摘 要:本文通過(guò)對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的假想實(shí)驗(yàn)因勢(shì)利導(dǎo),讓學(xué)生經(jīng)歷尋找答案的過(guò)程,初步體會(huì)物理學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究的過(guò)程,從而讓學(xué)生感受科學(xué)思維,并逐漸學(xué)會(huì)如何進(jìn)行科學(xué)探究的科學(xué)思維。這樣不僅可以培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng),而且也是以學(xué)生為本的素質(zhì)教育。
關(guān)鍵詞:科學(xué)探究;核心素養(yǎng);慣性;質(zhì)量; 慣性質(zhì)量;引力質(zhì)量
中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2017)3-0008-3
慣性是高中物理中比較抽象的概念,學(xué)生最容易在慣性這里陷入抽象思考的泥潭而無(wú)法自拔。慣性的概念曾經(jīng)引起許多物理學(xué)家深入思考和剖析,最終使物理學(xué)產(chǎn)生重大進(jìn)展,其研究過(guò)程蘊(yùn)涵著深刻的物理思想和豐富的物理學(xué)研究方法,是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的有效素材。學(xué)生在學(xué)習(xí)慣性的時(shí)候,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)老師意料不到的奇思妙想,教師如果引導(dǎo)得好,會(huì)讓學(xué)生掌握如何進(jìn)行科學(xué)探究。
物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì),稱為慣性。觀察和實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于任何物體,當(dāng)作用在物體上的外力為零時(shí),慣性表現(xiàn)為物體保持其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變,即保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng);當(dāng)作用在物體上的外力不為零時(shí),慣性表現(xiàn)為外力改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的難易程度。在受到相同的作用力時(shí),決定它們運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化難易程度的唯一因素就是它們的質(zhì)量。在同樣的外力作用下,加速度較小的物體慣性較大,加速度較大的物體慣性較小。所以,物體的慣性在任何時(shí)候(受外力作用或不受外力作用)、任何情況下(靜止或運(yùn)動(dòng))都不會(huì)改變,更不會(huì)消失。由此我們得出結(jié)論:描述物體慣性的物理量是它們的質(zhì)量。
1 學(xué)生設(shè)計(jì)“假想實(shí)驗(yàn)”,對(duì)慣性與質(zhì)量的關(guān)系發(fā)起“挑戰(zhàn)”
學(xué)生在學(xué)習(xí)慣性的時(shí)候效仿伽利略設(shè)計(jì)了下面的假想實(shí)驗(yàn)來(lái)支持自己的觀點(diǎn)。把兩個(gè)相同的彈簧分別固定在兩個(gè)相同的物體上,圖1是把彈簧固定在物體甲的左側(cè),圖2是把彈簧固定在物體乙的上方,并把它們放在相同的地面上。然后,用相同的外力F分別作用在圖1彈簧的左端與圖2物體的左端。實(shí)驗(yàn)表明,在最開始的較短的相同時(shí)間內(nèi)物體乙的加速度比物體甲的大。這個(gè)例子一方面是兩個(gè)物體的總質(zhì)量(包括彈簧)是相等的,說(shuō)明兩個(gè)物體的慣性是相同的;另一方面,作用了相同的外力F后在最開始較短的時(shí)間內(nèi)兩物體的加速度卻不一樣,說(shuō)明兩個(gè)物體的慣性是不相同的。
上面的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生理直氣壯地對(duì)“衡量物體慣性大小的唯一尺度”發(fā)起了挑戰(zhàn)。
2 教師順?biāo)浦?,點(diǎn)燃學(xué)生追尋“真理”的決心
學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)來(lái)證明自己的觀點(diǎn),本身就是一件非常值得肯定的事。這種情況下就需要教師的正確引導(dǎo),讓學(xué)生在此問(wèn)題的探究過(guò)程中掌握研究物理問(wèn)題的方法,并進(jìn)一步激發(fā)對(duì)物理的興趣。
接著,教師提出以下問(wèn)題,讓學(xué)生自己去尋找問(wèn)題的答案。
問(wèn)題:(1)研究對(duì)象是什么?
(2)能把彈簧與物體看成一個(gè)整體嗎?
(3)慣性與物體的質(zhì)量關(guān)系中的“物體”指的是“質(zhì)點(diǎn)”嗎?
學(xué)生自己非常主動(dòng)地去尋找答案,找到答案后顯得很興奮,因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)他找到的問(wèn)題答案都是支持他的。針對(duì)教師的問(wèn)題,學(xué)生回答:(1)研究對(duì)象是彈簧與物體這個(gè)整體;(2)能把彈簧與物體看成一個(gè)整體;(3)慣性與物體的質(zhì)量關(guān)系中的“物體”指的是“任何物體”。教材中從來(lái)沒(méi)有說(shuō)過(guò)此物體是指可以看成“質(zhì)點(diǎn)”的物體,且其強(qiáng)調(diào)慣性是物體的固有屬性,則此物體是指生活中的“任何物體”。
3 教師再次設(shè)問(wèn),引導(dǎo)學(xué)生自己“推翻”自己
如果學(xué)生經(jīng)歷“推翻”自己的過(guò)程,那其對(duì)慣性的理解將會(huì)非常深刻。
教師提出以下問(wèn)題,讓學(xué)生自己去尋找問(wèn)題的答案。
問(wèn)題(4):圖1是把彈簧固定在物體甲的左側(cè),圖2是把彈簧固定在物體乙的上方,把彈簧與物體看成一個(gè)整體,這兩個(gè)整體只是質(zhì)量一樣,能說(shuō)這兩個(gè)整體一樣嗎?
學(xué)生結(jié)合問(wèn)題(4),尋找到了“推翻”自己的原因。圖1是把彈簧固定在物體甲的左側(cè),圖2是把彈簧固定在物體乙的上方,把彈簧與物體看成一個(gè)整體,但這兩個(gè)整體是不一樣的,是不同的“物體”。因此,把相同的力作用在“不同”的物體上沒(méi)有辦法比較物體的慣性大小。
教師繼續(xù)利用問(wèn)題(5)引導(dǎo)學(xué)生:衡量慣性的物理量是質(zhì)量,有沒(méi)有要求是“相同的物體”才成立?
學(xué)生結(jié)合問(wèn)題(5),尋找到了支持自己的原因,即“描述物體慣性的物理量是它們的質(zhì)量”。這句話說(shuō)得非常明白,衡量慣性的物理量是“質(zhì)量”,并沒(méi)有要求是“相同的物體”才成立。
4 教師再次設(shè)問(wèn),引導(dǎo)學(xué)生自己真正“推翻”自己
問(wèn)題(6):把彈簧與物體看成一個(gè)整體后(自學(xué)質(zhì)心的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)),整體的加速度怎么計(jì)算?
學(xué)生結(jié)合問(wèn)題(6),尋找到了真正“推翻”自己的原因:物體甲(包括彈簧)的加速度計(jì)算有問(wèn)題。由于彈簧與物體甲(不包括彈簧)不是相對(duì)靜止,所以加速度不應(yīng)該這樣求,此時(shí)求加速度應(yīng)該用質(zhì)心加速度。當(dāng)作用在物體上的外力不為零時(shí),慣性表現(xiàn)為外力改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的難易程度。所以,當(dāng)作用在物體甲(包括彈簧)與物體乙(包括彈簧)的外力不為零且是相同的外力時(shí),物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度對(duì)應(yīng)的應(yīng)該是質(zhì)心加速度。
5 教師提出終極問(wèn)題,引起學(xué)生再次思考
問(wèn)題(7):圖1是把彈簧固定在物體甲的左側(cè),圖2是把彈簧固定在物體乙的上方,把彈簧與物體看成一個(gè)整體,這兩個(gè)整體只是質(zhì)量一樣,這個(gè)質(zhì)量指的是什么質(zhì)量?是引力質(zhì)量?還是慣性質(zhì)量?
學(xué)生帶著問(wèn)題,通過(guò)查閱資料,找到了問(wèn)題(7)的答案,對(duì)質(zhì)量的理解有了質(zhì)的飛躍。
質(zhì)量分引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量。引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量之間的唯一差別是測(cè)量方法。將未知質(zhì)量的物體與已知質(zhì)量的物體分別受到的引力進(jìn)行測(cè)量比較,就可以得到未知物體的引力質(zhì)量。通??梢允褂锰炱絹?lái)測(cè)量。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是,只要在有引力的地方,都可以用天平來(lái)測(cè)量,因?yàn)閷?duì)于同一個(gè)地方,引力場(chǎng)都一樣。只要引力場(chǎng)不改變,天平會(huì)測(cè)量出可信的引力質(zhì)量。但是,在超質(zhì)量星體附近(例如,黑洞或中子星),就不能采用這種方法,因?yàn)樵谶@區(qū)域里,引力場(chǎng)的梯度太過(guò)陡峭,在天平的左右兩個(gè)托盤位置的引力場(chǎng)差異量太大,超過(guò)誤差允許的范圍。在失重環(huán)境,也不能采用這種方法,因?yàn)樘炱皆谶@一環(huán)境下不能做比較。施加已知作用力于未知質(zhì)量的物體,測(cè)量產(chǎn)生的加速度,然后應(yīng)用牛頓第二定律方程,就可以得到慣性質(zhì)量,其誤差只限制于測(cè)量的準(zhǔn)確度。
物體甲(包括彈簧)與物體乙(包括彈簧)只是引力質(zhì)量相同。當(dāng)把相同的外力作用在物體甲(包括彈簧)與物體乙(包括彈簧)上時(shí)產(chǎn)生的加速度不同,所以物體甲(包括彈簧)與物體乙(包括彈簧)的慣性質(zhì)量不同。
教師可借此機(jī)會(huì),引導(dǎo)學(xué)生自己去尋找答案而不是直接告訴其答案,那么學(xué)生在尋找答案的過(guò)程中經(jīng)歷了真正的科學(xué)探究。這樣的過(guò)程培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力,體現(xiàn)了物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。這樣的教學(xué)互動(dòng)才是現(xiàn)在的教育需要大力發(fā)揚(yáng)和提倡的。
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(欄目編輯 趙保鋼)