对惯性教学的再探讨

孙厚升

(无锡市侨谊实验中学,江苏 无锡 214026)

笔者根据自身十几年的教学实践,发现在初中阶段学生对惯性概念认识一直比较肤浅甚至错误,这是业内广为人知的,并为此已有很多同行进行探论过.笔者也为此困惑多年,且发现现行不同版本教材在处理惯性教学内容安排上有很大的差异.为何不同版本教材在内容上有如此多的不同安排,这对学生理解惯性知识又有何影响？本文以经典力学的角度试从几个方面对惯性的教学进行再探讨,望能达到抛砖引玉的作用.

1 对不同版本教材中有关惯性的教学探讨

笔者对一些不同版本进行了归纳,主要分为两大类,主要表现为对处理“牛顿第一运动定律”与“二力平衡”这两节内容在安排次序上先后不同:第一类把“牛顿第一运动定律”一节置前的版本教材有沪科版、鲁教版、新人教版等;第二类把“二力平衡”一节置前的版本教材有苏科版、北师大版、北京课改版等.

惯性是指物体具有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质,是物体的一种固有属性.通常人们对于惯性这一认识有赖于惯性定律的建立,这一点在人类认识发展上经历了相当长的时间.第一类版本(如沪科版)的教材继承了这一表现,因为传统意义上讲,在描述物体运动规律时,一般先讲物体不受力的情况,再讲物体受力的情况.笔者发现,第一类教材在处理时基本都是根据牛顿第一运动定律(惯性定律),删去前面一句“一切物体在没有受到外力作用的时候”,并说,“我们从牛顿第一运动定律知道,物体具有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质.”从而把这种性质叫做惯性.这样处理,学生可能会想:牛顿第一运动定律明确说,物体不受外力作用时,才具有这种性质.学生的这种想法当然是错误的.但从教学的角度看,仅考察物体不受力时的运动情况,就得出物体具有惯性,学生不仅难以领会,反而会在意识中将“不受力”的条件和惯性联系在一起.笔者认为在这一点上以沪科版教材不妨可以借鉴苏科版教材.

苏科版教材在内容安排上,把“二力平衡”一节放在“牛顿第一运动定律”一节之前.这样处理的好处是,在讲完牛顿第一运动定律内容时,可以让学生回忆物体受平衡力作用时的运动情况,再联系物体不受力时的运动情况,从而使学生明确:在这两种情况(受平衡力和不受力)下,原来静止的物体保持静止;原来运动的物体,保持匀速直线运动状态不变.第二类教材与第一类教材不同的是,它已不是只考察不受力一种情况,而是考察受平衡力和不受力两种情况.在这两种情况下,物体都具有保持静止或匀速直线运动状态的性质.在此基础上进一步深层次地探讨:为什么物体在这两种情况下,物体运动状态保持不变呢？从而引入物体本身具有一种固有属性——惯性,这样学生就比较容易接受,也不会把它与不受力的条件联系在一起了.当然随后须要强调一切物体不管是否受力,也不管它受力是否平衡,还是是否运动或怎样运动,物体都具有这种固有属性即惯性.

牛顿第一运动定律虽然是描述物体的一种运动规律,但在初中阶段,它却告诉学生几点信息:一是纠正了亚里士多德的错误观念,明确了力是改变物体运动状态的原因,而不是产生或维持物体运动的原因;二就是告诉人们一切物体本身具有一种固有属性——惯性,所以牛顿第一运动定律也叫惯性定律.

2 对惯性大小与哪些因素有关的教学探讨

牛顿在陈述第一定律前的定义中,明确定义了“惯性”这一概念.他指出:“惯性是一种起抵抗作用的能力”,这种抵抗作用的能力,“使之保持其现有状态,或静止,或是匀速直线运动”.显然,这里所说的起抵抗作用的能力,是物体惯性大小的表现,这种“抵抗能力”在牛顿第二定律中将得到进一步的定量阐明.大家知道,外力一定时,物体的质量越大,加速度越小,即物体的运动状态越不易改变,这就表现为物体的“抵抗能力”越强,即惯性越大.从而说明了物体质量越大,其惯性越大.那么,在初中物理教学中,如何让学生体会到这一点,这的确是摆在教育工作者前的一道难关.

笔者以为可以这样处理,各种教材中基本都安排了一道例题:铁锤松动时,如何让锤头紧紧地套在木柄上？方法就是用手握住锤柄迅速向下撞击坚硬的地面.笔者以为可以继续挖掘这道题,因为此题正好也涉及到惯性大小的问题.例如,你可以问学生:上述的操作若倒过来进行,效果好不好？好与不好请说出原因.这样让学生自然过渡到有关物体惯性大小的问题.根据笔者多年的教学实践,牛顿这里的“抵抗能力”若被理解为“物体具有保持运动状态不变的能力”会更容易被学生接受.而惯性大小其实就是“物体具有保持运动状态不变的能力大小”,例题中的第一种方法之所以效果较好,是因为锤柄受到地面撞击而停止运动时,铁锤由于质量很大,铁锤“具有保持继续向下运动状态不变的能力就很强”,从而使铁锤更容易套牢在锤柄上.

另外,在教学中也许有的学生认为,坐在车上会有这样的体会:汽车开得慢比较容易刹住,开得较快时就不容易刹住了,这不就说明了速度大惯性就大吗？在讲这部分内容时,相信很多教师遇到这样的问题.笔者的想法是,这时需要从另一个角度来引导学生理解惯性大小,否则对初中生而言很难讲通.前面讲过,物体惯性越大,物体保持运动状态不变的能力就越强,从而意味着物体运动状态改变的难度越大,相反也成立.此时可以反问学生:高速飞行的子弹与慢速行驶的汽车比较,哪个物体的运动状态相对不容易改变？

学生之所以错解,原因是把“惯性大小表示物体运动状态改变的难易程度”此时理解成了“汽车的惯性大小表现为汽车从某运动速度变成静止,或从静止变成某运动速度的难易程度”.其实同一辆汽车,质量不变,其惯性大小也不变.为什么汽车开得快时不容易刹住？这是因为汽车开得快时,需要有一个“慢下来”的过程才能停住.例如,同一辆汽车从15m/s的速度开始刹车与从5m/s的速度开始刹车相比较,前者就要多一个速度从15m/s到5m/s的过程,然后再从5m/s减到0,这必然需要多花时间,学生感觉上前者就比后者要难刹住了.教学中可以多举些例子来说明:例如,战斗机进入格斗状态时要甩掉副油箱,目的是通过减少质量来减少惯性,从而使战斗机的运动状态更容易改变.再如,“大客车与小轿车比,为何大客车不易启动,也不易刹车？”等等,都可以让学生从另一个角度来体会“惯性大小反映了物体运动状态改变的难易程度”.

当然关于这个问题,可以从牛顿第二定律角度或从动量角度或从能量角度来解释就比较透彻些,只是这里是面对初中生而已.

3 对如何解释某些惯性现象的教学探讨

有些学生在解释有关惯性现象时,常不知从何着手,语无伦次,表达不准确,前后不连贯,有时还会出现知识性的错误.

在教学中,要强调惯性是任何物体在任何时候都具有的一种性质,与物体的运动状态、受力情况、速度大小等无关.既然惯性不是“外加条件”,也不是一种“力的作用”,在用惯性解释有关现象时,应重点指出:物体“具有或由于惯性”,而千万不要出现“物体在惯性作用下”、“物体在惯性力的作用下”、“物体受到惯性作用”,也不能说“惯性大于阻力”、“这时物体具有了惯性”等不合乎惯性是物体固有属性的语句.在具体解释惯性现象时,一般是3步曲:(1)确定被研究对象原来的运动状态;(2)确定哪一物体或物体的哪部分在突发过程中受到外力作用,改变了原来的运动状态;(3)确定被研究对象或被研究对象的某部分由于惯性而保持原来的运动状态,然后得出结论.

下面以一例题来加以具体说明.

图1

如图1所示,车厢在水平面上做匀速直线运动,在车厢内固定的光滑桌面上放置质量分别为M1和M2的两个物体,M1＞M2.不计其他阻力,当车突然停止时,两个物体在离开桌面前

(A)一定相碰.(B)一定不相碰.

(C)不一定相碰.(D)先撞上,后又分开.

误解:(A).

解析:这里物体M1质量较大,固然惯性也较大,即“物体具有保持运动状态不变的能力更强”或“物体运动状态改变的难易程度更难”,但“当车突然停止时”它们的速度是一样的,又由于惯性,它们只能保持原来的速度继续向前运动,故不会相碰.此题告诉我们:物体不受力时,物体惯性的大小并不会影响速度的大小.惯性的大小只会影响物体保持运动状态不变的能力大小或影响物体运动状态改变的难易程度.

正解:(B).

综上所述,惯性是经典力学中的一个基本概念,同时也是人们日常生活中的一个基础性观念.物理学发展到今天,究竟物体的惯性完全归因为外部的作用,还是归因于物体的内部性质,还有待于未来的研究.对于初中阶段的物理教学,我们应立足于经典力学、课本和学生的认知水平,最大方便的让学生体会到惯性这个物理量的深刻含义.

1 张大同,邱跃生.初中物理容易混淆问题的解析［M］.广州:广东教育出版社,2002.