曾有人说:“力学是从惯性开始的。”可以看出,惯性是力学中最重要的基本概念之一。如果学生不能切实理解惯性的真正本质含义,就没法建立力学知识体系。惯性尽管我们初中讲,高中还讲,但是,依然有不少学生对它不太理解,似懂非懂、一知半解。究其原因有两方面一是惯性概念本身抽象难懂;二是教材中对惯性概念的解释不够透彻。为此,本文就从以下几个方面谈谈如何对惯性进行教学供大家参考。
一、对惯性的定性解释
牛顿第一定律可以表述为:“一切物体保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止。”牛顿第一定律不仅阐明了力与运动的关系:力不是维持物体运动的原因,而是改变物体运动的原因。还说明了静止和匀速直线运动状态是物体不受外力时的状态。既然静止状态和匀速直线运动是物体不受外力时的状态,这就说明,这两种状态是物体本身的能力,是物体本身固有的属性,与其他物体是否存在无关,我们把这种属性称之为惯性。一切物体都有惯性。例如打出去的铁饼,如果它既不受地球的吸引力,也不受空气的阻力,那么,铁饼将以打出去的速度做匀速直线运动。
在物体运动状态变还是不变的问题上,作用在物体上的外力和物体的惯性是相互矛盾的,当物体受到外力作用时,外力是想改变物体的运动状态,是物体产生加速度,物体的惯性则是表现为对原来运动状态的“依依不舍”,并且努力阻遏原来运动状态的改变。矛盾双方的斗争结果是使物体的运动状态发生了改变,产生了加速度,但是,在变化的过程中必须花一定的时间。我们都知道,物体的运动状态是用速度来描述的,运动状态的改变就是速度的改变,而速度的改变可以是单单速度大小的改变,也可以是单单速度方向的改变,也可以是速度的大小和方向都发生了改变。假如一个物体速度大小由5m/s变成15m/s,必定要经过一定的时间,在这段时间内,速度只会连续的变化,而不是突然变化,其根本原因就是物体具有保存运来运动状态的性质惯性。
不难想象,假如物体没有惯性,那么,物体就没有保持原来运动状态的能力,就是没有外力作用,物体的运动状态也会不断的发生改变,而且可以发生突变。我们甚至不能站立在地面上,因为我们没有保持静止状态的能力。可以看出,正是因为具有惯性,才使我们的世界处于相对稳定的状态。
二、对惯性大小的定量研究
速度是描述物体运动状态的物理量,而加速度是描述物体速度改变快慢的物理量,即描述物体运动状态改变快慢的物理量。不难理解,外力要改变物体的运动状态,而惯性则要保持物体的运动状态,所以,运动状态改变的快慢不仅与物体所受到的外力有关,也与物体的惯性有关。到底他们之间又怎样的关系呢。牛顿第二定律给出了准确的答案:物体的加速的跟物体所受到的合外力成正比,跟物体的质量成反比。即a=F/m。由F=Ma可以知道,当用大小不同的力作用在同一物体时,力越大,产生的加速度就越大,也就是说,产生的加速度就越大,物体的运动状态变化越快。这是很显然的,因为同一个物体的惯性大小是一定的,运动状态变化的快慢就由其所受到的力来决定。当用相同的力作用在不同的物体上时,物体的质量越大,则其加速的就越小,也就是说运动状态变化越慢。这就表明,质量越大的物体保持原来运动状态的欲望越强,惯性就越大。因此,惯性可以用质量来度量。有了这个量度,我们对惯性是物体的固有属性就有了更刻的认识。无论物体质量大小如何,只要物体具有质量它就具有惯性,物体的运动并不是需要力来维持。
三、对一个常见误解的纠正
有些学生由于对惯性的本质含义理解不透彻,再加上先入为主的错误观念的影响,依然认为惯性的大小与物体运动的速度有关,并且以这样的实例为证明:同一辆车在同一路面行驶,速度越大,刹车以后,越不容易停下来。即速度越大,运动状态越不容易改变,这不正说明速度越大惯性越大吗?这种解释听起来好像很有道理,其实却是错误的。错就错在把速度变化量和速度变化快慢混为一谈了。由时间等于速度的变化量除以加速度可以知道,刹车以后的滑行时间是由速度变化量和速度变化快慢----加速度来决定。就这个例子而言,从外因上说受力情况是一样的,从内因上说,是物体的惯性大小是一样的,所以加速度是一样的。也就是说,汽车的初速度不同,但是,刹车以后,汽车的速度变化快慢相同,这样一来,滑行的时间长短就取觉于速度变化量了,初速度越大,刹车以后到停止的过程中,速度变化量就越大,经历的时间就越长。
四、对典型例题的深入分析和讲解
例题1 重球系于易断的线CD的下端,重球下再系一根同样的线AB,下面说法正确的是:
A在线的A端慢慢增加拉力,结果CD线被拉断
B在线的A端慢慢增加拉力,结果AB线被拉断
C在线的A端突然猛力一拉,结果AB被拉断
D在线的A端突然猛力一拉,结果AB被拉断
解析:缓慢增加拉力时,CD上的力较大,所以CD先断,快速猛力一拉,重球惯性较大,速度变化慢,CD上的拉力瞬间几乎没有变化,所以AB先断,故答案为A和C
做该题时,学生容易忽略重球的惯性,从而不知道慢慢增加拉力与猛拉的区别。
总之,惯性是一个很抽象的概念,需要从不同的角度阐述惯性。扎扎实实做好以上四方面,对学生理解惯性大有裨益。