教科书中的这些物理现象能用动量定理解释吗

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  一、问题的提出
  长期以来,在动量定理的教学中,在物理教科书、众多的中学物理教学参考和学习辅导书中,常见这样一种错误观点:根据动量定理可知,如果物体的动量的变化量是一定的,通过延长力的作用时间,就可减小作用力,通过缩短力的作用时间,就可以增大作用力。应用上述观点,胡乱套用动量定理对一些物理现象进行牵强附会的解释、产生因果不分的错误,以讹传讹的现象屡见不鲜!究其原因,笔者认为有三点:一是教科书中犯有这样的错误产生了权威性的误导;二是教师“迷信”教材、对教材缺乏深入的分析研究;三是动量定理中力和时间的单向因果关系跟时间与力对应的数量关系的混淆有很强的隐蔽性。
  
  二、教科书中的这些物理现象能用动量定理解释
  为论述问题方便,兹将教科书中关于动量定理的相关部分的教材内容实录如下:(着重号是本文笔者所加):
  人教版高中物理课本(甲种本第一册第254页)对于应用动量定理解释某些物理现象有这样一段论述:从动量定理可以知道,如果一个物体的动量的变化是一定的。那么,它受力作用的时间越短,这个力就越大,力作用的时间越长,这个力就越小。利用这个道理可以解释为什么茶杯掉在石头上立即摔碎,掉在软的东西上不易摔碎。掉在石头上,茶杯从运动到停止经历的时间短,受到的作用力大,因此碎掉。掉在软的东西上,茶杯从运动到停止经历的时间长,受到的作用力小,因此不易破碎。搬运物品时,在木箱里放些纸屑、刨花等物,可以减少搬运中的损坏,也是这个道理。
  人教版全日制普通高级中学教科书(江西、山西、天津试验课本第二册(必修)第57页)关于动量定理在应用举例中有如下论述:用铁锤钉钉子,铁锤受到钉子的冲量的作用,在很短的时间内动量变为零。由动量定理知道,铁锤受到很大的力,同时钉子受到很大的反作用力,于是钉子被钉进去。铁锤的质量越大,打击钉子的速度越大,即锤子的动量越大,钉子受到的力就越大。用冲床冲压钢板,冲头的动量在短时间变为零,钢板受到很大的作用力,于是钢板被冲断。在上述例子中,作用时间很短,得到很大的作用力,而被人们所利用。
  相反,有时需要延长作用时间,减少力的作用。在轮渡的码头上装有橡皮轮胎,轮船在停靠码头时靠到橡皮轮胎上,轮胎发生形变,作为缓冲装置,可以延长作用时间,减少轮船停靠所受的力。火车车厢也有缓冲装置,用来减小车厢之间的相互作用力。在搬运玻璃等易碎物品时,箱子里要放些碎纸、刨花、泡沫塑料等,以减少搬运中的损坏。在日常生活中,有不少这种事例。跳远时,要跳到沙坑里,以延长作用时间,保证安全。接迎面飞来的篮球,手接触到球以后,两臂随球后引至胸前把球接住,以延长与手的接触时间,减少篮球对手的作用力。全日制普通高级中学教科书(必修加选修)物理第二册(人民教育出版社2003年6月第一版)试验本第56页有这样一个实验:鸡蛋从一米多高的地方落到地板上,肯定会打破。现在,在地板上放一块泡沫塑料垫。我们尽可能把鸡蛋举得高高的,然后放开手,让鸡蛋落到泡沫塑料垫上,看看鸡蛋会不会打破。你试一试就会看到,鸡蛋是不会打破的。学了动量定理,你就能解释这类现象了。
  现行教材关于动量定理在应用举例中基本上沿用了(只有几处字句的修改)人教版全日制普通高级中学教科书(江西、山西、天津试验课本第二册(必修)第57页)中的如下论述:用铁锤钉钉子,铁锤受到钉子的作用,在很短的时间内动量变为零。由动量定理知道,铁锤受到很大的作用力,同时钉子受到很大的反作用力,于是钉子被钉进去。铁锤的质量越大,打到钉子上的速度越大,即铁锤的动量越大,钉子受到的力就越大。用冲床冲压钢板,冲头的动量在短时间变小,钢板受到很大的作用力,于是钢板被冲断。在上述例子中,作用时间很短,得到很大的作用力,而被人们所利用。
  相反,有时需要延长作用时间,减少力的作用。在轮渡的码头上装有橡皮轮胎,轮船在停靠码头时靠到橡皮轮胎上,轮胎发生形变,作为缓冲装置,可以延长作用时间,减少轮船停靠所受的力。火车车厢也有缓冲装置,用来减小车厢之间的相互作用力。在搬运玻璃等易碎物品时,箱子里要放些碎纸、刨花、泡沫塑料等,以减少搬运中的损坏。跳远时,要跳到沙坑里,以延长作用时间,保证安全。接迎面飞来的篮球,手接触到球以后,两臂随球后引至胸前把球接住,以延长与手的接触时间,减少篮球对手的作用力。
  上述论述中,很容易使老师和学生产生因果不分的错误认识。在上述论述中,编著者不自觉地犯了因果不分的错误!如上述论述中竞直截了当出现了“在上述例子中,作用时间很短,得到很大的作用力,而被人们所利用。相反,有时需要延长作用时间,减少力的作用”这些欠妥当的字句!
  仔细分析教科书中编著者对教材中列举的物理现象应用动量定理所作的解释,不难发现,是根据时间的长和短来确定作用力的小与大。把时间与力的关系误为因果关系。忽庸讳言,这是犯了因果不分、因果混淆的原则性的、方向性的错误。笔者认为,对于动量定理,我们应该明确的是:在动量定理中力和时间这两个量之间的关系(在物体动量的变化量一定时)是单向的因果关系,而不是互为因果的关系!即力的大(小)是因时间短(长)是果,时间与力的关系不是因果关系,仅仅是数量上的一种对应关系。因此应用动量定理来解释动量变化量一定这类物理现象时,不能依据时间的长说明力就小,也不能依据时间的短来说明力就大。
  根据力和运动的关系,显而易见,一个物体由运动到静止,做的是减速运动,必定受到阻力的作用。阻力越大,则加速度越大,减速运动的时间越短,阻力越小,加速度越小,则减速运动的时间越长。可见,是力的大(小)决定时间的短(长),而不是受力时间的短(长)决定力的大(小)。茶杯掉在软的东西上,是由于茶杯和软物之间的相互作用力小,因此不易碎,也正是由于茶杯受到软物的作用力小,茶杯从运动到停止的时间就长,这里受力小是原因、时间长是结果。至于茶杯掉在软物上为什么受力小、不易碎,其原因不能从动量定理推导出来,只能根据相互作用的物体的运动状态、力和运动的关系依据牛顿第二定律才能作出解释。物体掉在软物上不易碎、掉在硬地上易碎,这是劳动人民在长期的社会实践中得到的一种经验,其正确性可以通过实验来验证。
  利用碰撞、撞击可以产生强相互作用力,利用软物可以减弱物体间的相互作用力,这些常识都是劳动人民在社会实践中获得的经验并得以推广运用。要作出合理的解释,也只有依据牛顿第二定律结合运动状态以及合力与分力、弹力的特点、压强等知识来分析,动量定理对此则无能为力。
  综上所述,笔者认为,教科书中的这些被研究的动量变化一定的物体,其受力的大小不能根据动量定理来解释,则相关的物理现象显然也不能应用动量定理来作出合理的解释。纵然应用动量定理作出解释,也是粗读“顺理成章”、细析则“牵强附会”。笔者认为要应用物理规律来解释物理现象,只能循因求果而不能据果推因。要成功合理的解释某种物理现象,必须能够阐明产生这种物理现象的原因、现象发生的根据,才有说服力、才能令人信服。不知诸君以为然否?
  
  三、关于动量定理的教学和教材修订的建议
  笔者在动量定理的教学中,以推理教学为主要教学方法。
  ⑴、通过推理教学,使学生明确:物体受到不为零的外力的冲量后,其动量必定发生变化;外力的冲量是物体动量变化的原因,动量变化是受外力冲量产生的结果。
  ⑵、通过推理教学,得出动量定理。
  ⑶、通过对动量定理的推理教学结合力与运动关系的推理教学,使学生明:当物体动量的变化一定时,力和时间的关系是单向性的因果关系而不是双向性(可逆性)的互为因果关系。侧重应用动量定理解决相关问题中各个物理量的数量及其数量间的关系。
  ⑷、通过推理教学,使学生接受 “教科书上的这类现象不能应用动量定理来解释”这一与众不同的观点,引导学生敢于破除迷信,让学生和自己达成共识,避免学生盲从教材,以讹传讹。
  ⑸、通过动量定理的推理教学,来突破动量守恒定律的教学。把动量定理的教学列为本章的第一教学重点,而把动量守恒定律的教学列为第二教学重点。通过对动量定理的推理教学,引导学生归纳出“动量严格守恒”、“动量近似守恒”、“动量局部守恒”的条件。
  两点建议:一是为了突出冲量和动量变化之间的因果关系,将动量定理原来的文字表述改为如下表述:物体动量的变化等于它所受到的合外力的冲量。二是建议对本节教材内容在修订时做适当调整:淡化或删除应用动量定理对某些物理现象的解释,侧重应用动量定理进行相关问题的计算。(因为相关问题的计算,只须根据数量间的对应关系确定相关物理量的数量,而不须追究谁是因谁是果。正因为如此,使动量定理在解决相关问题时得以获得广泛应用,使动量定理和动能定理并称为解决力学问题的两把“金钥匙”。)避免以讹传讹等类似现象的继续发生。
  笔者连续执教中学物理十八年、经历了四次教材的改版。先后执教了五种版本的人教版普通高级中学教科书〖依次是高中物理课本上下册;高中物理甲种本、乙种本(第一、二、三册);高中物理必修本(第一、二册);选修本(第三册);两省一市试验本必修(第一、二、三、四册);现行全日制普通高级中学教科书物理第一册(必修)、第二册(必修)、 第二册(必修加选修)(人民教育出版社2003年6月第一版))?〗每当讲授到动量定理时,都要跟教材的编著者唱一通反调,向学生论证自己的观点,通过推理分析,使学生和自己达成共识。也曾在不少教研活动中,向同行阐述自己的这一观点,更期望让更多的同行关注这一问题,通过争鸣,求得共识。今不揣浅陋,发表自己的一孔之见,请大家批评指正。
  (作者单位:341400江西省南康市教研室)
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