走出惯性的深层理解误区

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  惯性是高中物理中比较抽象的概念,学生最容易在惯性这里陷入抽象思考的 “泥潭”而无法自拔.由于高考对惯性的考查与要求不高,教师在教学中一般会避重就轻,避开对惯性的更深层次的理解.这样,学生对惯性的理解就很“自然”的进入误区.惯性的概念曾经引导许多物理学家深入思考和剖析,使物理学产生重大进展,其中蕴涵着深刻的物理思想和丰富的物理学研究方法,是培养学生科学思考能力的有效素材.那么,学生对惯性的理解有哪些深层理解误区,以及如何走出这些误区并正确理解惯性,就显得尤为重要了.
  惯性的定义是:“物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质,我们把这个性质叫做惯性.”学生对于惯性的深层理解误区,有以下两个方面.
  1 惯性与速度的关系
  物体的运动速度越大,运动状态越难改变.因此有些同学认为:运动速度大的物体惯性大,运动速度小的物体惯性小.造成这种错误理解的原因,在于对决定物体惯性大小的因素不明确.教师:“决定物体惯性大小的惟一因素是物体的质量,质量大的物体惯性大,质量小的物体惯性小.物体惯性的大小跟物体的形态、受力情况、运动速度等一概无关.”
  学生也知道质量是衡量惯性大小的惟一尺度,但是他们的困惑依然存在,依然难于走出对惯性与速度关系的理解误区.
  教师再进一步解释:“运动快的汽车难刹车是因阻力大小有限,如果增大阻力,它也会很快停下来.”
  此时有的学生已经理解了,但思考更敏锐的学生会提出下面的问题反驳:“如果是同一辆汽车在同一条马路上行使,为什么速度大的时候更难刹车?而此时汽车的质量相同,以及汽车受到的阻力也一样.”
  学生对惯性与速度的关系的思考,从现实生活中的例子入手,并用控制变量法来进行研究.他们感觉自己的研究方法科学,对问题的分析无懈可击.这一层次的理解属于深层次的理解误区.
  教师要指出学生在思考这个问题时,关键是忽略了运动状态变化难易程度所用的时间.教师可以反问学生:如果是同一辆汽车在同一条马路上行使,在相同的时间内,汽车的运动状态改变程度是否一样?
  学生在这个反问下思考,可以比较深刻的理解惯性与速度的关系,并走出惯性的深层理解误区.
  2 惯性与质量
  观察和实验表明,对于任何物体,在受到相同的作用力时,决定它们运动状态变化难易程度的惟一因素就是它们的质量.因为对于相同质量的物体而言,力越小其运动状态就越难改变,也即,力越小其改变运动状态时间越长.由此我们得出结论:描述物体惯性的物理量是它们的质量.
  2.1 学生认为惯性与质量无关
  学生:老师,真空管中的羽毛和硬币是同时下落的么?
  教师:不是,因为在生活中不能做成绝对的真空,但是空气阻力已经很小,所以看到它们几乎是同时落地.
  学生:那如果是绝对的真空,会同时下落么?
  教师:会.
  学生:那就行了,那么质量不同的物体做自由落体运动,下落的快慢一样,也就是物体的运动状态改变程度一样,这不是说明惯性与质量无关么?
  学生把真空管的实验结果,用来反驳对惯性与质量的关系,比较出色.在回答学生的困惑之前,我先肯定了他的思维比较灵活,对问题的思考比较深刻.然后从物体下落是受力不同来进行分析.对于任何物体,在受到相同的作用力时,决定它们运动状态变化难易程度的惟一因素就是它们的质量.做自由落体运动的物体虽然运动状态变化程度一样,但是他们并不是受到相同的作用力因而不能判定它们运动状态变化难易程度一样.
  羽毛和硬币在真空管中同时下落,说明它们运动状态变化难易程度是一样的.但是在这种条件下羽毛的受力要小于硬币的受力,可以推测,若是它们受到的是相同的力,硬币的运动状态变化会难一点,也就是硬币的惯性大一点.
  2.2 惯性与质量成正比么?
  很多学生都知道,质量越大,物体的运动状态越难改变,因此物体惯性越大.并由此认为惯性与质量成正比.
  针对这个问题,教师要明确指出:描述物体惯性的物理量是它们的质量.但是它们之间的关系现在还不清楚.现在可以认为质量越大,物体惯性越大.但并不说明它们是成正比的.
  事实上,任何一本教科书上也没有指出惯性与质量的函数关系,因为这一函数关系并不存在,它只是人们的一个虚假的逻辑推测,谁也不能证明质量与惯性成正比或不成正比,更不能得出它们之问的比例系数,因为这些关系均是虚假的.
  惯性的概念理解,是培养学生思维的温床.如果学生经历了走出对惯性的深层理解误区的过程,那么学生对惯性的理解才是比较深刻的.
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