2024年10期
提高学生对物理学科的认知
【关键词】 ；
【正文】 摘 要：物理做为初中三年级才开设的学科，学生接触时间晚，缺乏对物理学科的自我认知，出现学习兴趣低、成绩差的现象。新高考改革旨在打破传统高考文理对立的僵局，让学生根据自己的兴趣选择学习的科目，部分学生因初中阶段对物理学科认知不足，未打好学习物理的基础，从而放弃选择物理学科，导致高考时报考大学相关专业受到限制，因为在自然科学中，占据半壁江山的学科就是物理学。
关键词：物理学科；自我认知
随着社会生产力和生产关系的转变，传统的制造业已经难以我国经济发展的需要，这对于我国的经济结构提出了新的要求。中国现在很多高端科技处处受人制肘，处处被人卡脖子，我国需从传统的制造业大国转变为具有高端创新产业的国家，这些都需要本领过硬的理工科人才，物理学对于理工科的人才来说，就像是武侠小说里的“内功心法”，是任何理工行业的基础。
国家需要什么样的人才，新高考就会大量培养什么样的人才。想要达到这样的目标，提升物理在新高考中的地位，让更多的学生接受系统的物理教育，不可或缺。作为初中物理教师，应做好对学生的启蒙工作，提高学生对物理学科的自我认知。
一、提高学生对物理学科在日常生活领域应用的宏观认知
例如生活中，我们推动重木箱非常费力，如果在一个木箱下面放上几根圆的木棍，可以使木块移动时摩擦力由滑动变滚动，这样以来就省力了，但是它的移动过程是否省功？做功=作用力×作用的距离，公式为W=FS。滑动变滚动之后，摩擦力变小，就是阻力变小F↓（我们的作用力也变小），而作用距离S不变，所以做功变小W↓.这样我们用较小的力、只用做较小的功便可以移动物体到同样的效果。
例如汽车如果不用轮子滚动而在地面上滑行，那么用再大的马力汽车想要移动也是很困难的。汽车在正常行驶时车轮发生滚动摩擦，而汽车刹车时车轮发生滑动摩擦。因为滑动摩擦阻力约是滚动摩擦阻力的40倍-60倍，所以提高车轮在刹车时的滑动摩擦阻力，可减小汽车的刹车距离，提高汽车避免交通事故的能力。那么如何增大车轮的摩擦力，提高汽车行驶安全性？
滑动摩擦力大小计算公式：f=μN。其中μ为滑动摩擦因数（它只跟材料、接触面粗糙程度有关，跟接触面积无关），N是正压力。
滚动摩擦力大小计算公式：f’=μ’N。其中μ’为滚动摩擦因数，N是正压力。
依据上述公式，我们可以通过增加车轮的正压力N，来实现增大车轮的摩擦力，提高汽车行驶安全性。
例如汽车在冰雪路面上行驶时，通过在汽车里存放沙袋，增加汽车负载重量来增加车轮的正压力N，增大车轮的滑动摩擦阻力，减小汽车的刹车距离，提高汽车驾驶安全性。对车轮轮胎来说，轮胎接地的正压力公式：F=PS，其中P为轮胎接地压强，S为轮胎的受压面积。当汽车在冰雪路面上行驶或陷入沙滩时，车主可通过适当给轮胎放气，来增加轮胎的受压面积，增大轮胎接地的正压力，来增加轮胎与地面的摩擦力，提高汽车的行驶安全性和操纵性。但是轮胎放气多少是有限度的，因为轮胎内腔的充气压力起到支撑车辆总载重功能，轮胎负载能力大小计算公式：L=PV，其中P是轮胎内腔的充气压力，V是轮胎的内腔体积。轮胎放气后，轮胎的内腔体积V会减小，轮胎的负载能力会下降，所以轮胎放气不能过多，最低要保证留够可以满足车辆总载重的轮胎充气压力。
二、提高学生对物理学科在工程技术领域应用的微观认知
中国工程技术领域已改变传统的设计观念和思维方式，在桥梁、医学、航空等众多领域采用虚拟仿真技术ANSYS、ABAQUS软件（一种虚拟的试验平台，可以预测模型的相关性能），可以缩短研发周期，降低成本，提升工程设计成功率。
虚拟有限元仿真技术是一种分解化的数值计算方法，将宏观整个物体分解成由很多相邻的微观小单元组成，通常称为有限元网络划分，即将整个物体划分为有限个具有规则形状的小单元集合，两相邻小单元之间只通过若干点相互连接，每个连接点称为节点。分解后的模型与原来模型区别在于小单元之间只通过节点相互连接、相互作用，而无其他连接。
力是通过节点从一个单元传递到另一个单元的。但在实际的连续体中，力是由一个单元传递到另一个单元的，故要把作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力等效地移到节点上，即用等效的节点力来代替所有在单元上的力。如二维整体的单元可分为三角形、四边形，三维整体的单元可分为四面体、长方体和六面体等。
对于结构分析而言，它的理论基础是能量原理。能量原理表明，在外力作用下，弹性体（如轮胎）的变形、应力和外力之间的关系受能量原理的支配。下面介绍有限元法中经常使用的虚位移原理。
虚位移原理又称虚功原理，可以叙述如下：如果物体在发生虚位移之前所受的力系是平衡的，那么在发生虚位移时，外力在虚位移上所做的虚功等于虚应变能（物体内部应力在虚应变上所做的虚功）。例如推动轮胎时，宏观看轮胎整体未移动，但微观看其受力部位已经发生变形，其组成的小单元在内部也开始发生位移，即开始做功产生能量，部分能量转换为热量消耗掉（此为轮胎跑完后发热的主要原因，而摩擦生热为次要原因），虚位移原理不仅可以应用于弹性性力学问题，还可以应用于非线性弹性以及弹塑性等非线性问题。
三、结语
学生未来生活或工作中都会隐藏着物理学科的身影，如果不提高学生对物理学科的自我认知，将会导致部分学生选择放弃物理学科，会影响国家未来人才的科技创新。
关键词：物理学科；自我认知
随着社会生产力和生产关系的转变，传统的制造业已经难以我国经济发展的需要，这对于我国的经济结构提出了新的要求。中国现在很多高端科技处处受人制肘，处处被人卡脖子，我国需从传统的制造业大国转变为具有高端创新产业的国家，这些都需要本领过硬的理工科人才，物理学对于理工科的人才来说，就像是武侠小说里的“内功心法”，是任何理工行业的基础。
国家需要什么样的人才，新高考就会大量培养什么样的人才。想要达到这样的目标，提升物理在新高考中的地位，让更多的学生接受系统的物理教育，不可或缺。作为初中物理教师，应做好对学生的启蒙工作，提高学生对物理学科的自我认知。
一、提高学生对物理学科在日常生活领域应用的宏观认知
例如生活中，我们推动重木箱非常费力，如果在一个木箱下面放上几根圆的木棍，可以使木块移动时摩擦力由滑动变滚动，这样以来就省力了，但是它的移动过程是否省功？做功=作用力×作用的距离，公式为W=FS。滑动变滚动之后，摩擦力变小，就是阻力变小F↓（我们的作用力也变小），而作用距离S不变，所以做功变小W↓.这样我们用较小的力、只用做较小的功便可以移动物体到同样的效果。
例如汽车如果不用轮子滚动而在地面上滑行，那么用再大的马力汽车想要移动也是很困难的。汽车在正常行驶时车轮发生滚动摩擦，而汽车刹车时车轮发生滑动摩擦。因为滑动摩擦阻力约是滚动摩擦阻力的40倍-60倍，所以提高车轮在刹车时的滑动摩擦阻力，可减小汽车的刹车距离，提高汽车避免交通事故的能力。那么如何增大车轮的摩擦力，提高汽车行驶安全性？
滑动摩擦力大小计算公式：f=μN。其中μ为滑动摩擦因数（它只跟材料、接触面粗糙程度有关，跟接触面积无关），N是正压力。
滚动摩擦力大小计算公式：f’=μ’N。其中μ’为滚动摩擦因数，N是正压力。
依据上述公式，我们可以通过增加车轮的正压力N，来实现增大车轮的摩擦力，提高汽车行驶安全性。
例如汽车在冰雪路面上行驶时，通过在汽车里存放沙袋，增加汽车负载重量来增加车轮的正压力N，增大车轮的滑动摩擦阻力，减小汽车的刹车距离，提高汽车驾驶安全性。对车轮轮胎来说，轮胎接地的正压力公式：F=PS，其中P为轮胎接地压强，S为轮胎的受压面积。当汽车在冰雪路面上行驶或陷入沙滩时，车主可通过适当给轮胎放气，来增加轮胎的受压面积，增大轮胎接地的正压力，来增加轮胎与地面的摩擦力，提高汽车的行驶安全性和操纵性。但是轮胎放气多少是有限度的，因为轮胎内腔的充气压力起到支撑车辆总载重功能，轮胎负载能力大小计算公式：L=PV，其中P是轮胎内腔的充气压力，V是轮胎的内腔体积。轮胎放气后，轮胎的内腔体积V会减小，轮胎的负载能力会下降，所以轮胎放气不能过多，最低要保证留够可以满足车辆总载重的轮胎充气压力。
二、提高学生对物理学科在工程技术领域应用的微观认知
中国工程技术领域已改变传统的设计观念和思维方式，在桥梁、医学、航空等众多领域采用虚拟仿真技术ANSYS、ABAQUS软件（一种虚拟的试验平台，可以预测模型的相关性能），可以缩短研发周期，降低成本，提升工程设计成功率。
虚拟有限元仿真技术是一种分解化的数值计算方法，将宏观整个物体分解成由很多相邻的微观小单元组成，通常称为有限元网络划分，即将整个物体划分为有限个具有规则形状的小单元集合，两相邻小单元之间只通过若干点相互连接，每个连接点称为节点。分解后的模型与原来模型区别在于小单元之间只通过节点相互连接、相互作用，而无其他连接。
力是通过节点从一个单元传递到另一个单元的。但在实际的连续体中，力是由一个单元传递到另一个单元的，故要把作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力等效地移到节点上，即用等效的节点力来代替所有在单元上的力。如二维整体的单元可分为三角形、四边形，三维整体的单元可分为四面体、长方体和六面体等。
对于结构分析而言，它的理论基础是能量原理。能量原理表明，在外力作用下，弹性体（如轮胎）的变形、应力和外力之间的关系受能量原理的支配。下面介绍有限元法中经常使用的虚位移原理。
虚位移原理又称虚功原理，可以叙述如下：如果物体在发生虚位移之前所受的力系是平衡的，那么在发生虚位移时，外力在虚位移上所做的虚功等于虚应变能（物体内部应力在虚应变上所做的虚功）。例如推动轮胎时，宏观看轮胎整体未移动，但微观看其受力部位已经发生变形，其组成的小单元在内部也开始发生位移，即开始做功产生能量，部分能量转换为热量消耗掉（此为轮胎跑完后发热的主要原因，而摩擦生热为次要原因），虚位移原理不仅可以应用于弹性性力学问题，还可以应用于非线性弹性以及弹塑性等非线性问题。
三、结语
学生未来生活或工作中都会隐藏着物理学科的身影，如果不提高学生对物理学科的自我认知，将会导致部分学生选择放弃物理学科，会影响国家未来人才的科技创新。
- 【发布时间】2022/3/22 21:10:41
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