理论力学教学中与大学物理的异同点及关系把握

李世远

摘要：工科学生在大学一年级学习大学物理和理论力学课程，在内容上两门课程在力学方面有重合之处。学生在学习两门课程的过程中，会因学过大学物理而产生对理论力学的轻视心理。但实际上，这两门课的教学内容和教学目的要求是有不同之处的。在课程内容及要求上的差异性是理论力学教师应该认真把握的，并在教学实践中给予区分和体现，这一点是需要研究和探讨的。针对石油工程专业开设的理论力学课程，授课上也应体现出相应的特色。

关键词：理论力学；大学物理；异同点

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）29-0061-02

理论力学是研究物体机械运动的基本规律的学科，是力学的一个分支。它是一般力学各分支学科的基础。理论力学通常分为三个部分：静力学、运动学与动力学。静力学研究作用于物体上的力系的简化理论及力系平衡条件；运动学从几何角度研究物体机械运动特性而不涉及物体的受力；动力学则研究物体机械运动与受力的关系[1]。大学物理是大学理工科类的一门基础课程，通过课程的学习，使学生熟悉自然界物质的结构、性质、相互作用及其运动的基本规律，为后继专业基础与专业课程的学习及进一步获取有关知识奠定了必要的物理基础。工科专业以力学基础和电磁学为主要授课课程。本文主要阐述了两门课程在力学方面内容的相近和不同点，并针对石油工程专业的理论力学课程如何开展课程设置和内容安排做了进一步的说明[2，3]。

一、两门课程在内容上的联系和区分

（一）静力学方面

1.两门课程的相似性。包括物体受力分析以及平衡条件下的求解。受力分析当中包括作用在物体上的主动力和支持力等。物体受力分析的基本方法在两门课程中有相似的要求。

2.两门课程的不同点。大学物理中受力分析重点在重力、摩擦力和支持力等，而理论力学的静力学分析则侧重于固定铰支座、可动铰支座等产生的约束力[4-6]。从研究对象上来看，大学物理重点研究的是质点，而理论力学重点研究的是刚体；从受力角度上来看，大学物理受力分析多是平面汇交力系，而理论力学则研究的多是平面任意力系，这也是理论力学中静力学的教学重点和难点。

因此，理论力学中的静力学部分要求多于并难于大学物理，学生在大学物理当中不能学到平面任意力系受力分析及平衡条件下的求解。

（二）运动学方面

1.两门课程的相似性。理论力学的运动学与大学物理的运动学同样研究点的运动及刚体运动的几何性质，比如位移、速度和加速度等。理论力学课程讲授中，可以对点的运动、刚体的平动和定轴转动等作为复习的内容给予对待。

2.两门课的不同点。理论力学重点还是针对刚体进行研究，刚体的定轴转动、合成运动以及刚体的平面运动都是理论力学运动学部分需要重点讲授的内容。理论力学更加针对工程实际应用，在工程中简化出来的刚体系统，从授课目标上来看，更加偏重于工程实际。

因此，理论力学中的运动学部分是在大学物理的基础上，更加接近工程的实际应用，更加需要学生结合实际来把握和学习。

（三）动力学方面

1.两门课程的相似性。两门课程在动力学主要内容上都是基于牛顿第二定律和动力学三大定理（动量定理、动量矩定理和动能定理）。课程重点是运用三大定理来研究质点系和物体（刚体系）的动力学基本方程的求解问题。

2.两门课程的不同处。大学物理中的角动量定理对应于理論力学中的动量矩定理，表述上有所区别。理论力学更加偏重于刚体系的讲授，结合工程实际需求多一些。此外，理论力学动力学部分还包含了达朗贝尔原理（即动静法）的理解和应用。

二、理论力学课程学分设置和教学内容上的安排

石油工程专业的理论力学课程内容应用的教材是由高等教育出版社出版、由哈尔滨工业大学理论力学教研室编写的理论力学教材第一册。经过近年的教学实践，在教学课时上从原先的32学时增加到40学时。原先按32学时讲授，学分为2分时，主要内容包括静力学、点的运动学和动力学（质点动力学、动量定理、动量矩定理和动能定理等）。但是，在内容讲授中发现缺乏对运动学中刚体简单运动和平面运动的介绍，对后续动力学内容的学习会造成一定的困难，不容易衔接。学时增加到40学时，学分增加到2.5分时，对应于增加学时的主要内容就是运动学部分。在原来主要是在静力学、点的运动学和动力学内容的基础上增加了刚体的简单运动、平面运动的部分内容。刚体的简单运动包括平动和定轴转动。在刚体的平面运动中重点讲授的内容是纯滚动。

对于石油工程专业来讲，理论力学是一门重要的专业基础课，结合石油工程结构的平衡问题和工程机构的动力学问题来学习理论力学，对我们主讲教师提出了新的要求。同时，结合工程实例，在课堂讲授中把抽象的理论知识形象化地展示出来，也是对我们主讲教师的更高要求。

三、理论力学课程对后续学习的作用

理论力学相比大学物理来讲是属于工程力学课程的范畴，而工程力学与大学物理中的力学相比较，更偏重于工程实际。理论力学是工程力学课程体系的第一门课，是基础，也是工科专业知识的根基。对于石油工程专业学生后续学习材料力学、岩石力学、结构力学等都具有重要的铺垫意义。在这门课程的教学中，应尽力引导学生运用理论知识去分析和解决实际问题，逐步培养学生的工程思维。

对于石油工程专业来讲，后续专业课包含钻井工程、完井工程、油藏工程、渗流力学、采油工程等多门课程。理论力学在工科学生思维训练当中起到的作用，可以直接影响到学生对石油工程专业课的学习。对于石油工程中涉及的工程结构和机械装置来讲，理论力学既涉及这些结构的平衡问题以及机构的运动和动力学问题，例如管柱中的钻杆、套管等；又涉及井架的受力平衡问题以及钻头钻进过程中的动力学问题等。再例如采油工程中采油树的静力平衡问题，深水钻采过程中水下管线（例如导管、隔水管等）的平衡问题，等等。

总之，理论力学教学中与大学物理的力学部分内容，既有相同之处，也有重要区分，这对于专业授课教师来说，要能够领会并在课堂授课中给予体现。同时，结合石油工程专业本身的特点，在理论力学教学中可以更加侧重并结合到石油工程的具体实例，为后续石油工程课程学习打下坚实的基础。

参考文献：

[1]朱照宣.中国大百科全书[M].第二版.74卷.

[2]叶伟国，余国祥.大学物理[M].北京：清华大学出版社，2012.

[3]李复，安宇.普通物理力学和理论力学的整合[J].大学物理，2004，（12）：51-55.

[4]杨兆海.在理论力学教学中处理好与大学物理中力学的关系[J].现代交际，2010，（01）：80.

[5]赵凯华，罗蔚茵.力学[M].北京：高等教育出版社，1995.

[6]刘国庆，刘佳，牛金艳.工科院校应用物理专业《理论力学》教学改革的思考[J].科技创新导报，2011，（36）：176-177.