2024年高考物理新課標第二冊第二題-認知物理模型系列二-物理量線速度與角速度
首先認知物理的三要素就是分析情境，建立空間和時間的模型。認知物理模型是重點，認知物理量是關鍵。用一個人體結構來說明物理量——關節，物理模型——骨骼+肌腱，物理情境——血肉，物理思維——神經網絡。對于一道高考物理題，往往來源于生活，簡單看它由兩部分組成：一個物理事件和一些物理問題。結合這兩方面來看物理模型和物理量。比如第2題，物理情境是學生用手指旋轉籃球。結合題中問題可以看出，需要研究的物理量是籃球上兩個粒子P、Q的線速度和角速度，以及向心加速度之間的關系。學生很容易想到兩個粒子繞同一軸旋轉時，角速度相等的聯動（或傳動）情況。物理模型是同軸旋轉粒子之間的關系。答案并不難確定網校頭條，估計學生對這道題的得分率比較高。
其次，關于質點的線速度和角速度高中物理的物質觀是什么，這兩個物理量是在高中物理知識體系中以圓周運動為背景介紹的。同一個質點在勻速圓周運動過程中給出的定義，首先是在這個半徑上轉過的角度與一個旋轉軸和半徑r所用時間的比值，公式為w=△a/△t。題目給出的場景只是籃球的一個狀態，我們需要發揮想象力，假設一個很小的時間過去了，才能畫出質點轉過的角度。第一個難點是這個時間應該多小？第二個難點是我們應該畫多少角度才合適？有點模棱兩可。關于旋轉物體的角速度，高中物理給出了角速度定義公式，但沒有給出物質決定公式，也就是說，物理學中的質點、位置、位移、速度（包括角速度）、時間代表了物體的狀態參數。在研究分析物理問題時，當把物體建立為“粒子”物理模型時，物體就與粒子相對應了。此時時間t、矩t1'、t2…和空間位置x1、x2…、位移X、速度v構成了質點運動狀態參數，可以建立坐標系進行定量分析和計算。它不依賴物質或物體而存在于人們的思維和認知中，是決定物體存在與狀態的空間和時間的物理量，所以只有定義式，沒有確定性公式，這些物理量都是相對的而非絕對的，通常都是相對于一個參考系而言的。例如物體的速度定義為v=△x/△t，速度的大小與x或t的大小無關。此公式可用來計算勻速運動物體的速度，如鐘表。物體的速度由物體在空間和時間中的運動決定。例如，對于一切靜止物體（保持靜止的物體），v=0，真空中的光速為v=C。物體運動速度越快，對應的速度就越大。這個公式可以近似計算出物體在變速運動時的瞬時速度，時間越短，越接近速度的真實值。這就是該技術的精確度，后面會講到。
另外，關于時間t和空間位置x這兩個物理量，感覺很簡單，看似容易，其實恰恰是物理學的基礎，既重要，又最難理解。因為高中物理是建立在牛頓定律的基礎上的，而牛頓三大定律是建立在牛頓絕對時空觀基礎上的完整的自洽、異質一致和序貫體系。所以在認知物理學中，空間和時間被視為認知物理學的重要組成部分。認知物理學強調三種觀點，即空間和時間、物質、能量和動量。上面提到的物體空間和時間與物體的物理量之間的對應關系，是認知物理學中的兩大定律之一。一是對應定律，物質與時空的對應關系的存在和變化規律。每種物理現象都有三種：每個物理事件都可以用一種或多種物理場景來描述。二是統一定律。每一種物理模型都統一了一個物體、同一個空間和時間（某一時刻）、一個單位。第2題中籃球上有兩個粒子P、Q，當它們繞同一軸旋轉時，wp=waxis=wq。至于兩粒子繞軸的旋轉半徑rp＞rq，很容易觀察和確定。對于角速度這個物理量的分析，常說物體的角速度和半徑無關，在認知物理學中，理解為粒子的旋轉半徑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，基于時空場景高中物理的物質觀是什么，物理量被分為4類。第一類是對應于粒子時空的物理量，如t、x、v等，它們與物體滿足時空對應關系，并有一系列的物理場景與之對應存在和變化。第二類是物質或物體特性的物理量，它們由物體或物質本身存在和變化，與時空的存在和變化無關，如眾所周知的物質密度、物體的質量、動摩擦系數、彈簧剛度系數、引力常數等。第三類是物體（物質）結構的存在和變化以及時空的相互影響，大致可以分為三類。第一類是隨時間變化的，如勻速加速直線運動場景，加速度a恒定，物體的瞬時速度發生變化。第一種是隨時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。典型的情景有：萬有引力的大小，當地球與物體兩個物體保持不變時，物體所受的萬有引力會隨著物體位置的變化而變化，物體勢能的大小也會變化等。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。對于時空模型來說，第四種是物質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，物理量離不開物質和時空。物理學是從控制變量的角度，研究時空中一切物體和物質的存在和變化規律。
對于這個難題，在物理場景的描述中，如果旋轉的籃球的軸也在旋轉，恐怕答案很難確定。我覺得應該強調旋轉軸不變，因為繞同軸旋轉的物體角速度相同的結論，只有在旋轉軸不變的情況下才成立。其實，中學生在玩籃球的時候，可以做出各種各樣的花樣動作。
