理清物理概念及其相互关系

杨映川 董芳芳

摘   要：物理量及其对应的物理关系式是物理概念、规律的呈现方式，对高中物理的主要物理量及其对应的关系式进行分类比较，明晰主要物理量及其对应的关系式的物理意义，理清各物理量及对应关系式的相互关系，能够优化高中物理知识体系，建构系统的物理观念。

关键词：物理量;物理关系式;物理规律;物理观念

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2020）11-0064-2

物理概念是揭示研究对象具有的物理属性的一种思维形式，包括物质概念、定性物理概念和定量物理概念。定量物理概念即为物理量。物理规律是物理现象或过程的本质联系，反映了物理运动中诸要素之间内在的必然联系，表现为在某物理状态下或物理过程中相关物理概念之间在一定条件下所遵从的关系，是反映物理现象或过程在一定条件下发展变化的必然趋势。物理规律通常以物理关系式（如物理定律和物理定理等）形式出现。可见，物理关系式是物理规律的基本形式，反映了物理量之间的关系。

物理量及其相互关系是物理概念和物理规律的基本形式，不同的物理量有其不同的含义，即使同一个物理量在不同的关系式中也有一定的普遍性和特殊性的差异。比如，由功率的定义式P= 得出的P=Fv、P=IU、P=I2R、P= 等关系式，前者是功率的普遍式，后者是功率在不同场合、不同条件下的特殊式。不同物理关系式的名称各异，含义不同，即使是同一关系式也具有不同的物理含义。比如，W=I2Rt和Q=I2Rt属于同一关系式，却表示了两个不同的物理量。只有理清物理量及其关系式的本质内涵及联系，掌握它们的共性与特点，才能构建结构优化的物理知识体系。

1    物理量及其类型

物理量是用于量度物质属性和描述物体运动状态的，是随着物理学的发展逐步建立并不断丰富完善的。因此，理解物理量的物理意义及其在不同关系式中的含义，是掌握物理概念、理解物理规律的必要条件。物理量可以从不同角度进行分类。

1.1    按方向

物理量可分为标量和矢量。只有大小没有方向的物理量称为标量，标量的运算遵循代数运算法则。既有大小又有方向的物理量称为矢量，矢量的运算遵循平行四边形定则。

1.2    按来源

物理量之间通过各种物理关系式彼此建立了联系，因此没有必要独立地规定每一个物理量的单位。只要选定一组数目最少的相互独立的物理量作为基本物理量，并给每个基本量规定一个基本单位，其他物理量的单位则可依据它们与基本量之间的关系式导出来，这些导出的物理量被称为导出物理量。导出物理量的单位都是由基本单位组合而成的，称之为导出单位。在国际单位制中，选择了七个物理量作为基本物理量，分别是长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量和发光强度，其余物理量都是导出物理量。

1.3    按时空

物理学中把与状态有关的物理量称为状态量，与过程有关的物理量称为过程量。状态与过程往往通过空间和时间相联系，状态量与过程量之间也由相应的物理关系式联系在一起。

2    物理关系式及其类型

物理关系式不仅反映了物理量之间的数量关系，也确定了物理量之间的单位关系。在中学物理中，有些物理关系式是用语言直接叙述的，如牛顿第一定律、能量守恒定律、电荷守恒定律、楞次定律、热平衡定律、热力学第二定律、热力学第三定律、各种定则等。还有一些物理关系式除了可以用语言叙述之外，还可以用数学公式即物理关系式表示。物理关系式是物理规律的重要表现方式。只有理解并掌握物理关系式以及它们之间的相互关系，才能理解和掌握与之对应的物理规律，进而形成正确的物理观念。物理关系式可以从不同角度进行划分。

2.1    按来源分为物理定律、物理定理和物理定则等

物理定律是被大量实验事实所证明的，反映事物在一定条件下发生變化时的客观规律，有一定的理论模型，一般是在特定的条件下才成立，如牛顿运动定律反映了物体的受力和运动之间存在的规律，由大量实验事实总结而来，而不是从别的原理推导而来，这些规律只有在宏观世界里的低速条件下才成立。物理定理是从物理定律出发，经过逻辑推理、数学运算而得出的，所有定理都有与之对应的定律，如动能定理是利用牛顿运动定律通过逻辑推理和数学推演而来，是对合外力做功与动能变化之间关系的陈述。有些定理还被称为方程，如理想气体的状态方程。物理定则是人们公认的一种用以表达事物间内在联系的规定，是一种人们用以解决某些问题所运用的工具，如平行四边形定则就是用来表示合矢量与各分矢量之间内在关系的规定，是进行矢量运算的工具。

2.2    按性质分为定义式和决定式

定义式是为了给一个物理量下定义而选定的关系式，亦即根据定义而列出的式子，反映了所定义物理量的物理意义，通常有比值定义式和乘积定义式两类。比值定义式就是用其他物理量的比值来定义该物理量的公式，大多数比值定义的物理量与用来定义的其他物理量没有关系，这样的定义式也称为量度式。如电场强度的定义式E= ，E与F和q没有关系，是由电场本身的性质决定的。但个别除外，如压强的定义式p= ，对固体的压强p来说，与压力F成正比，与受力面积S成反比。乘积定义式就是用其他物理量的乘积来定义该物理量的公式， 多数乘积定义的物理量与用来定义的其他物理量之间存在关系，如W=FScosθ、I=Ft、p=mv、Ek= mv2、Ep=mgh、φ=BS等。决定式是明确表达某一个物理量与决定它的另外几个物理量的关系式，因为是由其他几个物理量决定了该物理量，所以叫决定式。一般情况下，决定式并不反映所决定的物理量的物理意义，如电阻的决定式R=ρ 表示导体的电阻R取决于导体的电阻率ρ和导体的长度l以及横切面积S，并不反映电阻的物理意义。有些物理量从不同角度看有不同的决定式，如电流从微观的角度去理解其决定式为I=nvqS，从宏观的角度去理解其决定式为I= 等。定义式具有普遍性，而决定式只在某些特定条件下才成立。有些关系式既是物理量的定义式又是它的决定式，如W=FScosθ、I=Ft、p=mv、Ek= mv2、Ep=mgh、φ=BS等。有些关系式是一个物理量的定义式又是另一个物理量的决定式，如ρ= 是密度的定义式，变形为m=ρV则成了质量的决定式。有些决定式是通过定义式的推导而得出的，如电流功率的决定式P=UI是由功率的定义式P= 推导得出的。

2.3    按方向分为标量式和矢量式

按物理关系式中物理量方向关系可分为标量式和矢量式。有些物理公式只表示物理量的大小关系，如功的定义式W=FScosθ只表示了功与力、位移和力与位移夹角的大小关系，称之为标量式。有些物理公式不仅表示物理量的大小关系，还表示了物理量的方向关系，如电场强度的定义式E= 既表示了电场强度与电场力的大小关系，也表示了它们的方向关系，称之为矢量式。

总之，只有在教学中引导学生准确理解各个物理量及其对应的关系式的来源及本质含义，了解其普遍性和特殊性的相互关系，才能使学生理清物理概念，优化知识结构体系，建构起全面且正确的物理观念。

（栏目编辑    张正严）