德国卡尔斯鲁厄物理课程KPC培训

功是能量传递的量度。“做功”这一动作的 主体不是力，而是物体。
在KPC中，没有功这个概念（也没有热量的 概念）。物理学中除了功和热量外，其他所有物 理量都是状态量。(F. Herrmann: All physical quantities
refer to a state of a system – with two exceptions: heat dQ = TdS and work dW = Fds. Mathematically they are so called „differential forms“. They are difficult to handle and actually they are not necessary. (Private communication, July 12, 2011 )
此图译自Robert Karplus. Educational aspects of the structure of physics[J]. Am.J.Phys. 1981(3):238-241.
KPC的理论基础是什么? What is the origins of KPC?
• 热力学第二定律： • （1）热量不能自发地（spontaneously ）从低
重力的概念不等同于万有引力的概念。引入重力的 概念是由于，对于在同一引力场强度下的不同物体，虽 然流进物体的引力动量流（gravitational momentum current）相同，但流出物体的引力动量流却可能不同。 流出物体的引力动量流就是物体的重力。
物体处于失重状态时，流出的引力动量流小于流入 的引力动量流。物体处于完全失重状态时，流出的引力 动量流等于零，物体内部没有应力。
我在能量方面的研究成果
陈敏华.一个关于滑动摩擦力做功的佯谬[J].物理 都是,2004(8):27-29.
• 例1：2009年普通高等学校招生全国统一考试（辽宁、 宁夏理综卷）第20题
•
如图所示，一足够长的木板静止在光滑水平面上。
一物块静止在木板上。木板和物块间有摩擦。现用水
平力向右拉木板。当物块相对木板滑动了一段距离但
仍有相对运动时，撤掉拉力。此后木板和物块相对于
水平面的运动情况为： BC
• A.物块先向左运动，再向右运动
力能改变物体的动量，但不一定能改变物体P52：如果物体在力的作用下能量发生了变 化，那么这个力一定对物体做了功。
P61：严格说来，重力势能是地球与物体所 组成的物体“系统”所共有的，而不是地球上的 物体单独具有的。
柯桥中学高一（3）班傅鹏程：当我们用力将 一个物体竖直地匀速向上拉时，合外力对它没有 做功，但为什么它的势能会增加？（2011.4.1)
• 固有振动、阻尼振动、受迫振动、共振
1.固有振动（自由振动）：振动系统不受外力作用 时的振动。
固有频率、固有周期。 回复力是系统内的相互作用。
2.阻尼振动：系统受外界阻力作用时的振动。系 统的能量不断减少，振幅不断减小。
3.受迫振动：系统受外界周期性驱动力作用下的 振动。
4.共振：当驱动力的频率跟振动系统的固有频率 相等时振幅最大的现象。
人教社2010版P51：由于地球的吸引而使物体受到的力 叫做重力（gravity）。
KPC高中版《力学》P92：质量为m的物体，在重力场强 度为g的空间中，重力场与物体之间的动量流F=mg。 改：在引力场强度为g的空间中，引力场与质量为m的 物体之间的动量流为F=mg。
KPC初中版《中学物理1》P52：从地球流入物体的动量 流强度等于物体的质量和引力场强度的乘积。
3
3
V 1m / s,u 0.
我在介绍KPC理论基础方面的文章
陈敏华.物理学各分支学科间的类比及其应用[J].浙江教育 学院学报,1992(4):71-75.
陈敏华编译.社会中的能量和信息[J].绍兴师专自然科学教 学专号,1993.
陈敏华.德国卡尔斯鲁厄物理课程的结构和特色[J].物理教 学,2007(11):56-58.
人起跳时，人是靠地面对人的 支持力推动的吗？
老师说汽车是靠地面对主动轮（ 后轮）受到的摩擦力前进的。要让 汽车开得快，这个摩擦力越大越好 。那么，我们为什么还要给轮胎充 气呢？（柯中高一（3）班学生於 露梦，2007.10.24）
功的定义
人教社2010年版《物理》2 P57：19世纪20年代法国科学家科里奥利明
我们是如何进行对KPC的研究和应用的? An Introduction of Our KPC Research
KPK-Der Karlsruher Physikkurs KPC-The Karlsruhe Physics Course
我国以KPC为研究对象的硕士论文 Masters’ Theses on KPC in China 王光宇.高中物理动量相关知识的教学研究[D].苏州 大学，2008. 涂秀静.中德两套初级中学物理教材的比较研究[D]. 上海师范大学，2009. 陈钰:苏州大学(尚未完成) 郭长江.中德两套高中物理教材力学部分的比较研究 [J].物理通报,2011(3).
陈敏华.德国卡尔斯鲁厄物理课程简介[J].物理教 师,2008(5):49-51.
陈敏华.德国卡尔斯鲁厄物理课程评介[J].物理通报，2011 （7）：117-120.
互补——对比
力——动量流 我们能感觉到力吗？Can we feel forces?
传统课程——KPC
什么是重力？ 什么是失重？ 重力=万有引力——重力=流入物体的（引力）动量流 g=重力加速度——g=引力场强度 失重=视重为零——失重=物体内没有（引力）动量流
F.Herrmann原著,陈敏华改编.波动与信息 [M].上海:上海教育出版社,2009.
指导柯桥中学高二学生开展“机械振动系统 由什么组成？”课题研究，成果被评为浙江省第 四届高中生研究性学习成果评比二等奖（2009）。
陈敏华.在不介绍波前的情况下可以引入波阵 面吗？——德国卡尔斯鲁厄物理课程的启示[J]. 国际物理教育通讯,2010(5):25-33.
我们是如何进行对KPC的研究和应用的? 根据KPC的特点——确定研究的重点 类比——理论基础 互补——对比 现象学——苏格底对话
类比（analogy）——理论基础（origins）
物理概念和概念之间的关系最终来自于物理现象。 Physical concepts and relationships arises from the phenomena and not the reverse. Empirical relationship and derived relationship
传统课程——KPC
力会做功吗？ 力做功——取消功的概念
如图所示的四幅图是某同学提包回家的情景。 在下列四种情况中，哪种情况下该同学对提包的 拉力做功
A
B
C
D
答案：ACD
如图所示的四幅图是某同学提包回家的情景。 在下列四种情况中，哪种情况下该同学对提包做 功
A
B
C
D
答案：AD
学生的问题
人走路时，人是靠地面对人的 摩擦力推动的吗？
演示：单摆的受迫振动和共振
电铃和钟摆的振动是受迫振动吗？回复力是外力 还是内力?
机械振动： （1）固有振动：振动系统没有受到外力的振动 （2）阻尼振动：振动系统在阻力作用下的振动 （3）受迫振动：振动系统在周期性驱动力作用下的
振动 （4）自激振动：振动系统在恒力作用下的振动
我在振动和波方面的研究成果
牛顿第二定律的基础是什么？ 动能定理的基础是什么？ 牛顿第二定律和动能定理是什么关系，是等价的还 是独立的？
此图译自Robert Karplus. Educational aspects of the structure of physics[J]. Am.J.Phys. 1981(3):238-241.
传统课程——KPC 单摆由什么组成？ 回复力是内力还是外力？ 电铃的振动是受迫振动吗？
单摆由摆线和摆球组成——单摆由摆线、摆球、地球和引力场构成
回复力是外力——回复力是内力 只讲受迫振动，但又引入电铃的振动——电铃的振动是 自激振动，而不是受迫振动
机械振动系统有什么组成?
What are mechanical oscillation systems composed of？
mg ( s
x)
1 2
mv02
1 2
mv2 ,
mgs 1 (2m)v2.
2
mv0 3mv.
x 4 m. 3
mg ( s1
l)
1 2
mv02
1 2
mu2 ,
mgs1
1 2
(2m)V
2
,
mv0 mu 2mV .
u 2V 2, 2V 2 u2 2 0.
V 1 m / s,u 4 m / s;
温物体传到高温物体（克劳修斯表述） • （2）不可能从单一热库吸收热量，使之完全
变成功，而不产生其他影响。（开尔文表述） • （3）在任何自然过程中，一个孤立系统的总
熵（entropy）不会减小。（熵增加原理）
KPC的理论基础是什么？ What is the origins of KPC？ KPC的理论基础方要是吉布斯方程和热力学第二定 律。 The main origins of KPC are the Gibbs fundamental form and the second law of thermodynamics. Minghua Chen. An electrical model of a Carnot[J]. The Phys. Teach. 1989(4):272-273.
超重概念应该被抛弃。
落塔(Drop Tower)
我在重力概念方面的研究成果
论文“对高中物理超重与失重的改编建议— —德国卡尔斯鲁厄物理课程的启示”在2010年浙 江省优秀教育教学论文评选中获一等奖。
Minhua Chen. A new definition of weight: The momentum current perspective (submitted to The Phys. Teach. )
确地把作用于物体上的力和受力点沿力的方向的 位移的乘积叫做“力的功”。
P58：力对物体所做的功，等于力的大小、 位移的大小、力与位移夹角的余弦这三者的乘积。
J.Thewlis.Concise Dictionary of Physics and related subjects[M].Pergamon Press,1979：Work: The transfer of energy from one system to another.
单摆的组成：摆线、摆球、 地球、重力场
回复力是外力还是内力？
大致画出天花板A处受到的力随时间变化的图线。
结论 在机械振动中，动量或能量在系统的各部 分之间周期性地来回流动。 弹簧振子这种机械振动系统由弹簧、物体 和地球组成。动量在物体和地球之间通过弹簧 周期性地来回流动，能量在物体和弹簧之间周 期性地来回流动。 单摆这个振动系统由摆球、摆线、地球和 地球周围的引力场组成。动量在摆球和地球之 间通过细线周期性地来回流动，能量在摆球和 引力场之间周期性地来回流动。
• B.物块向右运动，速度逐渐增大，直到做匀速运动
• C.木板向右运动，速度逐渐变小，直到做匀速运动
• D.木板和物块的速度都逐渐变小，直到为零
• 例2：两块长木板A和B，质量相等，长度都是 l=1.0m，紧贴在一起，静置于光滑水平的地面 上。另一小物块C，质量与长木板相等，可视 作质点，位于木板A的左端，如图所示。现给 物块C一向右的初速度，速度大小v0=2.0m/s。 已知物块与木板之间的滑动摩擦因数μ=0.10。 问木板A最终运动的速度为多少？
人教社2007年版《物理》选修3-4 P2：弹簧振子是小球和弹簧所组成的系统的 名称，但有时也把这样的小球称做弹簧振子或简 称振子。…弹簧的下端悬挂一个钢球、上端固定， 它们组成了一个振动系统。 P13：如果细线的质量与小球相比可以忽略； 球的直径与线的长度相比也可以忽略，这样的装 置就叫做单摆。
弹簧振子的组成：弹簧、摆球(振子)、地球、重力 场