为什么孩子一到高中,物理成绩下滑严重?

⭐发布日期:2024年09月19日 | 来源:华律网

⭐作者:沈雨 责任编辑:Admin

⭐阅读量:741 评论:8人

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因为高中物理的学习有四个非常吃力的门槛,每一个门槛都要费很大功夫跨越。其中前三道门槛都是高中刚开始学习物理就一个接一个扑面而来,丝毫不给人喘息的机会,所以很多同学一到高中就物理下滑严重。

相当于足球赛小组赛直接跟冠亚季军分到一组,或者游戏一开局就得先打3个最难的boss。不过只要努力耐心地克服它们,接下来的很长时间的物理学习都是一马平川,要到很晚之后才会遇到第四个门槛。

这四道门槛依次是:对自然现象的感知、把自然现象用数学符号表示出来、把自然规律用数学运算表示出来、理解复杂间接的物理实验。很多同学觉得物理很难,就是因为学习物理有四个关键门槛需要逐一跨越,只要依次努力跨越了这四个门槛,物理学起来就会变得更加流畅和自然——轻松是不可能轻松的。


第一道门槛:对自然现象的感知。

物理是自然科学,意思是物理学的都是自然现象和规律,自然就是我们的生活,是我们无时无刻、无处不在感受到的世界,比如东西不拿好就会掉到地上,重的东西举不动轻的东西举得动,背着重的书包跑不快什么都不背跑得快,轻的东西会被重的东西撞飞,摩擦会生热,凉水和热水倒一块可以得到温水,等等。

感知并熟悉这些日常生活中的自然现象是学好物理的第一步,因为物理中的一切概念公式的根本来源都是这些我们再熟悉不过的的现象,是我们迈出学习物理从0到1的第一步。

现在很多学生自小都没有足够时间在现实中玩耍和劳作,要么坐在书桌前学习抽象的知识,要么抱着手机平板玩虚拟的游戏,导致对自然现象的感知和直觉经验都非常匮乏。而物理知识实际上就是对这些直觉经验的科学化描述,如果太过于缺乏的话会很难懂。


第二道门槛:把自然现象用数学符号表示出来。

物理的核心是用数学语言描述自然规律,主要包括两方面内容:用数字+物理量单位计量自然界的参数,用数学公式表示出这些参数间的关系。

高中物理的重点就是牛顿力学。特别是刚开始学的运动、加速度、力、牛顿运动定律、抛体运动和圆周运动、动能、动量这些牛顿力学的部分。

最开始运动的描述中,距离和时间都是我们在生活中习以为常的物理量,时间还是那个时间,只要区分清楚时间间隔和时刻就行。这时候第一个真正意义上的难点来了:位移。不是距离,是位移!

位移就是两个点之间的距离和方向,是有方向的线段,而不是弯弯绕绕的曲线。位移是矢量!有长度和方向两个参数,需要注意究竟是怎么用数字表示出位移的方向和距离的。

距离好说,线段的长度就是。那么方向呢?如果是直线运动,只有两个方向,也简单,规定一边是正,另一边是负,正负号就表示两个相反的方向。如果是平面呢?简单熟悉但麻烦的方法是用角度、三角函数来表示和计算位移的方向。高中数学才学但是简便的方法是用平面向量的坐标表示位移,二维坐标可以同时表示位移的大小和方向,并且向量的加减乘除等运算跟物理规律特别匹配。


第三道门槛:把自然规律用数学运算表示出来。

理解了矢量的概念,迈过物理的第二道门槛后,迎来了物理的第三个门槛,直接见到的是高中物理的第二个难点:速度。

生活中我们对速度的快慢有直观感觉,跑步比走路快,汽车比跑步快,飞机比汽车快。跑相同的距离,时间用的少的人跑得快。这就是对生活的感知。物理用数学语言描述这个现象:速度是位移随时间的变化率

什么是变化率?高中数学的导数一章有详细介绍(可惜最新版教材给简化地很难明白了),粗略地说就是位移除以时间。

然而位移是矢量,有长度有又方向。长度除以时间容易理解,方向除以时间是什么东西?所以我们的高中物理一开始只学直线运动中的速度,只需要考虑位移的大小和突然调头,不需要考虑位移的方向。

匀速直线运动的位移除以时间就是速度,如果不是匀速的,那么在速度变化的时刻把运动断开,分成若干段匀速直线运动就行。如果速度一直在变,那就把每个时刻都单独考虑,这虽然有些极端了,但是数学发明了“微积分”这个工具,可以很好地处理这种情况。虽然高中数学只在后面学了简单的微分(其实就是导数),但是好在高中物理的直线运动不会让速度的变化情况太复杂。对于平面内的运动,位移的方向变化,如果不用平面向量直接表示,就只能按照位移的方向写速度了。

接下来是第三道门槛钟的第二个难点,也是高中物理的第三个难点:加速度,是“速度随时间的变化率”。同样的,速度的大小随时间的变化率容易计算,两个数相除就行,那么速度的方向随时间的变化率怎么用数学表示呢?两种典型的运动模型,就给出了“速度方向随时间的变化率”。

一个是抛体运动,包括平抛运动、竖直上抛运动、斜抛运动。抛体运动是把运动分解到水平和垂直两个方向。把运动分解到两个垂直的方向的最大优势是这两个方向互不干扰,可以分别分析,然后再用相同的时间对应起来。这个自然规律跟数学的正交分解恰好完美匹配!

另一个是匀速圆周运动。匀速圆周运动的位移的大小不变,只有方向改变,是比抛体运动更完美地展示“位移的方向随时间的变化率”的运动。课本里有还算详细地过程推导匀速圆周运动的速度v、半径r、向心加速度a间的关系:a=v^2/r的过程。于是乎,任意曲线运动都可以分解成若干段圆周运动,其中速度大小的变化率有一个加速度(切向加速度),速度方向的变化率是向心加速度,这两个加速度互相垂直。

学到这里,“速度是位移随时间的变化率”的两个方面:速度的大小随时间的变化率和速度的方向随时间的变化率就都理解了。接下来不会再学“加速度随时间的变化率”了,因为加速度跟高中物理的另一个核心概念——力之间有非常简洁的关系。这也是我们费了两次很大的功夫,用直接测量的位移和时间求速度,再用速度求加速度的原因。

接下来很顺滑地进入高中物理乃至物理学的第一个高潮——牛顿运动定律。主要有三条:1.物体不受力或受合外力为0的话静止不动或做匀速直线运动。2.物体的加速度跟受到的外力成正比,跟质量成反比。3.作用力与反作用力总是等大反向,同时出现同时消失。这三条定律都是对客观规律的描述,生活中有非常多的感知。力也是个矢量,有大小和方向,力的合成与分解遵循平行四边形法则,其实就是向量的加减法。各种受力分析、根据运动状态进行受力分析,练练熟就行。

接下来的动能定理、机械能守恒定律、动量定理、动量守恒定律,开始进入数学游戏的范畴。前面的位移和时间是直接对客观现象的测量,动能和动量就是纯粹的数学游戏。力与力方向上的位移的乘积等于做功,实际上是力这个矢量与位移这个矢量的数量积。根据牛顿运动定律和力做功的定义,再做一些数学公式的变形,就能得到动能定理、机械能守恒定律。动量同理,力与时间的乘积就是动量,根据牛顿运动定律和动量的定义,再做一些数学公式的变形,就能得到动量定理、动量守恒定律。机械能守恒定律和动量守恒定律也在我们的日常生活非常常见,各种踢球、打乒乓球、撞车、撞人之类的现象都有非常直观的体现。

机械能的概念里出现了高中物理的第四个难点:势能。势能总是与一个做功与路径无关的力有关,比如重力、万有引力、静电力之类的。其实势能的核心就是这个力的大小和方向有一个非常普遍适用的数学公式,然后用这个普遍适用的数学公式,就能就算出物体在任意两个位置之间移动时,这个力对物体做的功也是个定值。

机械能和动量不是平白无故硬给他搞出来的概念,而是有着非常巨大的实用价值,在做题中尤其明显。由于能量和动量守恒,对于很多过程复杂的运动,可以统统不管过程,只管具体状态就行。只要能求得部分能量或动量,就能得到剩下的那部分能量或动量。


第四道门槛:理解复杂间接的物理实验。

牛顿力学是近代物理的源头,也是最贴近我们习以为常的生活现象的。后面的电磁学在我们的日常生活中不那么直观,所以需要更加注重理解实验,但是好在电磁学的基础理论仍然是牛顿力学。再后面的热力学占高中物理的篇幅比较小,分子热运动和热平衡也是一半贴近生活一半建立在牛顿力学基础上的。最后的量子力学和原子物理只是科普性质的了解一下而已。

接下来的电磁学,其实是沿用的牛顿理学的框架,只是实验现象是关于电的,在生活中没那么多见。

电磁学引入了高中物理的第五个难点:场。前面学的力和运动都是对物体的,必须有质量有体积有东西,生活中肉眼可见、肢体可以触碰。但是场不需要这些,场可以没有质量体积之类的,只需要能对别的东西产生影响就行。其实学习匀强电场时,最好跟“重力场”类比,当作没有地面,地球上的物体都始终受到竖直向下的重力,并且重力势能差只与高度有关,跟横向移动无关。匀强电场跟重力场几乎一模一样。如果想加深理解的话,天体的万有引力可以产生引力场,其作用规律跟点电荷产生的静电场几乎一模一样。电场里又出现了电的概念,跟重力场中的高度类比就行。


做物理题是为了什么?

最后解决一个重大疑惑:做物理题是为了什么?除了为了高考,还有两个更本质的作用:用物理直觉洗脑,熟悉常见物理模型。

我们已经被生活中的各种直觉洗过脑了,比如两个人朝两个方向一起推箱子,箱子会朝平行四边形对角线的方向移动,比如重的东西推起来很费力,比如速度快质量大的车子会把人撞飞,比如两个铁球同时落地,比如小球从高处滚下来还能滚回原高度。物理只是用数学公式描述了这些规律。

我们做大量物理题,其实就是在一遍遍地描述和分析这些生活中的现象与规律。很多生活现象规律我们可能并不熟悉,或者并不精确。刷物理题就是在不断地长见识,知道那么多乱七八糟看起来不一样的现象,都是用那么最简单两三句物理公式就给解决了的,所谓“一句顶一亿句”。

另一个就是熟悉常见模型。其实这个是很功利地针对高考和科研以及工作。模型就是比最基本的物理定律细碎,但是比数不清的题目和场景更精炼的中介。毕竟很多具体场景用原始理论分析的话比较费时间,核心的物理模型数量也不是很多,能省很多事。比如抛体运动、匀速圆周运动就是非常经典的模型。

简而言之,高中物理的难在于对生活没有感知、不会用数学语言描述生活。正常人对生活都有感知但是不会往“一本正经”的学习上联系,这是极其错误的。其次就是数学是自然科学的核心工具,必须要花非常大的功夫去详细钻研理解物理中的数学概念,不要“想当然”。比如“向量的方向是怎么用数学表示的?”“变化率是怎么用数学表示的?”“方向的变化率是怎么用数学表示的?”“xx守恒是怎么用数学公式证明的?”“xx与yy无关是怎么用数学公式证明的?”,这些全都要彻底搞明白!

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张祐荣

5秒前:”,这些全都要彻底搞明白!

IP:46.37.6.*

章子怡

3秒前:其实学习匀强电场时,最好跟“重力场”类比,当作没有地面,地球上的物体都始终受到竖直向下的重力,并且重力势能差只与高度有关,跟横向移动无关。

IP:27.17.5.*

樱井幸子

6秒前:如果是平面呢?

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