物质观在物理学习中的应用举例

摘 要： 物理学是研究物质的结构及运动规律的科学，因此要学好物理，首先要确定所研究的物体，尤其是当题目情境中的物体不止一个或者物体的质量发生变化时，学生往往因为混淆而選不对要研究的物体，造成答非所问或者截然相反的结果.本文通过几个典型的问题举例说明学好物理必须做到眼中有物，思想上树立物质观的必要性.

关键词： 物质观;研究对象;解决问题

中图分类号： G 632 文献标识码： A 文章编号： 1008-0333（2022）12-0107-03

收稿日期： 2022-01-25

作者简介： 吉武龙（1990-），男，甘肃省静宁人，硕士，中学一级教师，从事高中物理教学研究.

2019年教育部考试中心颁发了《中国高考评价体系》，该体系针对新高考分别从一核、四层、四翼三个方面提出新的要求，其中四层包括核心价值，学科素养，关键能力，必备知识.物理观念作为物理学科素养之一，要求学生形成经典物理体系中的物质观、运动观、能量观、相互作用观，并且能用来解释自然现象和解决实际问题.物质观，即物质客观存在的性质，不依赖于人的感觉而存在.另外，解决问题的方法，往往蕴藏于问题本身，因此，我们要解决问题，必须清楚研究的问题是什么，研究的物体，即对象是谁.比如摩擦力方向的判断，电场性质的研究，电路动态分析中最大功率的计算，热学中变质量问题的相关计算等，都是中学物理学习中的难点和易错点，学生往往学的似懂非懂.下面以这些问题为例，利用物质观分析并解决学生学习中的困惑和易错点.

1 物质观在判断摩擦力方向中的应用

必修一教材中通过大量实验证明“摩擦力方向与物体的相对运动方向或相对运动趋势方向相反”，但是学生在具体应用时，往往会犯难，尤其是在传送带问题或者滑板物块模型中分析摩擦力方向时，不会分析甚至得到相反的答案.

如图1所示，传送带以速度v顺时针匀速传动，物块无初速度地放在传送带上，根据滑动摩擦力方向的判断方法，物块受传送带的摩擦力方向和物体相对传送带的运动方向相反，从而得到物块受传送带的摩擦力方向向右.解决这类问题的关键是先根据问题选择研究对象.

在图2所示的情境中，传送带逆时针匀速传动，物块轻轻的放在传送带上，物块相对传送带是沿斜面向上运动，得出物块所受传送带的摩擦力方向沿斜面向下.

例1 判断图3中物块受地面的摩擦力方向.

解析 解题时心中只有物块，摒弃所有的干扰因素，由于三个情景中物块相对于地面都是向右运动，且物块受地面的摩擦力方向与物块与地面的相对运动方向相反，因此物块受地面的摩擦力方向均向左.

2 物质观在电场性质学习中的应用

在学习电场时，教材中介绍电场是一种物质，但这种物质不同于分子、原子等组成的实物，电场看不见，摸不着，学生也没有相关的生活经验，因为抽象，学习起来难度很大.为了突破学生的学习障碍，使学生理解电场是一种实际存在的物质，我们可以从电磁波到太阳光这样的电场组成的物质为例说明，先形成初步印象.在研究电场的性质时，学生可能会想到用电荷在电场中受到的电场力描述电场的性质，困惑为什么还要引出电场强度这个新的比较抽象的物理量呢？这里我们再次运用物质观分析，既然电场是一种物质，那么电场是客观存在的，它的性质肯定只和电场这种物质本身有关，而与外界其他物质无关.但是电场力F=k Qq r 2 公式中，电场力除了与场源电荷Q和空间位置r有关系之外，还和试探电荷q有关.根据物质观，在始终以电场为中心的研究对象中，我们需要排除试探电荷这个研究对象之外的物体，从而得出用试探电荷所受电场力与试探电荷电量的比值来描述电场性质的新的物理量——电场强度，从而突破难点，突出了重点，使得学生容易理解与掌握.另外从电场能的角度分析电场的性质，处理方法是一样的，应用物质观分析，再过渡得出电势φ的比值定义式，学生能够真正理解从而记得更牢固.再比如对检验电场用的试探电荷的要求，应用物质观分析，此时我们的研究对象是待检验的电场，那么在研究时，不能改变原来的研究对象，若试探电荷不满足电荷量足够小，体积足够小的特点，空间中某位置的电场将是原电场和试探电荷电场的矢量和，改变了原电场，因此试探电荷的特点就显而易见了.

3 物质观在计算电阻功率中的应用

在解决电路的动态分析问题中，计算可变电阻的最大功率是一个难点，常用等效法解决.

例2 如图4闭合回路中，电源内外电压之和为E、电池内部阻值为r，和一个定值电阻及滑动变阻器串联，已知R 0=r，滑动变阻器的最大阻值是2r.若滑动变阻器的滑片从最左边向右滑动，以下选项合理的是（ ）.

A .电源的输出功率先变小后变大

B .电源的输出功率先变大后变小

C .滑动变阻器消耗的功率变小

D .定值电阻R 0上消耗的功率先变大后变小

4 物质观在物理量确定中的应用

在天体运动中，多数学生对引力半径、圆周运动的轨道半径及中心天体的半径三个量区分不开，解题思路清晰但是方程式不能完全写对造成失分.根本原因还是没能形成物质观念，对研究对象的确定不能做到精准分析.在解决这类问题时，我们也是先确定要研究的对象和研究的问题，比如引力半径的确定，然后根据牛顿第二定律方程F 引=m v 2 r =mrω 2=mr 4π 2 T 2 ，从公式可以看到此时我们的研究对象是环绕天体或者物体，因此轨道半径也是运动轨迹圆的半径，即研究对象到圆心的距离.而中心 天体的半径，只要我们确定了中心天体，就很容易对应起来.对于中心天体表面附近的圆周运动，三个半径是相等的，在距离表面一定高度的圆周运动，引力半径等于轨道半径，在双星模型、三星模型或者四星模型中，三个半径各不相同，结合物质观分析能够迎刃而解.

牛顿第二定律F=ma，公式的形式很简单，但在实际应用中，学生犯错也比较多，错误的原因也很相似，就是当题目情境中的物体有两个及以上时，容易张冠李戴.结合物质观，我们首先确定要研究的物体m，在此基础上，受力分析也只对选的m进行受力分析，加速度a也只针对选的m进行求解，从而做到一一对应便不会出错.

5 物质观在变质量问题中的应用

高中物理中涉及变质量的问题主要包括热学中气体计算类问题和动量中的流体类问题.热学计算中常见的研究对象是活塞和气体，如果是活塞，质量不变，题目类型相当于静力学或者动力学问题，学生比较容易解决.当研究对象是气体，尤其当气体质量发生变化时，由于热学中的所有定律都只适用于质量不变的气体，学生常常对此束手无策.现就此类典型问题应用物质观加以举例分析.

在充气放气问题中，气体从容器中放出来后，由于扩散，造成前后质量发生变化，学生在解题时找不到该选择哪部分进行研究而困惑.从物质观角度分析的话，如果是放气问题，那么气体初始状态对应的是一整个容器中的气体，因此放出的气体在后续的问题中也需要考虑，可以假想出而不走，从而正确选择了研究对象且保持不变.如果是充气问题，由于气体最终的状态对应的也是一整个容器，而整个容器中的气体是不断充进去的，所以在选择研究对象时需要将容器中原来的气体和每次充的氣体整体作为研究对象.

在动量章节中，粒子流和液体流等流体类问题的质量都是连续变化的，和学生形成的恒质量问题的思维惯性不一致，导致研究对象无从选起，形成学习中的一大难点.为了突破该难点，也应该教学生建立物质观.由于该类问题大多是求解接触面上的冲击力大小，而该冲击力是接触力，虽然液体是连续不断流动的，但是在该问题中，真正产生作用的只是和作用面接触的一小部分液体冲击造成的，因此我们取极短时间Δt内的一小段液体或者微粒进行研究，已知速度是v，密度是ρ，接触面积s，可以求出Δt时间内对应的液体质量为Δm=ρvsΔt，从而可以化变质量问题为恒质量问题，使问题得以简化.

6 物质观可以帮助我们正确地分析生活现象

树立良好的物质观，可以帮助人们理性地分析生活现象，不会盲目的轻信谣言.如图5，在某次军事演习活动时，有视频拍到某架飞机后边出现了一个不明物体，就有谣言称不明物体是从飞机上掉落的舱门.后来有物理学者从物质观的角度分析并辟谣，如果此物体真的是从飞机掉落的舱门或其他物体的话，那么在掉落以前，该物体和当时匀速飞行的 飞机保持相对静止，掉落后该物体由于惯性，该物体在水平方向继续做匀速直线运动和飞机保持相对静止，不可能落到飞机后面去.后来事实证明视频中的小黑点不是从飞机上掉落的物体，而是一架无人拍摄机.

由以上几个事例可知，作为学习物理的学生，在学习生活中，需要形成良好的物质观，时时做到眼中有具体确定的物，才能做到心中有所思.只有形成良好的物质观念，在分析生活现象、分析物理问题中才不会因偏离方向而感到困惑，从而达到精准解决问题的目的.

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 [M ].北京：人民教育出版社，2003（2）.

[2 ] 郭长江.新课程物理教与学 [M ].福州：福建教育出版社，2005：49.

[责任编辑：李 璟]