北京市陳經(jīng)綸中學本部初中 王麗萍 張婷玉

“影響慣性大小的因素”一直以來都是初中物理教學的難點，教學實踐表明，慣性大小無法測量，學生往往憑借生活經(jīng)驗形成頑固的前科學概念，認為慣性大小與質量、速度大小均有關。有鑒于此，本文擬設計探究實驗，用量化手段對影響慣性大小的因素進行探討。

一、學生思維障礙

人教版教材中，對慣性的定義是“一切物體都有保持原來運動狀態(tài)不變的性質”。學生學習過程中存在思維障礙，而慣性大小與質量有關，與速度無關。通過大量生活實例，對于慣性與質量有關學生尚能掌握，然而根據(jù)“汽車行駛得越快，剎車越困難”這一現(xiàn)象，學生錯誤地認為速度大小是影響慣性的因素。限于學生的知識面，教師很難講透，只能提醒學生慣性大小與速度無關，只與質量有關。

二、慣性大小的量化

筆者認為，純粹的講授或簡單的生活實例，對于轉變學生原有對慣性形成的錯誤前概念效果欠佳。因此在教學中，嘗試采用操作定義法將慣性定義為受相同力時速度改變的快慢，用更精密的測量儀器給學生更直觀的展現(xiàn)。

（一）操作定義慣性大小

物體保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質稱為慣性，慣性是物體的一種固有屬性，表現(xiàn)為物體對其運動狀態(tài)變化的一種阻抗程度，質量是對物體慣性大小的量度。當作用在物體上的外力為零時，慣性表現(xiàn)為物體保持其運動狀態(tài)不變，即保持靜止或勻速直線運動；當作用在物體上的外力不為零時，慣性表現(xiàn)為外力改變物體運動狀態(tài)的難易程度。

圖1 操作定義慣性大小過程

（二）慣性與質量有關實驗設計

1.實驗操作

實驗中小車放在水平的木板上，另一端與加速度傳感器相連，如圖2所示，繩子另一端掛200g鉤碼拉小車使小車運動，小車運動過程中采用加速度傳感器實時記錄單位時間速度變化量。在第一次實驗的小車上放入200g、500g物體，改變小車的質量，為了施加相同的力，繩子另一端掛相同個數(shù)的鉤碼，采用加速度傳感器實時記錄單位時間速度變化量。

圖2 慣性與質量關系實驗裝置圖

2.實驗數(shù)據(jù)分析

改變小車的質量，空車時小車的a-t圖像如圖3所示，每秒鐘速度的變化量為2.4m/s；加200g重物小車的a-t圖像如圖4所示，每秒鐘速度的變化量為1.3m/s；加500g重物小車的a-t圖像如圖5所示，每秒鐘速度的變化量為0.8m/s。

圖3

圖4

圖5

通過數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)：當物體受到的力不變時，隨著物體質量的增加，單位時間速度變化量變小，質量大的物體慣性大。

（三）慣性與速度無關實驗設計

由于質量是影響速度大小的因素，實驗時控制質量相同，為解決剎車問題中學生的思維障礙，選取同一個小車，以不同初速度在軌道上滑行，利用摩擦力為制動力。同一小車，同一斜面，斜面對小車的摩擦力相同，即每次的制動力相同。采用加速度傳感器實時記錄每秒鐘速度的變化量，采集小車運動的a-t圖像。

1.選取研究階段

如圖6，為小車全程運動的a-t圖像，進行實驗數(shù)據(jù)分析，圖像上可以明顯看出五個不同的部分，這五個部分的數(shù)據(jù)分別與小車在軌道上的運動相對應。（1）對應小車靜止狀態(tài)，速度不變，每秒速度變化為零；（2）對應推車瞬間速度劇烈變化；（3）對應小車在軌道上滑行減速，速度減慢；（4）對應小車撞擊軌道末端，速度劇烈變化過程；（5）實驗結束小車靜止。

圖6 小車全程運動a-t圖像

三、實驗設計反思

因為要研究力相同的情況下，小車單位時間速度變化量，所以選取第3段為研究階段。在第3段的圖像中，觀察力相同時不同初速度下的速度改變的變化。接下來以不同的初速度釋放小車，實驗數(shù)據(jù)采集如圖7、圖8所示。

圖7 較大初速度小車a-t圖像

圖8 較小初速度小車a-t圖像

（一）用操作定義法量化疑難物理量

操作定義是根據(jù)可觀察、可測量、可操作的特征來界定變量含義的方法，將抽象的概念轉換成可觀測、可檢驗的項目。慣性是中學教學階段很難被測量的物理量，慣性的影響因素較為復雜，授課過程中單憑生活實例學生難以信服，而將難以測量的物理量操作定義，定義為可觀測、可測量的物理量是解決復雜物理概念的有效途徑。根據(jù)牛頓第二定律的知識，我們將慣性操作定義為單位時間內(nèi)速度的變化量，通過操作定義的方法把抽象的概念轉化為可測量、可檢驗的物理量。通過實驗數(shù)據(jù)及圖像直觀觀察得出數(shù)據(jù)，有利于學生思維深度的培養(yǎng)，解決了教學中的疑難問題。

（二）以破除前概念作為慣性概念建立的保證

所謂前科學概念，是指學生在學習物理課程以前的生活實際中，對各種物理現(xiàn)象和過程在頭腦中反復建構所形成的系統(tǒng)但并非科學的觀念。學生是帶著前概念進入課堂的，而它們往往與科學事實不相符，前概念的頑固性、隱蔽性特點，更是給教學帶來了極大困難。本實驗對慣性進行量化，實驗顯示即便速度大小發(fā)生變化，慣性大小不變，進而引發(fā)學生的認知沖突，并力圖改造學生已有的認知圖式，達到建立新圖式的目的。

（三）引入多媒體設備助力教學的有序開展

隨著信息化技術的深入發(fā)展，課堂教學對多媒體的使用也得以普及。然而，物理教材實驗編寫仍停留在傳統(tǒng)器材基礎上，出現(xiàn)課堂操作實驗效果差、現(xiàn)象不明顯等問題，影響物理課堂教學效率。恰當引入多媒體設備輔助教學是一種趨勢，更是物理實驗教學的必然。

本實驗需要測量小車單位時間內(nèi)速度變化量反應慣性的大小。一方面，小車運動較快，速度大小、時間很難測量；另一方面，采集的數(shù)據(jù)學生現(xiàn)場處理，花費課堂時間過長，導致教學任務難以完成。采用傳感器測量數(shù)據(jù)顯示，并用計算機進行數(shù)據(jù)處理，極大地節(jié)省了實驗時間，實驗數(shù)據(jù)直觀明了，降低了實驗難度，保證了課堂教學的有序進行。

2.實驗數(shù)據(jù)分析

對兩次實驗進行對比，即便兩次初速度不等，在相同摩擦力的作用下，小車運動a-t圖像為一條平行于時間軸的直線，兩次單位時間內(nèi)速度的變化量為0.98m/s、0.99m/s，單位時間速度減小量幾乎相同，慣性大小未改變，可得出結論：慣性大小與速度無關。通過實驗器材的改進，用量化的實驗結果，突破了慣性和質量有關、與速度無關的教學難點。總結本實驗的探究過程，進行了以下幾點的反思。