高中阶段 “重力” 知识的物理观念内涵分析

吕 爽，刘茂军

（吉林师范大学 物理学院，吉林 四平 136000）

0 引言

教育部于2017年颁布的《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称新课标），在整合与提升三维教学目标的基础上，首次提出物理学科核心素养一词，并且明确划分为四部分内容，分别是物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任.

本文通过对高中重力知识的物理观念内涵的分析，以深刻理解物理观念的本质.初中阶段，学生对重力知识已有一定的了解.人教版八年级上册物理教材中，重力的定义为由于地球的吸引而使物体受到的力.2019 年新版高中物理教材必修第一册中，重力的定义为由于地球的吸引而使物体受到的力［1］.初高中教材上对重力的定义相同，均指出重力是由于地球的吸引而产生的.从初中物理教材上第一次提到重力，到高中物理对重力的进一步学习，学生都不能透彻地理解重力的本质，培养物理观念的教学也无从入手［2］.在此，本文将深入探讨重力的物理观念内涵，以更好地指导中学物理教学实践.

1 物理观念的内涵

新课标将物理观念划分为物质观念、运动与相互作用观念和能量观念等因素，并且指出物理观念就是在对物理概念、规律等提炼和升华的基础上，形成的对物质、运动与相互作用、能量的基本认识.新课标中肯定了物理观念的重要地位，将物理观念视为解释自然现象和解决实际问题的基础［3］.

物理观念之所以可以成为新课标物理课程的重要目标之一，是因为物理观念一旦形成，就会根植于人们的头脑中，即使有一天学习的物理知识被遗忘了，学生头脑中形成的物理观念依然存在，并对以后的物理学习起一定的作用.被保留下来的物理观念，对学生的想法、行为和解决问题的方式方法都会产生影响.物理观念是物质世界在人头脑中的反映，由于受到认识主体知识水平、认知发展阶段和个人兴趣等不同因素的影响，即使对待同一事物，每个人形成的物理观念也是不同的，进而使得物理观念打上认识主体的烙印.因此，物理观念具有一定的主观性.大量物理事实经过长时间的积累形成物理知识，即物理知识是来自于人类研究物质世界变化规律过程中得到的概念、规律.物理事实描述的是客观的物质世界，物质世界不以人的意志为转移.因此，作为无数物理事实集合体的物理知识，也具有一定的客观性.

通过对物理观念和物理知识的比较与分析，可以看出物理观念和物理知识二者之间既有区别又有联系［4］，应加以辩证的认识.物理观念的形成以物理知识为依托，但物理观念不是物理知识的简单堆积，而是物理概念、物理规律在头脑中提炼与升华的结果.因此，物理观念对物理知识具有引领作用.物理观念的层次高低，决定着学生对物理世界认识层次的高低.物理知识的积累是物理观念形成的基础，不同知识水平的人即使对待同一事物，形成的物理观念的层次也是不同的.

2 高中 “重力” 知识的物理观念内涵分析

2.1 物质观内涵分析

重力的物质观指的是重力的施力物体和受力物体均是物质，并且这种物质具有静止质量和一定的结构［5］.高一的学生已经知道，物质的组成结构是分子或原子，原子的组成结构是原子核和核外电子，对固体、液体、气体的性质及状态之间的转化有了简单的了解.但是学生的认知还停留在 “看得见、摸得着” 的物质，具有一定的局限性［6］.

根据重力的定义我们知道，重力是一种非接触力.高中学生的认知已经发展到了一定的水平，基于牛顿万有引力的思想，也不难理解重力的发生.重力的施力物体是地球，受力物体是地球附近一切物体.无论是施力物体还是受力物体，都是客观存在的一种物质，这种研究对象的确定就是物质观的表现.因此，高中 “重力” 知识的物质观表现在以下三个方面：（1）物质的存在形式.科学家认为，自然界中的物质有实物和场两种基本存在形态.施力物体和受力物体都以实物的形态存在，具有一定的静止质量，占有一定的空间，且存在形式是间断的；（2）物质的结构.各种物质形态在自然界中都有一定的结构，施力物体和受力物体都是由具有静止质量的基本粒子组成的物质，只是不同的物质内部结构不同；（3）物质的属性.物质的属性和功能受物质结构的影响.受到重力的物体必然是具有质量的某种物质，而质量是物质最基本的属性.经过初中对重力的学习，学生能从物理学的视角观察自然现象，形成将物理学与实际相联系的认识.高中则在此基础上，潜移默化地促进了学生物质观念的建构，使学生初步具有物质观念，为学生日后物理观念、核心素养的形成奠定了基础.

2.2 运动与相互作用观内涵分析

重力的运动与相互作用观指的是重力来源于万有引力，即来源于施力物体和受力物体之间的相互作用.在一定条件下，这种相互作用使物体的运动状态发生改变.高中 “重力” 知识的运动与相互作用观表现在以下两个方面：（1）世界上的一切物质都处于运动之中，只有相对静止没有绝对静止.由于地球自转，地球上的一切物质都处于运动之中.我们所研究的物体受到重力作用而做的运动，都是相对地球静止而言的；（2）按照牛顿的思想我们知道，任何有质量的物体之间都存在着遵循相同规律的引力，即万有引力.从万有引力的角度看，重力来源于地球对地球表面附近物体的万有引力，即来源于两个物体间的相互作用［7］.所有具有质量的物体之间都存在着相互吸引力，这种作用是超距的，不需要物与物的接触.从 “相互接触” 到 “超距作用” ，是人类思维上的一次重大飞跃，进一步丰富和发展了相互作用观念.

以自由落体运动中的运动与相互作用观的分析为例，2019 年新版高中物理教材必修第一册中，自由落体运动的定义是物体只在重力作用下从静止开始下落的运动.雨滴从高空掉落，起初雨滴处于静止状态，由于地球的吸引使雨滴受到重力作用，致使雨滴运动状态发生改变，由静止变为匀加速直线运动.牛顿万有引力的发现源于苹果落地的现象.成熟的苹果由于地球的吸引，受到重力作用做自由落体运动，这种相互作用使苹果由静止运动起来.以上两种现象说明重力是雨滴、苹果运动状态发生改变的原因.这种由于相互作用使物体运动状态发生改变的现象，就是运动与相互作用观的体现.

不同学习阶段，运动与相互作用观念的教学要求是不同的.2019年新版高中物理教材必修第一册教学中，主要是以匀变速直线运动为问题情境来体现运动与相互作用观念的.因此，教学要结合学生认知发展规律，循序渐进，为后续进一步构建运动与相互作用观奠定基础［8］.

2.3 能量观内涵分析

重力的能量观指的是物体由于被举高而具有重力势能，在一定条件下，物体的重力势能可以转化为其他形式的能量.高中 “重力” 知识的能量观体现在以下两个方面：（1）物体由于被举高而具有重力势能，被举高的高度与势能零点的选取有关，一般选取地球表面为重力势能零点；（2）重力势能可以与动能、弹性势能等其他形式的能量之间进行转换.禁止高空抛物、墙体脱落请勿靠近等生活中常见的警示牌，都蕴含着 “重力” 知识的能量观.初中学生已经掌握了重力势能、动能以及能量转化的相关知识，了解了各种形式的能量之间可以互相转化.因此，不难理解其中蕴含的物理知识.选取地球表面为重力势能零点，高空物体由于 “被举高” 而具有一定的重力势能.由于受到地球吸引力的作用，开始做自由落体运动.物体相对于重力势能零点的位置越高、质量越大，则具有的重力势能越大.运动过程中，由于物体只受到重力的作用（空气阻力忽略不计），物体开始做初速度为零的匀加速直线运动.速度在单位时间内均匀递增，高度越高，落到地面时的速度越大，物体所具有的动能就越大.在这一运动过程中，物体完成重力势能到动能的转化.

3 结语

充分研读与分析物理教材，挖掘教材具体知识中隐含的物理观念，是每位物理教师的必修课，是做好教学工作的必要前提.分析具体物理知识中隐含的物理观念内涵，不仅可以增强学生对抽象物理观念的理解，还能为教师教学提供新思路.教学过程要在保证遵从学生认知规律的前提下，结合具体教学内容显化物理观念，培养学生将物理知识与实际情景相关联的自觉性［9］.通过不断的探究、实践和总结，帮助学生对物理概念、物理规律进行提炼和升华［10］，完成思维上的跨越.在理解物理观念的基础上，最终完成物理观念的建构，进而真正提高物理学科核心素养.