2024年高考物理新課標(biāo)第二冊(cè)第二題-認(rèn)知物理模型系列二-物理量線速度與角速度
首先認(rèn)知物理的三要素就是分析情境，建立空間和時(shí)間的模型。認(rèn)知物理模型是重點(diǎn)，認(rèn)知物理量是關(guān)鍵。用一個(gè)人體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明物理量——關(guān)節(jié)，物理模型——骨骼+肌腱，物理情境——血肉，物理思維——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于一道高考物理題，往往來(lái)源于生活，簡(jiǎn)單看它由兩部分組成：一個(gè)物理事件和一些物理問(wèn)題。結(jié)合這兩方面來(lái)看物理模型和物理量。比如第2題，物理情境是學(xué)生用手指旋轉(zhuǎn)籃球。結(jié)合題中問(wèn)題可以看出，需要研究的物理量是籃球上兩個(gè)粒子P、Q的線速度和角速度，以及向心加速度之間的關(guān)系。學(xué)生很容易想到兩個(gè)粒子繞同一軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，角速度相等的聯(lián)動(dòng)（或傳動(dòng)）情況。物理模型是同軸旋轉(zhuǎn)粒子之間的關(guān)系。答案并不難確定網(wǎng)校頭條，估計(jì)學(xué)生對(duì)這道題的得分率比較高。
其次，關(guān)于質(zhì)點(diǎn)的線速度和角速度高中物理的物質(zhì)觀是什么，這兩個(gè)物理量是在高中物理知識(shí)體系中以圓周運(yùn)動(dòng)為背景介紹的。同一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在勻速圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程中給出的定義，首先是在這個(gè)半徑上轉(zhuǎn)過(guò)的角度與一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和半徑r所用時(shí)間的比值，公式為w=△a/△t。題目給出的場(chǎng)景只是籃球的一個(gè)狀態(tài)，我們需要發(fā)揮想象力，假設(shè)一個(gè)很小的時(shí)間過(guò)去了，才能畫出質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。第一個(gè)難點(diǎn)是這個(gè)時(shí)間應(yīng)該多小？第二個(gè)難點(diǎn)是我們應(yīng)該畫多少角度才合適？有點(diǎn)模棱兩可。關(guān)于旋轉(zhuǎn)物體的角速度，高中物理給出了角速度定義公式，但沒(méi)有給出物質(zhì)決定公式，也就是說(shuō)，物理學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)、位置、位移、速度（包括角速度）、時(shí)間代表了物體的狀態(tài)參數(shù)。在研究分析物理問(wèn)題時(shí)，當(dāng)把物體建立為“粒子”物理模型時(shí)，物體就與粒子相對(duì)應(yīng)了。此時(shí)時(shí)間t、矩t1'、t2…和空間位置x1、x2…、位移X、速度v構(gòu)成了質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，可以建立坐標(biāo)系進(jìn)行定量分析和計(jì)算。它不依賴物質(zhì)或物體而存在于人們的思維和認(rèn)知中，是決定物體存在與狀態(tài)的空間和時(shí)間的物理量，所以只有定義式，沒(méi)有確定性公式，這些物理量都是相對(duì)的而非絕對(duì)的，通常都是相對(duì)于一個(gè)參考系而言的。例如物體的速度定義為v=△x/△t，速度的大小與x或t的大小無(wú)關(guān)。此公式可用來(lái)計(jì)算勻速運(yùn)動(dòng)物體的速度，如鐘表。物體的速度由物體在空間和時(shí)間中的運(yùn)動(dòng)決定。例如，對(duì)于一切靜止物體（保持靜止的物體），v=0，真空中的光速為v=C。物體運(yùn)動(dòng)速度越快，對(duì)應(yīng)的速度就越大。這個(gè)公式可以近似計(jì)算出物體在變速運(yùn)動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)速度，時(shí)間越短，越接近速度的真實(shí)值。這就是該技術(shù)的精確度，后面會(huì)講到。
另外，關(guān)于時(shí)間t和空間位置x這兩個(gè)物理量，感覺(jué)很簡(jiǎn)單，看似容易，其實(shí)恰恰是物理學(xué)的基礎(chǔ)，既重要，又最難理解。因?yàn)楦咧形锢硎墙⒃谂ｎD定律的基礎(chǔ)上的，而牛頓三大定律是建立在牛頓絕對(duì)時(shí)空觀基礎(chǔ)上的完整的自洽、異質(zhì)一致和序貫體系。所以在認(rèn)知物理學(xué)中，空間和時(shí)間被視為認(rèn)知物理學(xué)的重要組成部分。認(rèn)知物理學(xué)強(qiáng)調(diào)三種觀點(diǎn)，即空間和時(shí)間、物質(zhì)、能量和動(dòng)量。上面提到的物體空間和時(shí)間與物體的物理量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是認(rèn)知物理學(xué)中的兩大定律之一。一是對(duì)應(yīng)定律，物質(zhì)與時(shí)空的對(duì)應(yīng)關(guān)系的存在和變化規(guī)律。每種物理現(xiàn)象都有三種：每個(gè)物理事件都可以用一種或多種物理場(chǎng)景來(lái)描述。二是統(tǒng)一定律。每一種物理模型都統(tǒng)一了一個(gè)物體、同一個(gè)空間和時(shí)間（某一時(shí)刻）、一個(gè)單位。第2題中籃球上有兩個(gè)粒子P、Q，當(dāng)它們繞同一軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，wp=waxis=wq。至于兩粒子繞軸的旋轉(zhuǎn)半徑rp＞rq，很容易觀察和確定。對(duì)于角速度這個(gè)物理量的分析，常說(shuō)物體的角速度和半徑無(wú)關(guān)，在認(rèn)知物理學(xué)中，理解為粒子的旋轉(zhuǎn)半徑r是角速度的情境伴侶。類似的，還有P、Q的線速度，加速度、力等等。#綜合物理#。
最后，基于時(shí)空?qǐng)鼍?strong>高中物理的物質(zhì)觀是什么，物理量被分為4類。第一類是對(duì)應(yīng)于粒子時(shí)空的物理量，如t、x、v等，它們與物體滿足時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系，并有一系列的物理場(chǎng)景與之對(duì)應(yīng)存在和變化。第二類是物質(zhì)或物體特性的物理量，它們由物體或物質(zhì)本身存在和變化，與時(shí)空的存在和變化無(wú)關(guān)，如眾所周知的物質(zhì)密度、物體的質(zhì)量、動(dòng)摩擦系數(shù)、彈簧剛度系數(shù)、引力常數(shù)等。第三類是物體（物質(zhì)）結(jié)構(gòu)的存在和變化以及時(shí)空的相互影響，大致可以分為三類。第一類是隨時(shí)間變化的，如勻速加速直線運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，加速度a恒定，物體的瞬時(shí)速度發(fā)生變化。第一種是隨時(shí)間勻速變化的物理量，第二種是位置變化的物理量，這種變化比較常見(jiàn)。典型的情景有：萬(wàn)有引力的大小，當(dāng)?shù)厍蚺c物體兩個(gè)物體保持不變時(shí)，物體所受的萬(wàn)有引力會(huì)隨著物體位置的變化而變化，物體勢(shì)能的大小也會(huì)變化等。第三種是速度的變化，比如摩擦力的大小，安培力的大小，洛倫茲力的大小等。以上三類都可以歸為第一類情景。對(duì)于時(shí)空模型來(lái)說(shuō)，第四種是物質(zhì)或物體的變化引起的物理量的變化，可以看作是第二類物理量。可見(jiàn)，物理量離不開物質(zhì)和時(shí)空。物理學(xué)是從控制變量的角度，研究時(shí)空中一切物體和物質(zhì)的存在和變化規(guī)律。
對(duì)于這個(gè)難題，在物理場(chǎng)景的描述中，如果旋轉(zhuǎn)的籃球的軸也在旋轉(zhuǎn)，恐怕答案很難確定。我覺(jué)得應(yīng)該強(qiáng)調(diào)旋轉(zhuǎn)軸不變，因?yàn)槔@同軸旋轉(zhuǎn)的物體角速度相同的結(jié)論，只有在旋轉(zhuǎn)軸不變的情況下才成立。其實(shí)，中學(xué)生在玩籃球的時(shí)候，可以做出各種各樣的花樣動(dòng)作。
