邢 琳

(中原工學(xué)院理學(xué)院 河南 鄭州 450007)

1 引言

大學(xué)物理課程是高等學(xué)校理工科學(xué)生的必修課，也是一門重要的基礎(chǔ)課.理工科學(xué)生如果能在大學(xué)期間認(rèn)認(rèn)真真地學(xué)好大學(xué)物理課程，不僅對(duì)于自身專業(yè)課的學(xué)習(xí)有很大的幫助，而且對(duì)于未來(lái)邁入社會(huì)也會(huì)有非常深遠(yuǎn)的影響.但是大學(xué)物理課程由于知識(shí)點(diǎn)多，內(nèi)容跨度大，所涉及的解題方法和技巧也各不相同，因此造成理工科學(xué)生普遍感覺(jué)到大學(xué)物理課程難學(xué)、吃力、枯燥，甚至有些學(xué)生會(huì)出現(xiàn)逃課現(xiàn)象.如何提高大學(xué)生們學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣和積極性，有效地吸引他們，成為從事大學(xué)物理教學(xué)的教師們一直關(guān)注的問(wèn)題.

隨著我國(guó)綜合實(shí)力的不斷增強(qiáng)，很多國(guó)際性的體育比賽在我國(guó)舉行，這無(wú)疑會(huì)引起大學(xué)生們對(duì)體育的廣泛關(guān)注，尤其是高校理工科的男生們會(huì)更加瘋狂地癡迷體育.而在各種體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，都包含有大量的物理知識(shí).

結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐，以力學(xué)部分的講解為例，在大學(xué)物理教學(xué)中融入體育運(yùn)動(dòng)情境不僅傳授了知識(shí)，培養(yǎng)了能力，還能夠吸引學(xué)生，讓學(xué)生結(jié)合自身的實(shí)際切實(shí)感受到物理的魅力，從而激發(fā)他們學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣.

2 大學(xué)物理力學(xué)部分的知識(shí)框架

首先來(lái)回顧一下大學(xué)物理力學(xué)部分的知識(shí)結(jié)構(gòu).在大學(xué)物理力學(xué)部分通過(guò)對(duì)研究對(duì)象的抽象，主要學(xué)習(xí)了兩個(gè)理想的物理模型：質(zhì)點(diǎn)和剛體.基于這兩個(gè)理想的物理模型，又分別學(xué)習(xí)了兩類問(wèn)題：運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題.對(duì)于運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題主要學(xué)習(xí)了物體的位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度等；而對(duì)于動(dòng)力學(xué)問(wèn)題首先學(xué)習(xí)了物體的受力和力矩.接下來(lái)的知識(shí)點(diǎn)便是把物體的受力和力矩與運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題有機(jī)關(guān)聯(lián)起來(lái)的一些定律或者定理，如聯(lián)系力與加速度的牛頓第二定律、聯(lián)系力矩與角加速度的轉(zhuǎn)動(dòng)定律等.此外，再深入一步，聯(lián)系二者的知識(shí)點(diǎn)分別有質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律、質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)能定理、質(zhì)點(diǎn)系的功能原理、機(jī)械能守恒定律、能量守恒定律、剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量定理、剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量守恒定律、剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能定理等.

3 大學(xué)物理力學(xué)教學(xué)中融入體育運(yùn)動(dòng)情境

盡管大學(xué)物理力學(xué)部分知識(shí)點(diǎn)的脈絡(luò)很清晰，但是涉及到知識(shí)點(diǎn)的講解是有技巧的.鑒于力學(xué)部分的內(nèi)容與實(shí)際生活結(jié)合比較密切，因此筆者就把體育運(yùn)動(dòng)情境融入到物理知識(shí)的講解中.通過(guò)展示豐富多彩、生動(dòng)的體育情境，為學(xué)生盡可能地提供直觀的物理事實(shí)和現(xiàn)象，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)的物理知識(shí)進(jìn)行分析、判斷和綜合，在課堂上更能發(fā)揮學(xué)生們的積極主動(dòng)性，從而加深對(duì)所學(xué)物理內(nèi)容的理解，下面舉一些教學(xué)實(shí)例加以說(shuō)明.

3.1 質(zhì)點(diǎn)

質(zhì)點(diǎn)是大學(xué)物理力學(xué)部分學(xué)習(xí)的第一個(gè)知識(shí)點(diǎn).如果研究某一物體的運(yùn)動(dòng)，而可以忽略其大小和形狀對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響，若不涉及物體的轉(zhuǎn)動(dòng)和形變，就可以把物體當(dāng)作是一個(gè)具有質(zhì)量的點(diǎn)(即質(zhì)點(diǎn))來(lái)處理，因此質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)理想的物理模型.為了讓學(xué)生們更深刻地理解該知識(shí)點(diǎn)，可結(jié)合一些體育比賽的例子，例如讓大家思考帆船比賽中如何確定帆船在大海中的位置，鉛球比賽中研究鉛球被擲出后在空中的飛行時(shí)間，求解跳水運(yùn)動(dòng)員完成空中動(dòng)作的時(shí)間等，從學(xué)生熟悉的、感興趣的體育項(xiàng)目出發(fā)，明確所提問(wèn)題研究的是什么，分析物體的大小和形狀對(duì)所研究的問(wèn)題有什么影響，就可以很好地幫助學(xué)生們深刻地理解物理的基本概念和思想，從而取得良好的教學(xué)效果.

3.2 位移路程速度加速度

在大學(xué)物理中位移、速度、加速度都是矢量，這是和高中學(xué)習(xí)不一樣的地方.為了體會(huì)位移與路程、速度與速率的區(qū)別，可引入100 m和200 m的短跑體育項(xiàng)目情境，基于標(biāo)準(zhǔn)跑道的形狀和周長(zhǎng)，學(xué)生可輕而易舉地區(qū)別位移與路程、速度與速率等知識(shí)點(diǎn)；還可以引入推鉛球、擲鐵餅、擲標(biāo)槍等運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目情境，在重力作用下，鉛球、鐵餅和標(biāo)槍做的是拋物線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡是物體的路程，而投擲點(diǎn)與落地點(diǎn)的連線便是物體的位移，進(jìn)而也可以求解物體的運(yùn)動(dòng)速度、速率、平均速度等物理量.

3.3 牛頓第一定律

牛頓第一定律又稱慣性定律，其描述為：任何物體都要保持其靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止.對(duì)于慣性，在體育比賽中也是常見(jiàn)的，比如擲鉛球時(shí)鉛球離開(kāi)手后仍能向前運(yùn)動(dòng)，短跑運(yùn)動(dòng)員沖線后又向前跑幾步，跳遠(yuǎn)時(shí)運(yùn)動(dòng)員要助跑等.

3.4 摩擦力

摩擦力在日常生活中可謂是無(wú)處不見(jiàn)，但是摩擦產(chǎn)生的影響通常有利弊兩個(gè)方面，因此要盡可能地趨利避害，有時(shí)需要設(shè)法增大摩擦，有時(shí)又需要設(shè)法減小摩擦.在體育運(yùn)動(dòng)中這樣的例子也有很多，比如，舉行拔河比賽時(shí)運(yùn)動(dòng)員常穿上比較新的運(yùn)動(dòng)鞋而且不希望地面上有沙子；體操運(yùn)動(dòng)員在做體操前或舉重運(yùn)動(dòng)員舉杠鈴前，常在手掌心或器械上抹一些鎂粉；運(yùn)動(dòng)員跑步穿釘鞋等這些操作都是為了增大摩擦力，從而贏得比賽；而在游泳比賽中，運(yùn)動(dòng)員穿鯊魚衣或者刮體毛等這些操作都是為了減小運(yùn)動(dòng)員游動(dòng)時(shí)的摩擦力，從而為運(yùn)動(dòng)員贏得比賽時(shí)間.

3.5 彈性力彈性勢(shì)能

彈性力是由物體形變而產(chǎn)生的.在體育運(yùn)動(dòng)中，常會(huì)看到一些射箭項(xiàng)目，其中弓和箭的運(yùn)動(dòng)就可以由彈性力和彈性勢(shì)能得以很好地解釋.比如運(yùn)動(dòng)員拉弓射箭時(shí)，弓首先發(fā)生彈性形變，從而具有彈性勢(shì)能，同時(shí)箭會(huì)受到來(lái)自于弓的彈性力作用.當(dāng)運(yùn)動(dòng)員松手時(shí)，箭被射出，具有動(dòng)能，這是由于弓的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化成了箭的動(dòng)能.在該轉(zhuǎn)化過(guò)程中，由于只有彈性力做功，因此該過(guò)程還滿足機(jī)械能守恒定律；此外，在體育運(yùn)動(dòng)中，還常會(huì)看到在撐桿跳高時(shí)，運(yùn)動(dòng)員要努力使桿的形變更大，這主要是撐桿的形變?cè)酱缶哂械膹椥詣?shì)能就越大，從而使運(yùn)動(dòng)員能上升的高度就更高；再比如網(wǎng)球拍、羽毛球拍要用彈性好的材料做成，彈性好的材料能按照運(yùn)動(dòng)員的要求產(chǎn)生需要的彈性勢(shì)能，從而使球具有足夠的動(dòng)能.

3.6 動(dòng)量守恒定律

動(dòng)量守恒定律是物理學(xué)中最普遍、最基本的一個(gè)重要定律，也是理工科大學(xué)生應(yīng)該掌握的一個(gè)重要定律.它的表述為：當(dāng)系統(tǒng)所受合外力為零時(shí)，系統(tǒng)的總動(dòng)量將保持不變.在花樣滑冰場(chǎng)上常會(huì)看到兩名運(yùn)動(dòng)員在滑冰表演剛開(kāi)始時(shí)他們靜止不動(dòng)，隨著優(yōu)美音樂(lè)的響起，他們相互猛推一下后分別向相反方向運(yùn)動(dòng)，二者均獲得了一定的速度.經(jīng)分析可知該過(guò)程滿足動(dòng)量守恒定律，這是因?yàn)槎叩南嗷プ饔昧儆谫|(zhì)點(diǎn)系的內(nèi)力，對(duì)整個(gè)質(zhì)點(diǎn)系來(lái)講，系統(tǒng)所受的合外力為零，因此系統(tǒng)的總動(dòng)量守恒.

3.7 機(jī)械能守恒定律

在只有保守內(nèi)力做功的情況下，質(zhì)點(diǎn)系的機(jī)械能保持不變，這就是機(jī)械能守恒定律.該定律也是理工科大學(xué)生應(yīng)該掌握的一個(gè)重要定律.保守力通常有重力、引力和彈性力.在體育運(yùn)動(dòng)中，滿足機(jī)械能守恒定律的運(yùn)動(dòng)有很多，比如，如果不計(jì)空氣阻力，跳水運(yùn)動(dòng)員在入水之前的過(guò)程、跳高運(yùn)動(dòng)員在起跳后的過(guò)程、籃球運(yùn)動(dòng)員在球出手后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程等.

3.8 剛體

如果在外力作用下，物體的形狀和大小不發(fā)生變化，這種理想化的物體就叫做剛體.顯然，在大學(xué)物理力學(xué)教學(xué)中，剛體是質(zhì)點(diǎn)之外的又一個(gè)理想模型.眾所周知，幾乎所有的體育運(yùn)動(dòng)都是由運(yùn)動(dòng)員身體動(dòng)作組成的，因此在對(duì)人體動(dòng)作進(jìn)行分析時(shí)就需要忽略人體或人體關(guān)節(jié)的大小和形變，把人體或人體關(guān)節(jié)抽象為剛體.基于此理想模型的建立，就可以研究組成肢體的各剛體的平動(dòng)或者繞關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng).

3.9 角動(dòng)量守恒定律

如果物體所受的合外力矩等于零，或者不受外力矩的作用，物體的角動(dòng)量保持不變，這叫做角動(dòng)量守恒定律.它也是自然界的一個(gè)基本定律，有許多現(xiàn)象都可以用角動(dòng)量守恒來(lái)說(shuō)明.例如跳水運(yùn)動(dòng)員和體操運(yùn)動(dòng)員圍繞身體的橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)，花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員圍繞身體轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作等都可由該定律很好地解釋.這里需要注意的是在對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行動(dòng)作分析時(shí)，需要先把運(yùn)動(dòng)員的身體看作一個(gè)剛體.

當(dāng)然還有很多的物理知識(shí)可以從體育運(yùn)動(dòng)方面來(lái)解讀，教師需要多觀察、多思考、多積累，做個(gè)有心人.通過(guò)靈活運(yùn)用體育運(yùn)動(dòng)，對(duì)與之相關(guān)的物理知識(shí)進(jìn)行深入淺出的分析和講解，不僅能夠幫助學(xué)生正確地理解物理概念，還能夠增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，達(dá)到良好的教學(xué)效果，從而提高教學(xué)質(zhì)量.

4 結(jié)語(yǔ)

大學(xué)物理力學(xué)教學(xué)中融入體育運(yùn)動(dòng)情境，不僅可以激發(fā)大學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣，而且可以提高他們的自信心以及對(duì)物理知識(shí)的觀察、分析、理解和運(yùn)用能力，反過(guò)來(lái)也可以利用大學(xué)物理的力學(xué)基本理論來(lái)幫助運(yùn)動(dòng)員理解和掌握技術(shù)動(dòng)作要領(lǐng)，進(jìn)而優(yōu)化動(dòng)作的合理性，提高運(yùn)動(dòng)水平.

參考文獻(xiàn)

1 馬文蔚, 周雨青. 物理學(xué)教程(上冊(cè)). 北京: 高等教育出版社, 2006

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