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)生對慣性概念認(rèn)識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,這對學(xué)生理解慣性知識又有何影響？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 對不同版本教材中有關(guān)慣性的教學(xué)探討

筆者對一些不同版本進(jìn)行了歸納,主要分為兩大類,主要表現(xiàn)為對處理“牛頓第一運(yùn)動定律”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)動狀態(tài)的性質(zhì),是物體的一種固有屬性.通常人們對于慣性這一認(rèn)識有賴于慣性定律的建立,這一點(diǎn)在人類認(rèn)識發(fā)展上經(jīng)歷了相當(dāng)長的時(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)動定律知道,物體具有保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì).”從而把這種性質(zhì)叫做慣性.這樣處理,學(xué)生可能會想:牛頓第一運(yùn)動定律明確說,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)動情況,就得出物體具有慣性,學(xué)生不僅難以領(lǐng)會,反而會在意識中將“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)動情況,再聯(lián)系物體不受力時(shí)的運(yùn)動情況,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)動的物體,保持勻速直線運(yùn)動狀態(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)動或怎樣運(yùn)動,物體都具有這種固有屬性即慣性.

牛頓第一運(yùn)動定律雖然是描述物體的一種運(yùn)動規(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)動狀態(tài)的原因,而不是產(chǎn)生或維持物體運(yùn)動的原因;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)動定律也叫慣性定律.

2 對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”.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)動狀態(tài)不變的能力”會更容易被學(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,坐在車上會有這樣的體會: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)動狀態(tài)不變的能力就越強(qiáng),從而意味著物體運(yùn)動狀態(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)動狀態(tài)相對不容易改變？

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)動速度變成靜止,或從靜止變成某運(yùn)動速度的難易程度”.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?。窟@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,也不易剎車？”等等,都可以讓學(xué)生從另一個(gè)角度來體會“慣性大小反映了物體運(yùn)動狀態(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,只是這里是面對初中生而已.

3 對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)還會出現(xiàn)知識性的錯(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)確定被研究對象原來的運(yùn)動狀態(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)動狀態(tài);(3)確定被研究對象或被研究對象的某部分由于慣性而保持原來的運(yùn)動狀態(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,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)動狀態(tài)不變的能力更強(qiáng)”或“物體運(yùn)動狀態(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,故不會相碰.此題告訴我們:物體不受力時(shí),物體慣性的大小并不會影響速度的大小.慣性的大小只會影響物體保持運(yùn)動狀態(tài)不變的能力大小或影響物體運(yùn)動狀態(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.