力加速度）要学习牛顿第二定律以后才可能理解，因此，本节课关于重力的教学重点，应该在复习初中知识的基础上侧重讲授关于重心的知识。了解重心的意义，知道典型的均匀几何体的重心位置，知道非均匀物体的重心位置跟质量的分布有关，会用二力平衡条件通过悬吊方法寻找物体重心的位置。  

(2)关于弹力的定义，教材是这样说的：“发生形变的物体，要恢复原状，对与它接触的物体会产生力的作用，这种力叫作弹力”。按照这个定义，弹簧的弹力，是指阻碍弹簧恢复原状的物体所受的力。因此，在探究弹簧弹力与形变量关系的实验中（如下图），弹簧弹力不是指弹簧所受的力，而是指弹簧作用在砝码上的力。正因为如此，才能以砝码为研究对象，通过二力平衡条件，得到弹簧弹力的大小等于砝码重力，这是测量弹簧弹力大小的原理。

关于观察弹力作用下的微小形变实验。教材用的是观察双平面镜反射光斑移动的方法，用激光作为投射光很容易完成这个实验。还可以用硬质玻璃瓶装水来演示，用手指压玻璃瓶时，玻璃瓶的形变可以使瓶塞中的开口玻璃管内的水面高度发生变化，从中感受玻璃瓶的微小形变。

(3) 探究弹簧弹力与形变量关系的实验，是课程标准所要求的学生实验。这个实验的“问题”和“证据”要素都是很简单的，要培养学生的科学探究能力，这个实验应该在“解释”要素上花功夫：根据实验目的（探究弹簧弹力与形变量关系）来确定图像分析的自变量（形变量），从而把形变量确定横坐标轴，纵坐标轴是弹力；根据所记录的数据，设计横坐标轴和纵坐标轴的标度，使数据点既能合理满坐标格而又便于实验数据的读数；然后描点、拟合、归纳数据特点、形成结论。利用这个实验比较简单的特点，把精力用在培养“解释”能力上。

2．第2节  摩擦力

(1)滑动摩擦力。在初中已经学习了关于滑动摩擦力的不少知识，学生对滑动摩擦力的意义、方向、影响因素等知识是知道的。高中应侧重对滑动摩擦力跟压力的定量关系进行研究，构建动摩擦因数的概念。教材指出：“通过进一步的定量实验，测量同一接触面不同压力下的滑动摩擦力大小，结果表明：滑动摩擦力的大小跟压力的大小成正比。”教材原则性地陈述了实验过程，没有就实验装置和实验操作做进一步说明，这是因为这个实验在初中是做过的，为避免重复和节约篇幅的原因。但实施教学时，教师应该在课堂上进行定量实验，通过实验数据来形成结论。在得到动摩擦因数公式以后，教材特地说了一段话：“F_f 和F_N是接触面上木块所受的两个力，F_f  沿接触面的方向，F_N 与接触面垂直。”这段话说出了动摩擦因数的本质：μ是接触面同一物体所受两个不同方向的力的比值。有了这种认识，对分析涉及滑动摩擦的共点力平衡问题和牛顿第二定律问题是很有帮助的。

(2)静摩擦力。静摩擦力是初中没有深入讨论的知识，关于静摩擦力的高中新授课，要解决三个问题：第一是静摩擦力的方向，教材指出：“静摩擦力的方向总是跟物体相对运动趋势的方向相反。”教学中如何解释“相对运动趋势”，需要有具体举措，不能停留在文字理解上；第二是如何求解静摩擦力的大小，教材通过一个实验说明，静摩擦力的大小随着拉力的变化而变化，本节课在分析时，要让学生认识这是用“二力平衡条件”来求解的，学完本章后，应认识静摩擦力是用“共点力平衡条件”求解的，学完本书后，进一步认识静摩擦力是用牛顿第二定律求解的，最后上升到是根据运动与相互作用的关系来求解的；第三是最大静摩擦力的概念，要通过实验让学生了解在相同压力下的最大静摩擦力略大于滑动摩擦力（为以后有些问题取滑动摩擦力近似等于最大摩擦力奠定基础），相同接触面的最大静摩擦力随着压力的增大而增大。

3．第3节  牛顿第三定律

教材在节首“问题”栏目中，以大人跟小孩掰手腕为例提出作用力和反作用力是否相等的问题，随后通过实验进行论证，得到牛顿第三定律的结论，问题是解决了，但学生的疑惑不一定消除：既然作用力和反作用力大小相等，为什么掰手腕时大人能很轻易地压倒小孩？教材最后有一个“拓展学习”，用两个力传感器互相勾住，观察两个力传感器的受力读数，在这个实验中，可以模拟节首问题，一强大者和另一弱小者各握相互勾住的力传感器，即使强大者轻易取胜，两个力传感器的读数也是大小相等的，让学生从视觉中感受到力所产生的效果不仅跟力的大小有关，也跟受力间物体的属性有关。这时，还可以进一步让学生观察两根弹簧对拉的情况：一根弹簧又粗又硬，另一根又细又软，细软的弹簧被拉长了很多，而粗硬的弹簧却纹丝不动，以此作为对掰手腕问题的呼应。

在做如图牛顿第三定律实验时，关于作用力和反作用力的方向，需要做如下交代：单独用手向右拉左边力传感器时，看到图中一条红色图像，再单独用手向左拉右边的力传感器时，看到图中另一条负值的蓝色图像，指出，如果实验出现这样的正负图像，说明这是两个相反方向的作用力，然后进行实验。实验应该在不同条件下进行，说明在任意情况下（无论是运动还是静止、匀速还是加速、主动还是被动）作用力和反作用力都是相等的。

关于物体受力分析的教学，教材比较重视对涉及研究对象的受力，进行一对、一对地分析，先分析共有几对作用力和反作用力，再确认每一对相互作用的力中哪个力是研究对象所受的。这样做的好处是，对施力物体和受力物体的概念比较清晰，体会任何一个力都有一个施力物体和受力物体，任何力也只有一个施力物体和一个受力物体，认识一个力有两个施力物体的情况是不存在的，一个力有两个受力物体的情况也是不存在的，消除“A 通过 B 作用C”这种糊涂概念。同时，对“物体受力分析”的“受力”二字，认识更加深刻，理解分析的是受力，而不是施力。

一个力的反作用力和这个力的平衡力，是两个不同的力，学生很容易把两者混淆起来，教材为此做了详细说明。教学中需要通过实例来对比两者的相同和区别。它们的相同之处是，某力的反作用力和该力的平衡力，其大小、方向、作用线是完全一样的，因此容易混淆。它们的区别，应该从作用对象、适用规律、力的种类三个方面来认识：作用力和反作用力分别作用在两个物体上，而一个力和它的平衡力则是作用在同一物体上的；研究作用力和反作用力关系用的是牛顿第三定律，而研究一个力与其平衡力的关系用的是二力平衡条件；作用力和反作用力必定是同一种类的力，一个力和它的平衡力可以不是相同种类的力。

4．第4节  力的合成和分解

在以往的高中物理教学中，力的合成和力的分解一共是用两节课完成的，而且学生感到力的分解很难，很多老师用“根据力的作用效果来判断分力的方向”的说法来突破这个难点。实际上，力的合成和分解不是用来直接求解物体受力的，它仅仅是本章用共点力平衡条件解决问题的一个计算步骤，只是运用等效替换的思想，把一个假想的力替换掉问题中两个实际的力（力的合成），或者用两个假想的力替换问题中一个实际的力（力的分解），以达到便于计算的目的。如果仅仅要实现这个等效替换的目的，是不困难的，这就是本教材中把力的合成和力的分解合并成一节课的原因。学生只要会运用平行四边形定则进行合成和分解就可以，在这节课中，分力的方向由题目直接告诉的，这不仅使教学的难度大大降低，而且规范了力学的解题思维，有利于学生形成了科学的分析思路。

在构建合力和分力的概念时，要强调课文中“假设”两个字。力的合成时，合力是假设的，不是真实的力；在力的分解时，分力是假设的，不是真实的力。在用平行四边形定则进行力的合成时，建议合力的箭头画成虚线，在力的分解时，建议分力画成虚线。将来在列共点力平衡方程或牛顿第二定律方程时，是用虚线力来取代实线力，不能两者都计算，要体现“替换”的思想。

探究两个互成角度的力的合成规律，是本节课的学生实验。在这个实验中，实验假设以及对假设的检验，是科学探究的重要环节。应该让学生提出假设，在实验使 F₁ 和 F₂ 的共同作用和 F 的单独作用效果相同之后，引导学生从同一点作出F₁、F₂ 和 F 三个矢量，启发学生观察这三个矢量，猜想这三个矢量可能会组成一个怎样的几何图形？如果一时难以判断，可以引导学生思考：假设保持 F₁ 不变的情况下增大 F₂，F 矢量将会如何变化，让学生从中思考出平行四边形的形状而作出假设。在检验假设时，有两种方案：一是把三个矢量箭头的末端连接起来，检验组成的形状是不是平行四边形？二是按照平行四边形法则求出 F₁、F₂ 的合力理论值F′，看 F′跟 F 究竟有多大的差别？教学中不应该采用方案一、而应该采用方案二来检验，因为观察实验值和理论值的差别，是实验检验的普遍法则，这里渗透着误差的概念。

矢量的概念，是逐步渗透的，到了这节课，矢量和标量的概念才算有了定论。同一物理量的相加，是用代数的方法（求和）还是用几何的方法（平行四边形定则），是区别标量和矢量的重要标准。虽然在一维坐标上矢量的计算方法和标量相同，但矢量正负号的空间方向性含义跟标量正负号意义仍然是不同的。

5．第5节  共点力的平衡

共点力是本节课将要用到的一的重要概念。这个概念的定义是在上一节课提出的，上节课的正文一开始就指出：“几个力如果都作用在物体的同一点，或者它们的作用线相交于一点，这几个力叫作共点力”。要强调的是后面“或者它们的作用线相交于一点”这句话，本节课节首“问题”的甲图，就是这种情况。由于共点力是本课的重要概念，对作用点不在同一点而力的作用线相交于一点的情况还应该列举一些实例予以强化。对于三力平衡的物体，如果三力不平行，这三个力的作用线必定相交于一点，这三个力一定是共点力，对此可以引导学生用初中学过的二力平衡条件和上节课学的力的合成知识进行论证。

共点力的平衡条件是合力为0，教材是运用所学知识通过推理得到这个结论的。推理是高中物理课程中需要提升的重要素养，有老师在教学中用科学探究实验来代替演绎推理，不一定是恰当的。

这节课的重点，在于经历用共点力平衡条件解决实际问题的过程，体会用共点力平衡条件解决问题的思路，会用运动与相互作用的关系来观察实际问题，知道处于平衡状态下的物体，其相互作用的特点是合力为0，进而会运用这个规律形成有逻辑的思路，解决实际问题。具体来说，这个解决问题的思路是：会自觉地选择一个研究对象；分析研究对象所受的全部外力；用数学工具来描述这些力之间的关系，即列出包括未知量在内的合力等于0的方程，这其中包括建立恰当的坐标系和进行力的合成和分解的过程；计算出方程的解之后讨论解的合理性及其实际意义。

要完成上述教学目标，其教学方法大致有两种：一是演绎；二是归纳。用演绎的方法实施教学时，通常是先概述用共点力平衡条件解决问题时有哪几个步骤，解释这些步骤的含义，再把这个结论演绎到具体的实例中去，用例题来说明怎么操作，用练习题让学生仿效和操练。这种做法很流行，但不可取。其缺陷是把方法当成知识讲，在这样教学的操作下，学生尽管能理解这种解决问题的思路，但并不具有应用这种思路解决问题的意识。因为意识来源于体验，而不是来源于知识。因此，要实现上述目标，建议采用“归纳”的方法，先让学生获得解决问题的体验，在解决各种不同情境问题的体验中获得感性认识，领悟这些问题解决过程的特点，然后再归纳它们的共同处，使其成为今后解决相关问题的思维指南。本节课文把这种解决问题的思路渗透在各个例题的解答之中，这是处于“获得体验、领悟特点”的阶段。这是形成运动与相互作用观的基础。当学生完成了下一章牛顿第二定律的学习后，这种思路会更自觉、更成熟，逐渐演变为解决问题的相关观念。