對(duì)慣性教學(xué)的再探討

孫厚升

(無錫市僑誼實(shí)驗(yàn)中學(xué),江蘇 無錫 214026)

筆者根據(jù)自身十幾年的教學(xué)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)在初中階段學(xué)生對(duì)慣性概念認(rèn)識(shí)一直比較膚淺甚至錯(cuò)誤,這是業(yè)內(nèi)廣為人知的,并為此已有很多同行進(jìn)行探論過.筆者也為此困惑多年,且發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行不同版本教材在處理慣性教學(xué)內(nèi)容安排上有很大的差異.為何不同版本教材在內(nèi)容上有如此多的不同安排,這對(duì)學(xué)生理解慣性知識(shí)又有何影響？本文以經(jīng)典力學(xué)的角度試從幾個(gè)方面對(duì)慣性的教學(xué)進(jìn)行再探討,望能達(dá)到拋磚引玉的作用.

1 對(duì)不同版本教材中有關(guān)慣性的教學(xué)探討

筆者對(duì)一些不同版本進(jìn)行了歸納,主要分為兩大類,主要表現(xiàn)為對(duì)處理“牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律”與“二力平衡”這兩節(jié)內(nèi)容在安排次序上先后不同:第一類把“牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律”一節(jié)置前的版本教材有滬科版、魯教版、新人教版等;第二類把“二力平衡”一節(jié)置前的版本教材有蘇科版、北師大版、北京課改版等.

慣性是指物體具有保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì),是物體的一種固有屬性.通常人們對(duì)于慣性這一認(rèn)識(shí)有賴于慣性定律的建立,這一點(diǎn)在人類認(rèn)識(shí)發(fā)展上經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間.第一類版本(如滬科版)的教材繼承了這一表現(xiàn),因?yàn)閭鹘y(tǒng)意義上講,在描述物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),一般先講物體不受力的情況,再講物體受力的情況.筆者發(fā)現(xiàn),第一類教材在處理時(shí)基本都是根據(jù)牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律(慣性定律),刪去前面一句“一切物體在沒有受到外力作用的時(shí)候”,并說,“我們從牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律知道,物體具有保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì).”從而把這種性質(zhì)叫做慣性.這樣處理,學(xué)生可能會(huì)想:牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律明確說,物體不受外力作用時(shí),才具有這種性質(zhì).學(xué)生的這種想法當(dāng)然是錯(cuò)誤的.但從教學(xué)的角度看,僅考察物體不受力時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況,就得出物體具有慣性,學(xué)生不僅難以領(lǐng)會(huì),反而會(huì)在意識(shí)中將“不受力”的條件和慣性聯(lián)系在一起.筆者認(rèn)為在這一點(diǎn)上以滬科版教材不妨可以借鑒蘇科版教材.

蘇科版教材在內(nèi)容安排上,把“二力平衡”一節(jié)放在“牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律”一節(jié)之前.這樣處理的好處是,在講完牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律內(nèi)容時(shí),可以讓學(xué)生回憶物體受平衡力作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況,再聯(lián)系物體不受力時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況,從而使學(xué)生明確:在這兩種情況(受平衡力和不受力)下,原來靜止的物體保持靜止;原來運(yùn)動(dòng)的物體,保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變.第二類教材與第一類教材不同的是,它已不是只考察不受力一種情況,而是考察受平衡力和不受力兩種情況.在這兩種情況下,物體都具有保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì).在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深層次地探討:為什么物體在這兩種情況下,物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持不變呢？從而引入物體本身具有一種固有屬性——慣性,這樣學(xué)生就比較容易接受,也不會(huì)把它與不受力的條件聯(lián)系在一起了.當(dāng)然隨后須要強(qiáng)調(diào)一切物體不管是否受力,也不管它受力是否平衡,還是是否運(yùn)動(dòng)或怎樣運(yùn)動(dòng),物體都具有這種固有屬性即慣性.

牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律雖然是描述物體的一種運(yùn)動(dòng)規(guī)律,但在初中階段,它卻告訴學(xué)生幾點(diǎn)信息:一是糾正了亞里士多德的錯(cuò)誤觀念,明確了力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因,而不是產(chǎn)生或維持物體運(yùn)動(dòng)的原因;二就是告訴人們一切物體本身具有一種固有屬性——慣性,所以牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律也叫慣性定律.

2 對(duì)慣性大小與哪些因素有關(guān)的教學(xué)探討

牛頓在陳述第一定律前的定義中,明確定義了“慣性”這一概念.他指出:“慣性是一種起抵抗作用的能力”,這種抵抗作用的能力,“使之保持其現(xiàn)有狀態(tài),或靜止,或是勻速直線運(yùn)動(dòng)”.顯然,這里所說的起抵抗作用的能力,是物體慣性大小的表現(xiàn),這種“抵抗能力”在牛頓第二定律中將得到進(jìn)一步的定量闡明.大家知道,外力一定時(shí),物體的質(zhì)量越大,加速度越小,即物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越不易改變,這就表現(xiàn)為物體的“抵抗能力”越強(qiáng),即慣性越大.從而說明了物體質(zhì)量越大,其慣性越大.那么,在初中物理教學(xué)中,如何讓學(xué)生體會(huì)到這一點(diǎn),這的確是擺在教育工作者前的一道難關(guān).

筆者以為可以這樣處理,各種教材中基本都安排了一道例題:鐵錘松動(dòng)時(shí),如何讓錘頭緊緊地套在木柄上？方法就是用手握住錘柄迅速向下撞擊堅(jiān)硬的地面.筆者以為可以繼續(xù)挖掘這道題,因?yàn)榇祟}正好也涉及到慣性大小的問題.例如,你可以問學(xué)生:上述的操作若倒過來進(jìn)行,效果好不好？好與不好請(qǐng)說出原因.這樣讓學(xué)生自然過渡到有關(guān)物體慣性大小的問題.根據(jù)筆者多年的教學(xué)實(shí)踐,牛頓這里的“抵抗能力”若被理解為“物體具有保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的能力”會(huì)更容易被學(xué)生接受.而慣性大小其實(shí)就是“物體具有保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的能力大小”,例題中的第一種方法之所以效果較好,是因?yàn)殄N柄受到地面撞擊而停止運(yùn)動(dòng)時(shí),鐵錘由于質(zhì)量很大,鐵錘“具有保持繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的能力就很強(qiáng)”,從而使鐵錘更容易套牢在錘柄上.

另外,在教學(xué)中也許有的學(xué)生認(rèn)為,坐在車上會(huì)有這樣的體會(huì):汽車開得慢比較容易剎住,開得較快時(shí)就不容易剎住了,這不就說明了速度大慣性就大嗎？在講這部分內(nèi)容時(shí),相信很多教師遇到這樣的問題.筆者的想法是,這時(shí)需要從另一個(gè)角度來引導(dǎo)學(xué)生理解慣性大小,否則對(duì)初中生而言很難講通.前面講過,物體慣性越大,物體保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的能力就越強(qiáng),從而意味著物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難度越大,相反也成立.此時(shí)可以反問學(xué)生:高速飛行的子彈與慢速行駛的汽車比較,哪個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相對(duì)不容易改變？

學(xué)生之所以錯(cuò)解,原因是把“慣性大小表示物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度”此時(shí)理解成了“汽車的慣性大小表現(xiàn)為汽車從某運(yùn)動(dòng)速度變成靜止,或從靜止變成某運(yùn)動(dòng)速度的難易程度”.其實(shí)同一輛汽車,質(zhì)量不變,其慣性大小也不變.為什么汽車開得快時(shí)不容易剎??？這是因?yàn)槠囬_得快時(shí),需要有一個(gè)“慢下來”的過程才能停住.例如,同一輛汽車從15m/s的速度開始剎車與從5m/s的速度開始剎車相比較,前者就要多一個(gè)速度從15m/s到5m/s的過程,然后再從5m/s減到0,這必然需要多花時(shí)間,學(xué)生感覺上前者就比后者要難剎住了.教學(xué)中可以多舉些例子來說明:例如,戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)入格斗狀態(tài)時(shí)要甩掉副油箱,目的是通過減少質(zhì)量來減少慣性,從而使戰(zhàn)斗機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更容易改變.再如,“大客車與小轎車比,為何大客車不易啟動(dòng),也不易剎車？”等等,都可以讓學(xué)生從另一個(gè)角度來體會(huì)“慣性大小反映了物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度”.

當(dāng)然關(guān)于這個(gè)問題,可以從牛頓第二定律角度或從動(dòng)量角度或從能量角度來解釋就比較透徹些,只是這里是面對(duì)初中生而已.

3 對(duì)如何解釋某些慣性現(xiàn)象的教學(xué)探討

有些學(xué)生在解釋有關(guān)慣性現(xiàn)象時(shí),常不知從何著手,語無倫次,表達(dá)不準(zhǔn)確,前后不連貫,有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)知識(shí)性的錯(cuò)誤.

在教學(xué)中,要強(qiáng)調(diào)慣性是任何物體在任何時(shí)候都具有的一種性質(zhì),與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、受力情況、速度大小等無關(guān).既然慣性不是“外加條件”,也不是一種“力的作用”,在用慣性解釋有關(guān)現(xiàn)象時(shí),應(yīng)重點(diǎn)指出:物體“具有或由于慣性”,而千萬不要出現(xiàn)“物體在慣性作用下”、“物體在慣性力的作用下”、“物體受到慣性作用”,也不能說“慣性大于阻力”、“這時(shí)物體具有了慣性”等不合乎慣性是物體固有屬性的語句.在具體解釋慣性現(xiàn)象時(shí),一般是3步曲:(1)確定被研究對(duì)象原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);(2)確定哪一物體或物體的哪部分在突發(fā)過程中受到外力作用,改變了原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);(3)確定被研究對(duì)象或被研究對(duì)象的某部分由于慣性而保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),然后得出結(jié)論.

下面以一例題來加以具體說明.

圖1

如圖1所示,車廂在水平面上做勻速直線運(yùn)動(dòng),在車廂內(nèi)固定的光滑桌面上放置質(zhì)量分別為M1和M2的兩個(gè)物體,M1＞M2.不計(jì)其他阻力,當(dāng)車突然停止時(shí),兩個(gè)物體在離開桌面前

(A)一定相碰.(B)一定不相碰.

(C)不一定相碰.(D)先撞上,后又分開.

誤解:(A).

解析:這里物體M1質(zhì)量較大,固然慣性也較大,即“物體具有保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的能力更強(qiáng)”或“物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度更難”,但“當(dāng)車突然停止時(shí)”它們的速度是一樣的,又由于慣性,它們只能保持原來的速度繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),故不會(huì)相碰.此題告訴我們:物體不受力時(shí),物體慣性的大小并不會(huì)影響速度的大小.慣性的大小只會(huì)影響物體保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的能力大小或影響物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度.

正解:(B).

綜上所述,慣性是經(jīng)典力學(xué)中的一個(gè)基本概念,同時(shí)也是人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€(gè)基礎(chǔ)性觀念.物理學(xué)發(fā)展到今天,究竟物體的慣性完全歸因?yàn)橥獠康淖饔?還是歸因于物體的內(nèi)部性質(zhì),還有待于未來的研究.對(duì)于初中階段的物理教學(xué),我們應(yīng)立足于經(jīng)典力學(xué)、課本和學(xué)生的認(rèn)知水平,最大方便的讓學(xué)生體會(huì)到慣性這個(gè)物理量的深刻含義.

1 張大同,邱躍生.初中物理容易混淆問題的解析［M］.廣州:廣東教育出版社,2002.