巧用实验量化惯性大小

北京市陈经纶中学本部初中 王丽萍 张婷玉

“影响惯性大小的因素”一直以来都是初中物理教学的难点，教学实践表明，惯性大小无法测量，学生往往凭借生活经验形成顽固的前科学概念，认为惯性大小与质量、速度大小均有关。有鉴于此，本文拟设计探究实验，用量化手段对影响惯性大小的因素进行探讨。

一、学生思维障碍

人教版教材中，对惯性的定义是“一切物体都有保持原来运动状态不变的性质”。学生学习过程中存在思维障碍，而惯性大小与质量有关，与速度无关。通过大量生活实例，对于惯性与质量有关学生尚能掌握，然而根据“汽车行驶得越快，刹车越困难”这一现象，学生错误地认为速度大小是影响惯性的因素。限于学生的知识面，教师很难讲透，只能提醒学生惯性大小与速度无关，只与质量有关。

二、惯性大小的量化

笔者认为，纯粹的讲授或简单的生活实例，对于转变学生原有对惯性形成的错误前概念效果欠佳。因此在教学中，尝试采用操作定义法将惯性定义为受相同力时速度改变的快慢，用更精密的测量仪器给学生更直观的展现。

（一）操作定义惯性大小

物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质称为惯性，惯性是物体的一种固有属性，表现为物体对其运动状态变化的一种阻抗程度，质量是对物体惯性大小的量度。当作用在物体上的外力为零时，惯性表现为物体保持其运动状态不变，即保持静止或匀速直线运动；当作用在物体上的外力不为零时，惯性表现为外力改变物体运动状态的难易程度。

图1 操作定义惯性大小过程

（二）惯性与质量有关实验设计

1.实验操作

实验中小车放在水平的木板上，另一端与加速度传感器相连，如图2所示，绳子另一端挂200g钩码拉小车使小车运动，小车运动过程中采用加速度传感器实时记录单位时间速度变化量。在第一次实验的小车上放入200g、500g物体，改变小车的质量，为了施加相同的力，绳子另一端挂相同个数的钩码，采用加速度传感器实时记录单位时间速度变化量。

图2 惯性与质量关系实验装置图

2.实验数据分析

改变小车的质量，空车时小车的a-t图像如图3所示，每秒钟速度的变化量为2.4m/s；加200g重物小车的a-t图像如图4所示，每秒钟速度的变化量为1.3m/s；加500g重物小车的a-t图像如图5所示，每秒钟速度的变化量为0.8m/s。

图3

图4

图5

通过数据我们发现：当物体受到的力不变时，随着物体质量的增加，单位时间速度变化量变小，质量大的物体惯性大。

（三）惯性与速度无关实验设计

由于质量是影响速度大小的因素，实验时控制质量相同，为解决刹车问题中学生的思维障碍，选取同一个小车，以不同初速度在轨道上滑行，利用摩擦力为制动力。同一小车，同一斜面，斜面对小车的摩擦力相同，即每次的制动力相同。采用加速度传感器实时记录每秒钟速度的变化量，采集小车运动的a-t图像。

1.选取研究阶段

如图6，为小车全程运动的a-t图像，进行实验数据分析，图像上可以明显看出五个不同的部分，这五个部分的数据分别与小车在轨道上的运动相对应。（1）对应小车静止状态，速度不变，每秒速度变化为零；（2）对应推车瞬间速度剧烈变化；（3）对应小车在轨道上滑行减速，速度减慢；（4）对应小车撞击轨道末端，速度剧烈变化过程；（5）实验结束小车静止。

图6 小车全程运动a-t图像

三、实验设计反思

因为要研究力相同的情况下，小车单位时间速度变化量，所以选取第3段为研究阶段。在第3段的图像中，观察力相同时不同初速度下的速度改变的变化。接下来以不同的初速度释放小车，实验数据采集如图7、图8所示。

图7 较大初速度小车a-t图像

图8 较小初速度小车a-t图像

（一）用操作定义法量化疑难物理量

操作定义是根据可观察、可测量、可操作的特征来界定变量含义的方法，将抽象的概念转换成可观测、可检验的项目。惯性是中学教学阶段很难被测量的物理量，惯性的影响因素较为复杂，授课过程中单凭生活实例学生难以信服，而将难以测量的物理量操作定义，定义为可观测、可测量的物理量是解决复杂物理概念的有效途径。根据牛顿第二定律的知识，我们将惯性操作定义为单位时间内速度的变化量，通过操作定义的方法把抽象的概念转化为可测量、可检验的物理量。通过实验数据及图像直观观察得出数据，有利于学生思维深度的培养，解决了教学中的疑难问题。

（二）以破除前概念作为惯性概念建立的保证

所谓前科学概念，是指学生在学习物理课程以前的生活实际中，对各种物理现象和过程在头脑中反复建构所形成的系统但并非科学的观念。学生是带着前概念进入课堂的，而它们往往与科学事实不相符，前概念的顽固性、隐蔽性特点，更是给教学带来了极大困难。本实验对惯性进行量化，实验显示即便速度大小发生变化，惯性大小不变，进而引发学生的认知冲突，并力图改造学生已有的认知图式，达到建立新图式的目的。

（三）引入多媒体设备助力教学的有序开展

随着信息化技术的深入发展，课堂教学对多媒体的使用也得以普及。然而，物理教材实验编写仍停留在传统器材基础上，出现课堂操作实验效果差、现象不明显等问题，影响物理课堂教学效率。恰当引入多媒体设备辅助教学是一种趋势，更是物理实验教学的必然。

本实验需要测量小车单位时间内速度变化量反应惯性的大小。一方面，小车运动较快，速度大小、时间很难测量；另一方面，采集的数据学生现场处理，花费课堂时间过长，导致教学任务难以完成。采用传感器测量数据显示，并用计算机进行数据处理，极大地节省了实验时间，实验数据直观明了，降低了实验难度，保证了课堂教学的有序进行。

2.实验数据分析

对两次实验进行对比，即便两次初速度不等，在相同摩擦力的作用下，小车运动a-t图像为一条平行于时间轴的直线，两次单位时间内速度的变化量为0.98m/s、0.99m/s，单位时间速度减小量几乎相同，惯性大小未改变，可得出结论：惯性大小与速度无关。通过实验器材的改进，用量化的实验结果，突破了惯性和质量有关、与速度无关的教学难点。总结本实验的探究过程，进行了以下几点的反思。