慣性大小與哪些因素有關的實驗設計

摘 要：長期以來，初中物理關于慣性大小與哪些因素有關的教學中，始終有一個問題沒有很好地解決，就是如何用實驗說明慣性大小與物體的運動速度無關。教師通常直接把結論告知學生，并通過一些實例來說明結論的正確性。以下實例是教學過程中，在建構主義學習理論指導下，對初中科學概念教學的實例探討。對此設計了一個實驗，希望能拋磚引玉，為這個實驗問題的解決提供一個思路。慣性大小與什么有關的實驗設計，解決物理教學中在這一問題上的難點。

關鍵詞：慣性大小；影響因素；實驗

在初中階段學生對慣性概念認識一直比較膚淺甚至錯誤，這是業內廣為人知的，為此已有很多同行進行過探討。筆者也為此困惑多年，偶然間發現現行不同版本教材在處理慣性教學內容安排上有很大的差異。為何不同版本教材在內容上有如此多的不同安排，這對學生理解慣性知識又有何影響？這引起了筆者的強烈關注，并試著對初中物理慣性教學進行再次探討。本文設計該實驗初始設想時主要考慮到：物體處于不同速度時，由運動變為靜止的時間一般不同是困惑或者說影響學生判斷的主要原因，因此可利用動能守恒的知識，讓研究對象以不同的速度與等質量的物體進行彈性碰撞，研究對象都立刻靜止，從而克服這個難點。

本文設計了如下實驗：

實驗器材：

斜面+直軌道，鋼球3個（1、2號球同規格，3號球質量大一些）（該組器材一般在中學力學實驗組合試驗箱中配有）。

研究對象：1、3號球

實驗前陳述：

慣性是保持物體靜止或者勻速直線運動狀態的一種先決條件，任何物體都是具有慣性的。由于慣性作用，物體在沒有受到外力作用時會一直保持靜止或者勻速的直線運動；在受到外力影響時，物體的運動狀態會發生改變。之前我們也驗證了慣性大小與速度無關，那么今天，我們來通過實驗認識一下影響慣性大小的因素。

實驗過程：

1.在2號球放置處做好標記，使1號球分別從斜面的不同高度自由滾下，撞擊2號球后停止運動（如圖1）。兩次1號球的速度不同，撞擊同樣質量的2號球后，因動量守恒均立即停止運動，則說明1號球慣性的大小與球的速度無關。

2.再分別使1、3號球從斜面的同一高度自由滾下撞擊2號球后，1號球立即停止，而3號球仍然繼續運動，則說明物體慣性的大小與物體的質量有關，質量越大慣性越大。

慣性是物理學中最基本也是物理學習中最早遇到的概念之一，其中蘊涵著深刻的物理思想和豐富的物理學研究方法，是培養學生科學思考問題能力的非常有效的素材。

實驗存在問題和解決方案：

在實際的實驗中，出現了一個問題：1號球撞擊2號球后，瞬間暫停后，又繼續先前滾動，沒有達到事先的設計預想，分析原因應該是滾動中的鋼球有轉動慣量，發生彈性碰撞時，平動速度瞬時變為零，出現了暫停，馬上又由于轉動慣量繼續向前滾動。

解決的方法無非是消除滾動，或者使滾動慣量對實驗的影響小到可以忽略不計，比較再三，最后選擇兩輛等規格鋼制軌道小車（有些力學組合試驗箱中也配有），如圖3，經過實驗驗證，實驗效果非常理想。

“慣性是物理學中最基本的概念之一，也是學習物理學最早遇到的概念之一。這一極為普通和平凡的概念曾經引導許多物理學家深入思考和剖析，促進物理學重大進展，其中蘊涵著深刻的物理思想和豐富的物理學研究方法的教益，是培養學生科學思考問題能力的非常有效的素材。

在物理課堂中運用實驗教學作為輔助教學，可在課堂上將教學內容涉及的事物、現象、過程全部情景再現，讓學生獲取知識，激發學習興趣，提高課堂教學效率。本文從影響慣性大小的因素入手，就如何減小慣性對實驗以及生活的影響進行了探究。實驗設計的不足之處敬請同仁指正。

作者簡介：柳英衛（1967.12—），男，漢族，湖北省鄂州市，本科中教一級教師，研究方向：初中物理教育。

編輯 趙飛飛