高二理科生在物理力學復習中應注意的問題

　　導讀：對于高二理科生來講，力學在物理復習中是個重點，掌握好力學，有助于弄清力學和熱學的綜合問題，下文是高考網(wǎng)為大家整合的力學在物理復習中應注意的問題。

　　力學是一門相當古老的學科，在教科書上我們曾經(jīng)在動力學伊始就學習過“歷史的回顧”，由此可見編者的良苦用心。對力學的復習就由此談起吧。

　　一.力學的建立

　　力學的演變以追溯到久遠的年代，而物理學的其它分支，直到近幾個世紀才有了較大的發(fā)展，究其原因，是人們對客觀事物的認識規(guī)律所決定的。在日常生活和生產(chǎn)勞動中，首先接觸最多的是宏觀物體的運動，其中最簡單.最基本的運動是物體位置的變化，這種運動稱之為機械運動。由此我們注意到，力學建立的原動力就是源于人們對機械運動的研究，亦即力學的研究對象就是機械運動的客觀規(guī)律及其應用。了解了這些，可以對力學的主脈絡有了一條清晰的線索，就是對于物體運動規(guī)律的研究。首先要涉及到物體在空間的位置變化和時間的關系，繼而闡述張力之間的關系，然后從運動和力出發(fā)，推廣并建成完整的力學理論。正是要達到上述目的，我們在研究過程中，就需要不斷地引入新的物理概念和方法，此間，由“物”及“理”的思維過程和嚴密的邏輯揄體系，逐步得以完善和體現(xiàn)。明確了以上觀點，可以使我們在學習及復習過程，不會生硬地接受.機械地照搬，而是自然流暢地水到渠成。

　　讓我們走入力學的大門看一看，它的殿堂是怎樣的金碧輝煌。靜力學研究了物體最簡單的狀態(tài)：簡單的狀態(tài)：靜止或勻速直線運動。并且闡述了解決力學問題最基本的方法，如受力情況的分析以及處理方式；力的合成.力的分解和正交分解法。應當認識到，這些方法是貫穿于整個力學的，是我們研究機械運動規(guī)律的不可缺少的手段。運動學的主要任務是研究物體的運動，但并不涉及其運動的原因。牛頓運動定律的建立為研究力與運動的關系奠定了雄厚的基礎，即動力學。至此，從理論上講各種運動都可以解決。然而，物體的運動畢竟有復雜的問題出現(xiàn)，諸如碰撞.打擊以及變力作用等等，這類問題根本無法求解。力學大廈的建設者們，從新的角度對物體的運動規(guī)律做了全面的.深入的討論，揭示了力與運動之間新的關系。如力對空間的積累－功，力對時間的積累－沖量，進而獲得了解決力學問題的另外兩個途徑－功能關系和動量關系，它們與牛頓運動定律一起，在力學中形成三足鼎立之勢。

　　二.力學概念的引入

　　前面曾經(jīng)提到過，力學的研究對象是機械運動的客觀規(guī)律及其應用。為達此目的，我們需要不斷地引入許多概念。以運動學部分為例，體會一下力學概念引入的動機及方法，這對力學的復習無疑是大有裨益的。

　　讓我們研究一下行駛在平直公路上的汽車。首先一個問題就是，怎樣確定汽車在不同時刻的位置。為了能精確地確定汽車的位置，我們可將汽車看作一個點，這樣，質(zhì)點的概念隨之引入。同時，參照物的引入則是水到渠成的，即在參照物上建立一個直線坐標，用一個帶有正負號的數(shù)值，即可能精確描述汽車的位置。而后由于汽車位置要不斷地發(fā)生變化，位置的改變－位移亦被引入，至于速度的引入在此就不再贅述。在學習物理的過程中，這類問題可以說比比皆是。因此，只有搞清引入某一概念的真正意圖，才能對要研究的問題有深入的了解，才能說真正地掌握了一個物理概念。而在物理中，引入概念的方法，充分體現(xiàn)了物理學的研究手段，例如：用比值定義物理量。該方法在整個物理學中具有很典型的意義。

　　把握一個概念的來龍去脈和準確定義顯然是非常重要的，可以避免一些相似概念的混淆。如功與沖量.動能與動量.加速度與速度等等。所謂學習物理要“概念清楚”，就是這個含意。

　　三.力學規(guī)律的運用

　　物理概念的有機組合，構成了美妙的物理定律。因此，清晰的概念是掌握一個定律的重要前提。如牛頓第二定律就是由力.質(zhì)量及加速度三個量構成的。在力學中重要的定律定理有：牛頓一.二.三定律；機械能守恒定律；動量守恒定律；萬有引力定律；動量定理和動能定理。掌握定律并非以記憶為標準，重要的是會在實際問題中加以運用。如牛頓第二定律，從形式上看來并不復雜，然而很多同學在解決連結體問題時，卻總是把握不好這三個量對研究對象之間的“對應關系”。在此可舉一例。水平光滑軌道上有一小車，受一恒定水平拉力作用，若在小車上固定一個物體時，小車的加速度要減小是何原因？常見的答案顯然是：合外力不變，質(zhì)量變大。然而，若回答合外力變小，是不是正確的呢？這里顯然是由于研究對象的選擇不同而造成的不同結果。在此，研究對象的確定和公式各量的對應性問題，起著關鍵的作用，這也恰恰是牛頓第二定律應用時的重要環(huán)節(jié)。

　　運動學規(guī)律及動力學關系在解決問題時，也有許多應當注意和思考的地方。如在勻速圓周運動中，我們似乎并未明確指出哪些公式屬于運動學關系，哪些屬于動力學關系，但在實際問題中卻可使人困惑。例如：在一光滑水平面上用繩拴一小球做勻速圓周運動，由公式v＝2nr/T可以知道，若增大速率V可以減小周期T。然而衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動時，我們卻不能用增大V的方式來改變周期T，若僅在V＝2nr/Th大做文章定會百思不得其解。究其原因，還是由于忽略了動力學原因，即前者與后者的最大區(qū)別是向心力來源不同。一個是繩子彈力，它可以以r不變時，任意提供了不同大小的拉力；而另一個是萬有引力，當r一定時，其大小也就一定了。在這類問題上，最容易犯的就是片面性的錯誤。再比如機械能守恒和動量守恒這兩條重要的力學定律，我們是否了解了守恒的條件，就可以做到靈活地運用呢？我們知道，機械能守恒的條件是“只有重力做功”，有些人看到某個問題中，重力沒有做功，就立刻得出機械能不守恒的結論，如光滑水平面上的勻速直線運動。造成這類錯誤的原因是，只注意到了物理定律的文字表述，孰不知深刻理解其內(nèi)涵才是最重要的。如動量守恒定律的內(nèi)涵，是在滿足了守恒條件的情況下，即系統(tǒng)不受外力或外力合力為零，動量只是在系統(tǒng)內(nèi)部傳遞，而總動量不變。

　　最后談談動能定理和動量定理。觀察其形式可以發(fā)現(xiàn)，每個定理都涉及兩個狀態(tài)量和一個過程量，注意到這一點應是定理正確應用的關鍵。我們不妨將狀態(tài)看作一個點，過程看作一條線，在應用時必然是“兩點夾一線”，即狀態(tài)量及過程量，一定要對應，這也是兩個定理的相似之處，至于它們的區(qū)別，在此就不多講了。

　　由以上的討論可以看出，對物理定律的應用，絕不能只滿足于會用，而應當多方面地體會其深層的含意和適用條件中所包含的物理意義。只有這樣，才能達到靈活運用物理規(guī)律解題的目的，做到居高臨下，以不變應萬變。

　　四.邏輯推理在物理中的運用

　　邏輯推理在力學中可以說俯拾皆是。嚴密的邏輯推理，是正確運用物理規(guī)律解決問題的必由之路。試舉一例：做曲線運動的物體一定受合外力，其邏輯推理過程如下：曲線運動的速度方向沿軌跡的切線方向，而曲線切線方向每點是不同的，因此曲線運動的速度方向一定是不斷變化的。由于的矢量，所以曲線運動必為變速運動，必然有加速度，由牛頓第二定律可知其必受合外力。當然，實際問題中似乎并非如此繁瑣，然而細細地想來又的如此，只是思維過程較為迅速罷了。再舉一例：合外力對物體做功不為零，則物體的動量一定發(fā)生變化，而物體的動量變化，合外力對物體不一定做功。此命題依然可用邏輯推理說明其正確性。根據(jù)動能定理，當合外力做功時，則物體的動能必然發(fā)生變化，因此速率發(fā)生變化，則動量必然變化。反之支量發(fā)生變化，動能不一定變（動量是矢量，動能是標量），則合外力不一定做功。不難看出，清晰地認識概念，牢固地掌握規(guī)律，者嚴密正確的邏輯推理得以完成的重要前提和充足的條件補充。同學們?nèi)舳嗔粢?多用心，定會受益非淺。

　　解決力學問題，無非是解決物體的運動問題。既然如此，描述運動狀態(tài)和改變運動狀態(tài)之間就是力學手段應用的切入點。如描述運動狀態(tài)的量有速度.動量和動能，而改變狀態(tài)的原因又分別是力.沖量和功，構成以上關系的則分別是牛頓第二定律.動量定理和動能定理，而這些恰恰是質(zhì)點動力學的主干。如此說來，我們的復習過程絕不是做題可以全部代替的，必須深入力學的各個領域，切實體會各部分的個性和共性，把握各量之.各規(guī)律間的內(nèi)在聯(lián)系，才能對整個“力學體系”有宏觀地了解，更好.更有效.更迅速地解決各種力學問題。

　　比起轟轟烈烈的力學問題來，熱學體系要顯得平靜和細膩。在此著重談談氣體定律的應用問題。

　　眾所周知，對一種事物，若要研究之，必先描述之，這在學習物理過程中，大家已深有體會。氣體問題當然也不例外，狀態(tài)參量的確定，便成了首當其沖的問題，溫度.體積和壓強諸參量中壓強的確定顯得尤為重要，這并非是壓強有超乎一般參量的地位，而是由于壓強計算的復雜性和它的變化多端，在復習中應引起足夠的重視。

　　解決氣體問題除了要熟練應用氣體定律之外，方法的掌握也是至關重要的。常用的方法有極限法及假設法，下面簡單談談這兩種方法的運用。

　　例1.把裝有氣體的上端封閉玻璃管豎直插入水銀槽內(nèi)，管內(nèi)水銀面與槽內(nèi)水銀面的高度差為h。當玻璃管緩慢豎直向下插入一些，問h怎樣變化？

　　例2.在一根一端封閉的均勻直玻璃管中，有一段5厘米長的水銀柱，把質(zhì)量為m的空氣封閉在玻璃管中。當玻璃管水平放置時，管內(nèi)空氣柱的長度為14厘米，現(xiàn)緩慢地搖動玻璃管，讓一定量的空氣進入封閉在管內(nèi)的空氣柱中，最后，當玻璃管處在豎直位置且開中向下時，空氣柱的長度為16厘米。設在整個過程中溫度保持不變，大氣壓強為75厘米汞柱，求后來進入空氣柱的空氣質(zhì)量。

　　分析：此類問題若采用玻－馬定律且涉及質(zhì)量問題，一定會有質(zhì)量與體積的關系。而質(zhì)量比等于體積比，則應在“同種.同質(zhì).同溫”的三同條件下才是成立的。此時，可應用“假設法”，使一部分氣體發(fā)生實際上并未發(fā)生的狀態(tài)變化，從而找出上述關系，這就是在此題中應用假設法的初衷。哪下述過程：假設管中未進入氣體且玻璃管開口向下，由玻－馬定律知，氣柱高度應為:P0l=Pl，l=75×14/70=15(cm)，再假設此時氣體進入玻璃管，則將占有1厘米，則有m‘/m=l’/l=1/15，所以有m‘=1/15m。此題亦可做其它假設，大家不妨一試。

　　假設法作為解決問題的方法，在解決氣體問題時的確是行之有效的，應用的關鍵是要有豐富的想象力，且能緊緊把握住“狀態(tài)”.“過程”及“研究對象”，我們知道氣體三定律及一定質(zhì)量理想氣體狀態(tài)方程是針對“一定質(zhì)量”氣體而言，若解決變質(zhì)量問題時，研究對象的確定亦是不能忽視的。

　　最后再談“力熱綜合”問題。此類問題的主干仍然應以力學規(guī)律為主，其間可以有氣體壓力出現(xiàn)，從方法上看，也依然是以力學方法作為主要方法，如隔離法.整體法等等。此間最感困惑之處應是氣體壓力是否進入力學方程，這完全由研究對象的選擇而定。以88年的高考熱學題為例：一加油圓筒形氣缸靜置于地面上氣缸筒的質(zhì)量為M，活塞連同手柄的質(zhì)量為m，氣缸內(nèi)部的橫截面積為S，大氣壓強為P，平衡時氣缸的窖為V，現(xiàn)用手握著活塞手柄緩慢地向上提，設氣缸足夠長，在整個上提過程中氣體溫度保持不變，并不計氣缸內(nèi)氣體的重力及活塞與氣缸壁的摩擦，求將氣缸剛提離地面時活塞上升的距離（圖略）

　　分析：此題涉及三部分對象，氣缸.活塞及氣體，若以氣體為研究對象，其應用規(guī)律顯然是玻－馬定律，兩態(tài)一過程可以建立一個方程暫且不論，對活塞及氣缸來說，兩次平衡狀態(tài)從整體到局部共可以建立六個平衡方程。這六個方程怎樣建立及哪幾個方程是有效方程，是解此題的關鍵點。第一平衡態(tài)：對氣缸N+P0S=Mg①。對活塞P0S+mg=P1S②，對整體

　　N=(M+m)g③可見①③兩式聯(lián)立消去N后可得2式，因此，只建立第2式即可。第二平衡態(tài)：對氣缸P0S=P2S+Mg④，對活塞P2S+F=mg+P0S，⑤對整體F=(M+m)g⑥，這三式中任取二式與第②式及玻－馬定律P1V=P2(V+xS)，組成4個方程組。即可解得

　　x=(mg+mg)V/(P0S—Mg)S。

　　由以上討論可見，力熱綜合問題與力學問題的最大區(qū)別，就在于受力分析中可以出現(xiàn)氣體壓力，而聯(lián)系力熱規(guī)律必須依靠公式F＝PS，這是力熱綜合的銜接點。

　　總之，力熱綜合問題并不神秘，也并非凌駕于力學和熱學上，而是與一般綜合問題一樣，是二者有機地.巧妙地組合，但并不影響力學熱學規(guī)律的使用，問題的關鍵仍然是基本概念．基本規(guī)律和基本方法的掌握。