哈尔滨铁道职业技术学院 黑龙江 哈尔滨 150000
摘要：刚体力学是牛顿力学的重要组成部分，无论从刚体运动的形态(运动学)方面还是动力学方面看，刚体比质点要复杂得多。然而，刚体运动学的研究，以及以质点组动力学普遍定理为基础进行的刚体动力学的研究都取得了成功。其中克服了许多困难，而这些困难的克服也正是这部分理论的精采和成功之处。
关键词：刚体力学；力学；教学应用
前言：刚体是经典力学中又一个重要的理想模型。同时，此部分内容也是力学、理论力学物理专业核心课程的重要知识点。它是在学生已经掌握了无形状大小的理想模型——质点的运动规律的基础上，学习具有形状、大小，但形状大小在力的作用下始终保持不变——刚体的物体运动规律。它是从理想模型质点过渡到实际物体运动规律的重要中间模型，也是学生在经典力学中学习的一个重点和难点。
1.力学以及刚体力学
1.1力学
力学（Mechanics）是物理学的一个分支，作为独立的一门基础学科，主要研究能量和力以及它们与固体、液体及气体的平衡、变形或运动的关系。力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分，静力学研究力的平衡或物体的静止问题；运动学只考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的关系；动力学讨论物体运动和所受力的关系。现代的力学实验设备，诸如大型的风洞、水洞，它们的建立和使用本身就是一个综合性的科学技术项目，需要多工种、多学科的协作。其重要的著作有《自然哲学的数学原理》。
1.2刚体力学
"刚体力学"在学术文献中的解释：力学课程教学的现状与存在的问题理论力学也称为刚体力学，它的任务是使学生掌握质点、质点系和刚体系统机械运动(包括平衡)的基本规律和研究方法。刚体是一个特殊的质点系， 刚体上任意两质点间距离保持不变。刚体模型可以看成是现实中劲度系数极大的物体的抽象化，这类物体本身的形变对其运动的影响可以忽略，比如一个篮球，当其与地面碰撞时必然会产生形变，但这个形变对其运动的印象是微乎其微的（有些人认为，如果忽略形变，那么弹力怎么解释？我个人对刚体模型的理解是，刚体虽然忽略了形变，但是保留了由形变而产生的弹力）， 我们完全可以将其抽象成一个具有一定质量分布的刚体球，考察它在与地面时，地面摩擦力和弹力对它的影响。刚体模型具有两个显然的性质：（1）刚体上任意两点的速度沿两点连线方向的分量相等；（2）刚体内任意两质点间的一对相互作用力做功始终为零。刚体在任意运动中的任意时刻具有唯一的角速度矢量，这个角速度矢量会随刚体的运动而变化，但在任意时刻，始终唯一确定，角速度矢量是属于刚体整体的物理量，源自于刚体本身的性质。
2.刚体力学的内容
2.1刚体运动学
刚体运动学研究刚体运动的描述问题和刚体运动的分析方法，使人们对刚体的运动过程能够有一个清晰的物理图象和准确的定量的描述。这也是在研究刚体动力学之前需要解决的间题。虽然刚体的运动是多种多样的，但分析表明，这些运 动不外乎瓦种类型：(l)平动，(2)定轴转动，(3)平面平行运动，(4)绕固定点的转动(简称定点运动)，(5)刚体的自由运动，刚体的自由运动是刚体的鼓一般的运动，研究并解决刚体自由运动的运动学和动力学向题是刚体力学的最终目标。由于刚体各类运动都有自己的特点，因此对刚体运动的描述方法不宜追求统一而应找出适合各类运动特点的、不尽相同的简便的方法。为了分析刚体每一瞬时的运动，即分析在无限城时间内刚体无限小位移的情况，往往采用放大的方法，即先研究刚体的一个有限大小的位移，用几何方法严格地证明刚体从一个位置到另一个位宜可以通过怎样的途径来实现，然后将有关结论应用于无限小位移。
2.2教学内容
刚体力学教学内容主要以刚体定轴转动为主。刚体力学的教学可以充分利用学生已经掌握的知识结构，通过认知发展心理上的同化和顺应过程，一方面帮助学生掌握刚体力学的知识点，顺利实现学习迁移，另一方面也是帮助他们强化自己对认知过程的认识，丰富他们的知识结构，充实他们的认知图式。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于刚体定轴转动时，刚体上各个质点都具有绕其转动平面上的轴点作圆周运动的特点，即刚体上各个质点在相同时间内绕定轴转过相同的角度，各个质点具有相同的角速度和角加速度，因此刚体的运动学可以通过同化过程来学习。刚体定轴转动的运动学描述可以如同质点作圆周运动一样采用角量描述。
3.关于钢体力学教学方法
3.1循序渐进、化难为易
既然刚体力学是一个学生从没接触过的新内容，那么作为教师就应该以学生已掌握的“旧”知识为切入点，引导学生学好这个“新”内容，循序渐进、化难为易，以减少学生接受新知识的难度。为此笔者多年来一直采用“分割、求和”的方法，进行刚体力学教学，效果较好。分割就是把刚体分割成许多微小的部分，每一部分都小到可以看作质点或质元，而每个质元都可用已学过的质点力学内容列出一个质点的动力学方程；求和就是将上面列出的所有质元的动力学方程全部相加，结合刚体的特点，得到整个刚体所服从的力学规律。如刚体定轴转动定律的推导。通过“分割、求和”在每节内容上应用的具体介绍，同学们认识到“分割，求和”是研究刚体力学的基本方法，贯穿于刚体力学的始终，它将刚体力学这个“新”内容，化为用质点力学的“旧”知识来解决。这样，学生从已掌握的“旧”知识入手，循序渐进地学习掌握了“新”知识。这样“化难为易”的教学法是学生掌握新知识的主要途径，学生只要掌握了这种方法，就等于拿到了打开“刚体力学”这个大门的钥匙。
3.2分析类比、寻求规律
刚体力学不仅有较强的“思维性，逻辑性，抽象性”，而且“概念多、公式多、习题多”，处理不好容易使学生产生厌烦心理失去主动性，所以在授课时笔者特别注意引导学生运用分析类比的方法，利用质点力学的内容寻找与刚体力学相似的规律，如质点的直线运动与刚体的定轴转动类比，可找出各种类似关系。
4.教学应注意的问题
教学上应该合理确立教学目标，这是促进学习迁移的重要前提。任何学习过程都是原有学习基础 上连续、分步的知识构建过程，最终形成的心理结构也具有一定层次关系的网络结构。因此，教学目标的确立必须从所要构建的心理结构的整体出发来考虑。经典物理本身具备了完善的理论框架，目前大部分大学物理教材都具备了结构化、一体化、网络化，物理学是特别好的学习迁移范例，很适合学习构建完善的心理结构。学习不仅要让学生掌握具体的知识与技能，而且还要让学生学会如何学习，即通过一定的学习训练掌握必要的心智技能，学会学习。要使教学过程能顺利实现学习过程的正迁移应请注意影响学习迁移的因素。第一，新旧两种学习材料应具有某些共同点，通过共同因素之间的促进作用，才能收到良好的学习迁移效果。从上面的分析可以看出，质点力学和刚体力学在概念、定理和学习方法上都存在共同因素，这是学习迁移的必要条件。第二，对已习得经验的概括水平越高，则越容易产生较好的学习正迁移，概括已有经验成为学习迁移的重要条件。因此对质点力学知识框架的根据是学习迁移重要步骤。第三，掌握知识的同时，掌握解决问题的认知技能和策略，能促进学习迁移。第四，定势思维的影响。在实际教学中，既要考虑所学内容与原有经验的同一性，利用积极的定势帮助学生迅速掌握所学的知识；同时又要根据不同的教学，帮助学生具体问题具体分析，防止定势的干扰。
结语：刚体力学教学内容主要以刚体定轴转动为主。刚体力学的教学可以充分利用学生已经掌握的知识结构，通过认知发展心理上的同化和顺应过程，一方面帮助学生掌握刚体力学的知识点，顺利实现学习迁移，另一方面也是帮助他们强化自己对认知过程的认识，丰富他们的知识结构，充实他们的认知图式。为了顺利开展刚体力学的教学，人们分别从教学方法和实验设计进行研究。通过本文的分析，我们可以更好的进行刚体力学教学。
参考文献：
[1]朱华泽，孙润广，张鹏利. 开发设计性和创新性大学物理实验的尝试[J].物理通报，2016，35(9): 108-111.
[2]刘丹. 大学物理课程中的“非逻辑”思维方法——类比法的应用[J]. 湖北第二师范学院学报，2016, 33(8): 110-112.
论文作者:刘巍
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/8/30
标签：刚体论文; 力学论文; 质点论文; 运动学论文; 学生论文; 动力学论文; 方法论文; 《防护工程》2019年11期论文;