高中物理概念体系.docx

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高中物理概念体系

概念为本的物理教学

华中师大一附中蒋大桥

一．为何说“物理难，难在概念”？

——原因之一：

从纵向看，一些抽象的概念理解起来很难，教学中不可能一步到位，而是分步到位的。

高中物理的几个关键概念

单元板块

主要概念

力学

长度/位移、时间、速度、加速度、质量、力、功、机械能、动量、冲量

热学

分子力、温度、内能、热量、功

电磁学

电场力、电场强度、电势、电势能、电容

磁感应强度、磁通量、安培力、洛伦兹力

电流、电量、电压、电阻、电功、电动势/感应电动势

波与光学

近代物理

波速、波长、频率、折射率

能量子、能级、核力、结合能

七个基本物理量

基本量

单位

定义

长度L

m

米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。

质量m

kg

国际千克原器的质量为1kg

时间t

s

铯原子-133基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周的持续时间为1秒。

电流I

A

在两条置于真空中的,相互平行,相距1米的无限长而圆截面积可以忽略的导线中，通以强度相同的恒定电流,若导线每米长所受的力为2×10-7N,则每根导线中的电流强度为1A。

热力学温度T

K

水的三相点热力学温度为1/273.16K。

发光强度l

cd

一个光源在给定方向上的发光强度.该光源发出的频率为540×1012赫兹的单色辐射,且在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。

物质的量n

mol

摩尔是一系统的物质的量,该系统中所包含的基本单元数与0.012kgC－12的原子数目相等。

下面举三例说明：

质量、速度、功

（一）质量

   “质量”这个概念可谓是初中学生最早接触到的物理概念之一，然而六年之后到高中毕业，有几人能说清楚乎？

现在不妨借此回顾一番我们的对“质量”这个概念的教学历程。

    在初中，课本上是这么定义质量的：

质量是指物体所含物质的多少。

这里有一个子概念——“物质”。

如果要向学生阐述“质量”的内涵，必须先对子概念——“物质”做出进一步的阐释。

那么什么是“物质”呢？

可想而知，要向十三岁左右的孩子们解释清楚带有浓郁哲学色彩的“物质”概念，几乎是不可能的，初中只能“嘎然而止”了，随后老师只能转头去介绍如何用天平测量质量云云。

所以初中对“质量”的教学，是一种“弃质保量”的教学。

    到了高一，学习《牛顿运动定律》，当然还会遇到质量。

这时老师就会讲：

描述物体惯性的物理量是它们的质量（新教材），或者说成“质量是物体惯性大小的量度（老教材）”。

这里，同样遇到了一个让您头疼的子概念——“惯性”。

那么，何谓“惯性”？

这也需要费几番口舌。

不过这里第一次把“质量”和“惯性”联系起来了，是一种对质量新的认识。

    后来学习《万有引力定律》，第三次遇到了“质量”。

看来这回遇到的“质量”似乎与“惯性”无关，只与“引力”有关。

大多教师对此问题“视而不见”，或者有意去回避这个问题，算是“蒙混过关”吧。

    再往后学习动量和动能，自然少不了“质量”这个重要角色的加入，不过谁也不会在这里去讨论质速关系、质能关系有关的问题。

    到了电磁学，认识了“场”，知道了“场也是一种物质”。

尤其是老师们还特别喜欢引用爱因斯坦的话来解释：

场就像人所坐的椅子一样的实在，场也是一种物质。

这时不免就有学生问：

请问这把“椅子”的质量是多少？

……对此，老师开始有些“汗”了！

    再后来，学习《光的本性》，接触了量子论，认识了“光子”，同样的问题诞生了：

光子的质量是多少呢？

    再后来，学习核反应，认识到了一些核反应中存在“质量亏损”，为此，学生还会追问：

不是有个“质量不灭定律”吗？

   由此可见，对于“质量”这个概念的认识，一路上我们遇到了惯性质量、引力质量、静止质量、动质量/相对论质量、质能关系等难以阐释的问题，对一些问题我们可能会绕过去，而另一些问题我们必须去面对它。

看来中学教师对此是不可能一步教到位的。

（二）速度

首次认识“速度”，是从小学数学中开始的，一直到初中毕业，讲的都是匀速直线运动的速度的大小和变速直线运动中的平均速度的大小。

并把速度粗略的定义为“路程与时间之比”，不涉及到速度的方向问题。

因为这些运动都是单向直线运动，方向始终保持不变，这种定义有利于初学者的学习。

但需要特别给学生提醒的是“平均速度”不等于“速度的平均”。

到了高一，开始接触矢量与极限，速度就“摇身一变”成了矢量，并将平均速度定义为位移与时间之比。

然后在“平均速度”这个概念的基础上结合极限的思想提出了“瞬时速度”的概念。

指出平均速度的方向始终与位移同向，而瞬时速度的方向不一定总和一段时间内的位移方向相同。

速度矢量的出现。

使得速度的内涵更加丰富，判断速度是否变化，不光看大小变不变，还要看方向变不变。

速度矢量的出现，还使得速度的运算得遵循矢量的运算法则，出现了分速度、合速度、相对速度等概念，这样学习的难度突然提升了。

为了避免方向问题的纠缠，把瞬时速度的大小叫做速率，但平均速度的大小并非平均速率（平均速率是路程与时间之比），这一点容易引起混淆。

无论如何，在直线运动中，与“速度”相关的问题还算好把握。

后来学习《曲线运动》，对速度的理解又开始深入，一方面瞬时速度的方向要看切线方向，而平均速度的方向始终取决于位移的方向，这一点使得分析速度的变化问题变得比较困难。

对于匀变速曲线运动（如平抛运动），速度矢量是随时间均匀变化的，这一点如果不引入“加速度”和学习“牛顿第二定律”，是很难理解的。

对于匀速圆周运动，不可错误认为速度也是均匀变化的，这一点往往让学生“百思不得其解”。

为了能方便地描述圆周运动（或转动），物理学上还引入了“角速度”，并把原来的速度改称为“线速度”。

角速度也是矢量，但高中有意回避角速度的矢量性问题。

给高一学生讲解角速度需要费一番功夫，因为一方面它容易和日常生活中说的“转速”搞混淆的。

另一方面就是它的单位“rad/s”，这时学生还没有学习数学中的“弧度”呢。

后来学习万有引力定律和人造卫星的发射，提到了“三个宇宙速度”，也是学起来“让人头疼的速度”！

后来学习机械振动与机械波，再一次接触到“振动速度”和“波速”，由于机械波传播的是“运动形式”和“能量”，媒质本身并不随波迁移，看来这个“波速”不好理解，它绝对不是“媒质中质点的振动速度”或者“振源的运动速度”，应该是那个“运动形式”和“能量”的传播速度。

那么，“波速”到底如何理解呢？

波速由什么内在因素决定呢？

高中物理对此采取的也是回避的态度。

后来学习电磁波，知道各种电磁波在真空中的速度都等于光速，这就触及到相对论了。

特别指出的是，在学习电流时，我们还会遇到“三种速率”：

电荷定向移动的平均速率，电场传播的速率、自由电子热运动的平均速率。

这三种速率有如何理解呢？

（三）功

第一次认识“功”是从初中开始的，那时很容易把“力”与“功”，“做功”与“工作”“功劳”等名词术语混为一谈，这主要是把“科学概念”和“日常用语”混在一起了。

所以初中一开始就强调做功的两个必要因素，首先要学会区分“做不做功”的问题。

但是这个问题绝非如此简单，直到高中毕业，还有的学生对此认识不清。

比如：

（1）人从地面跳起，地面对人是否做功？

（高考题）

（2）滑冰运动员推墙后获得了动能，墙壁对人是否做功？

（3）人提着水桶站在电梯里上楼，提力对水桶是否做功，电梯对人是否做功？

（4）人提着水桶爬楼梯，提力对水桶是否做功，楼梯对人是否做功？

要彻底认清这些问题，实际上涉及到大学物理中的质点系动能定理。

但在中学，只能告知学生，

中的s应该是力的作用点的位移，而且具有相对性。

可学生往往对这种“机械性的解释”很不满意，甚至怀疑教师是否搞错了。

第二次认识“功”是高一，将功的计算由

推广到

，对于这个推广，需要进行一系列讨论：

（1）恒力的功与变力的功；

（2）正功与负功；

（3）某一个力的功、合力的功、一个物体对另一个物体做功；

（4）内力的功与外力的功；

（5）不同性质的力做功的特点是什么？

（6）做功快慢（功率）问题；

（7）做功效率问题；

（8）功能关系问题。

后来学习热学、电磁学，还会多次讨论功，如热功当量、电功（静电力的功）、非静电力的功、金属的逸出功等等。

在中学物理中，象“质量、速度、功”这样看似简单、实则内涵深奥的物理概念还有很多。

作为教师，我们必须始终关注：

从初中到高中的整个学习过程中，这些概念在什么地方“开始出现”、“再次出现”、“反复出现”？

每次出现以后对其认识是否更加深入？

这样的概念教学在中学课堂中进行，我们该采用何种教学策略，把握何种尺度呢？

这可能是一个课堂教学中永恒的课题！

——原因之二:

从横向看，各种概念五花八门，必须对概念进行梳理，建立概念体系，才能更深入更全面地理解这些概念，这一点需要学习者的知识积累到一定程度才能做到。

形成概念体系有三种途径：

1．建立同一知识体系中不同概念间的关联网络；

2．同一主干概念在不同情景下的应用与深化（从共性到个性）；

3.从基本物理量到导出物理量的逐步推进。

举例：

力学中的三个“小精灵”——质量、长度、时间

电学量的建构

机械运动——概念体系

角度

名称

描述方法与表达方式

单位

说明

描述质点运动的一般物理量

位移s

用由起点指向终点的有向线段表示

m

①位移用来描述质点的位置变化。

②区分位移和路程。

路程

质点实际经过的轨迹长度

时刻、时间间隔

时间轴

s

区分时刻和时间间隔

速度

v

平均速度

位移与时间之比：

m/s

①速度是用来描述质点的运动方向和位置变化的快慢的物理量。

②瞬时速度的大小叫做速率，但平均速度的大小不等于平均速率。

平均速率

路程与时间之比

瞬时速度

（速度）

速率

瞬时速度的大小

加速度a

m/s2

加速度是用来描述质点速度变化的快慢的物理量。

动量

kg•m/s

转换：

动能

J

描述圆周运动的物理量

线速度v

①

②

③

（仅对匀速圆周运动）

m/s

①在匀速圆周运动中，线速度的大小、向心加速度的大小、角速度、周期、频率均保持不变。

但线速度、加速度都是矢量，它们的方向都在变化。

②在变速圆周运动中，加速度的方向不一定指向圆心。

角速度ω

rad/s

向心加速度an

m/s2

周期T

s

转速n

r/s

描述简谐运动的物理量

振幅A

质点偏离平衡位置的最大位移

m

①简谐运动的振幅、周期、频率、系统的总能量都保持不变，质点的位移、速度、加速度、动量、动能随时间做周期性变化。

②质点的加速度方向和位移方向总是相反的。

加速度

m/s2

周期T

与

频率f

（普适公式，不作要求）

（单摆）

s

与

Hz

*相位

不要求理解

力——概念体系（从共性到个性）

力的名称

大小

方向

理解要点

按力的性质分

万有引力

重力

竖直向下

①正确理解重力和万有引力的关系。

②重力加速度：

电磁相互作用

弹力

胡克定律

与施力物体恢复形变的方向相同

①把握好各种形变是理解弹力和弹力做功问题的关键；掌握显示微小形变的方法。

②物体间只要接触就存在弹力吗？

③杆受弹力的方向总是沿杆方向吗？

摩擦力

滑动摩擦力

摩擦定律

与物体间相对运动的方向相反

①摩擦力产生的条件是什么？

②摩擦力依存于弹力，而弹力却不依存于摩擦力。

③举例分析摩擦力从有到无、从无到有、从动到静、从静到动的变化（包括大小和方向的变化）。

静摩擦力

与物体间相对运动趋势的方向相反

分子力（分子间引力和斥力的合力）

分子力和分子间距离有何关系？

电场力

静电力

F的方向由E的方向和q的正负共同确定

*涡旋电场力——变化的磁场产生的电场力（不要求）

磁场力

安培力

左手定则

①安培力的方向总是垂直于B与I所决定的平面，洛仑玆力的方向总是垂直于v与B所决定的平面。

②安培力是洛仑玆力的宏观表现。

洛仑玆力

强力

核力

①核力是发生在核子之间一种强相互作用力，比库仑力的相互作用要强得多。

②核力发生作用的范围是核子之间的距离接近10－14m，核力是一种短程力。

按效果分

圆周运动中的

向心力

指向圆心

①向心力公式适用于任意的圆周运动吗？

②对任意的圆周运动而言，向心力都等于合外力吗？

简谐运动中的

回复力

总是指向平衡位置

在各种简谐运动中，回复力都等于合外力吗？

浮力

竖直向上

超重、失重系统中浮力：

流体的阻力

与速度、横截面积、形状有关

与速度的方向相反

一般认为，物体相对于流体的速度越大，也阻力越大；物体的横截面积越大，阻力就越大；物体设计成流线型可减小阻力。

功——概念体系

重力的功

重力做功与路径无关

万有引力的功

万有引力做功与路径无关

弹簧弹力的功

弹性力做功与路径无关

静摩擦力做功

静摩擦力不一定不做功，也可以做正功或负功，

滑动摩擦力做功

滑动摩擦力不一定都做负功，也可以做正功，还可能不做功。

分子力做功

当分子力为引力时，若分子间距离变大，分子力做负功；当分子力为斥力时，若分子间距离变大，分子力做正功。

电场力做功

静电力做功与路径无关：

。

在电路中，常说成电流做功（电功）。

磁场力做功

安培力可以做正功，也可以做负功；洛仑玆力始终不做功。

合力做功

合力的功等于各个力做功的代数和。

一对相互作用的内力的总功

一般而言，一对相互作用力的总功不一定为零，可以是正功，也可以是负功。

但一对相互作用的静摩擦力做的总功一定为零，一对相互作用的滑动摩擦力做的总功一定是负功。

能量——概念体系

机械能

动能

：

具有相对性，其大小与参照物的选取有关。

重力势能

：

具有相对性，其数字可正可负，取决于零势能的选取。

弹性势能

：

规定弹簧处于自然原长状态下势能为零。

物体的

内能

分子动能

①温度是分子热运动平均动能的标志

②分子动能＝分子数×分子的平均动能

与物体的内能有关的因素有：

物质的量（质量、摩尔质量）、温度、体积。

分子势能

掌握分子势能与分子间距离的关系（势能曲线），取两分子相距无穷远势能为零。

电能

电势能

通常取两电荷相距无穷远电势能为零。

电势能可正可负，同种电荷系统电势能为正，异种电荷系统电势能为负。

电场能与电势能没有本质的区别。

电场能

电容器可储存电场能。

磁能

电感器可储存磁场能。

电磁辐射能（光能）

电磁波/光子的能量（能量量子化）：

，即E与频率成正比。

核能

计算核能常用

（

叫做质量亏损）

物质的总能量

爱因斯坦的质能方程：

——原因之三，相似的概念比较多，容易混淆不清。

中学物理中容易混淆的概念

1

重力、质量

2

重心、质心

3

重力、超重/失重

4

重力、万有引力

5

静摩擦力、滑动摩擦力

6

一对相互作用力、一对平衡力

7

路程、位移

8

时刻、时间间隔

9

速度、速率

平均速度、平均速率

10

11

波速、质点的运动速度

12

转速、角速度

13

速度、速度的变化、速度的变化率

动量、动量的变化、动量的变化率

磁通量、磁通量的变化、磁通量的变化率

14

15

16

动量、动能

17

功率、效率

18

内能、热量

19

电动势、电压

20

场强、电势

21

电场线、磁感线

22

交流电的有效值、交流电的平均值

23

波的干涉、波的衍射

24

复色光、单色光、自然光、偏振光

25

电磁波/光波、物质波/概率波

26

衰变、裂变、聚变

——原因之四：

矢量和标量混在一起，分不清大小多少正负高低。

矢量的正负与标量的正负问题对比

项目

意义

大小/多少/高低

比较

矢量的正负

表示其方向与规定的正方向之间的关系：

方向相同为正，方向相反为负。

比较大小，不看正负号

标量的正负

重力势能的正负

与零势能面的选取有关，零势能面上方的为正，零势能面下方的为负。

正值能量永远大于负值能量

电势能的正负

规定两电荷相距无穷远电势能为零，故同种电荷系统电势能为正，异种电荷系统的电势能为负。

分子势能的正负

规定两分子相距无穷远电势能为零，其正负详见分子势能曲线图。

氢原子能量的正负

为电子的动能与电子和原子核（质子）系统的电势能之和，结果总为负值，最大值趋于零。

摄氏温度的正负

与零度的选取有关，规定一个标准大气压下冰水混合物的温度为零摄氏度。

高于此温度为正，低于此温度为负。

正值温度永远高于负值温度

电量的正负

表示电性：

正电荷的电量用正数表示，负电荷的电量用负数表示。

比较大小，不看正负号

功的正负

①由力的方向和位移的方向的夹角决定：

夹角为锐角，功为正；夹角为钝角，功为负。

②对物体做功，功为正，物体对外做功，功为负。

比较多少，不看正负号

热量的正负

表示吸热还是放热，一般规定物体从外界吸热为正，放热为负。

比较大小，不看正负号

电势的正负

与零电势的选取有关，孤立的正电荷电场中各点电势为正，孤立的负电荷电场中各点电势为负。

正值永远高于负值

磁通量的正负

对某一个面而言，可认为设定正反面，磁感线从正面穿过时磁通量为正，那么从反面穿过时磁通量为负。

比较大小，不看正负号

二．物理概念教学有“套路”

套路

教学手段与策略说明

1

为什么要引入这个概念？

如何引入这个概念？

①借助多媒体手段引入

②借助生活经验引入

③理论、实验探究法引入：

动量、动能、弹性势能

④类比方法：

可以模仿以前学过的什么概念的引入方法？

2

它是怎样表述的？

有定义式吗？

①抓关键字：

如“重力”的表述中的关联词“由于…而使…”，体会言外之意。

②把握定义方法：

如用比值定义物理量的方法。

3

这个概念和学过的哪些概念容易混淆？

这个概念和什么概念比较理解可以促进学习正迁移，防止负迁移？

列表比较

物理量

4

看看它是下列哪种类型的物理量：

①是基本量还是导出量？

②是矢量还是标量？

③是过程量还是状态量？

④是常量还是变量？

归类整理

5

这个物理量的单位是什么？

从单位能看出它的物理意义吗？

①注意符号的规范书写，如大小写（正体）

②注意单位换算。

6

求解这个物理量有哪些方法或途径？

归纳总结，例题讲解

7

如何测定这个物理量？

是直接测量还是间接测量？

有几种测量方法？

演示实验、分组实验

8

这个物理量和别的物理量有何关系？

它们将反映出什么样的物理规律？

课后思考

举例：

《加速度》教学设计

套路

说明

教学策略

为什么要引入这个概念？

如何引入这个概念？

为了描述速度变化的快慢，

视频：

小轿车与载重汽车的加速运动。

提问：

哪个速度增加得快？

它是怎样表述的？

有定义式吗？

→

→

类比方法：

描述位置变化的快慢的方法——速度

描述速度变化的快慢——加速度

看看它是那种类型的物理量？

①是基本量还是导出量？

②是矢量还是标量？

③是过程量还是状态量？

④是常量还是变量？

①导出物理量；

②矢量（重点讨论）；

③状态量；

④可以是常量，也可以是变量（是具体情况而定）。

设问：

加速度的方向如何确定？

加速度的方向就是速度的方向吗？

结论：

在直线运动中，如果速度增大，加速度的方向与速度方向相同；如果速度减小，加速度的方向与速度方向相反。

这个物理量的单位是什么？

m/s2或m·s-2

强调规范的读写方法

这个概念和学过的哪些概念容易混淆？

比较速度、速度的变化量、加速度。

设问：

①速度大，加速度一定大吗？

②速度的变化量大，加速度一定大吗？

举例说明。

求解这个物理量有哪些方法或途径？

①公式法：

②图像法：

根据速度-时间图像求加速度。

方法总结：

各举一例说明。

如何测定这个物理量？

直接测量还是间接测量？

间接测量方法：

（1）利用打点计时器

（2）利用两个光电门、毫秒计时器

（3）利用闪光照相

实验研究（分小组实验）：

——探究小车速度随时间变化的规律，测定其加速度。

这个物理量和别的物理量有何关系？

它们形成什么样的物理规律？

1．在匀变速直线运动中，对于s、v0、v、a、t五个量“知三求二”。

2．它是联系力和运动的桥梁

拓展学习：

1.匀变速直线运动的规律

2.牛顿第二定律

《电动势》教学设计

套路

说明

教学策略

为什么要引入这个物理量？

如何引入这个物理量？

为了描述电源中非静电力做功的本领而引入

挂图展示（看图比较水泵、电容器、电池）：

①水泵抽水示意图；

②电容器对二极管放电示意图；

③电源对小灯泡供电示意图。

它是怎样表述的？

有定义式吗？

根据比值定义

（W为非静电力的功）

教学重难点：

列表比较——电动势与电压

（W为非静电力的功）

（W非静电力的功）

①它是基本量还是导出量？

②是矢量还是标量？

①导出量

②标量

这个物理量的单位是什么？

这个单位反映出什么样的物理意义？

V——说明为什么其单位与电势、电势差的单位相同

这个概念和学过的哪些概念容易混淆？

电压、电势

这个物理量和别的物理量有何关系？

它们形成什么样的物理规律？

闭合电路欧姆定律

课后思考与预习1：

有了电动势的概念做基础，类比部分电路的欧姆定律，如何推导闭合电路的欧姆定律？

如何测定这个物理量？

直接测量还是间接测量？

①用电压表粗测；

②间接测量（多种方法）

组织学生分组实验——测定电池（水果电池与干电池）的电动势与内电阻。

求解这个物理量有哪些方法或途径？

①根据定义式

②根据闭合电路欧姆定律表达式

③根据U-I图线

单元复习总结用

《磁感应强度》教学设计——类比方法（由学生讲）

套路

磁感应强度

电场强度

为什么要引入这个物理量？

如何引入这个物理量？

引入这个概念的目的和学过的哪个物理量很相似？

为了描述磁场的强弱和方向

为了描述电场的强弱和方向

它是怎样表述的？

有定义式吗？

①引入电流元

（利用比值定义）

①引入试探电荷

（利用比值定义）

是矢量还是标量？

课堂重点：

如何确定B的方向？

对比E的方向的确定方法。

这个物理量的单位是什么？

T

N/C或V/m

求解这个物理量有哪些方法或途径？

①

②叠加原理求合场强

①

②叠加原理求合场强

如何测定这个物理量？

（实验探究）

用磁传感器测量磁场

暂时没有好的方法

这个物理量和别的物理量有何关系？

它们形成什么样的物理规律？

（课后思考）

①磁感应强度与磁场力的关系（安培力、洛伦兹力公式）；

②磁感应强度与磁通量的关系。

①电场强度与电场力的关系；

②电场强度与电势差的关系。

物理量的测量方法一览表

长度

用毫米刻度尺测量丝线的长度或者两点间的距离

用游标卡尺测量圆管的外径或者小球的直径

用螺旋测微器测定金属丝的直径

用目镜测量头测量干涉条纹间距（累积取平均）

用油膜法估测油酸分子的直径

用双缝干涉法测光的波长

面积

不规则平面：

用数格子法测定油膜的