摘 要：本文通过对学生设计的假想实验因势利导，让学生经历寻找答案的过程，初步体会物理学家进行科学探究的过程，从而让学生感受科学思维，并逐渐学会如何进行科学探究的科学思维。这样不仅可以培养学生物理学科的核心素养，而且也是以学生为本的素质教育。

关键词：科学探究；核心素养；惯性；质量； 惯性质量；引力质量

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）3-0008-3

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。惯性的概念曾经引起许多物理学家深入思考和剖析，最终使物理学产生重大进展，其研究过程蕴涵着深刻的物理思想和丰富的物理学研究方法，是培养学生科学思维能力的有效素材。学生在学习惯性的时候，经常会出现老师意料不到的奇思妙想，教师如果引导得好，会让学生掌握如何进行科学探究。

物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质，称为惯性。观察和实验表明，对于任何物体，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。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唯一因素就是它们的质量。在同样的外力作用下，加速度较小的物体惯性较大，加速度较大的物体惯性较小。所以，物体的惯性在任何时候（受外力作用或不受外力作用）、任何情况下（静止或运动）都不会改变，更不会消失。由此我们得出结论：描述物体惯性的物理量是它们的质量。

1 学生设计“假想实验”，对惯性与质量的关系发起“挑战”

学生在学习惯性的时候效仿伽利略设计了下面的假想实验来支持自己的观点。把两个相同的弹簧分别固定在两个相同的物体上，图1是把弹簧固定在物体甲的左侧，图2是把弹簧固定在物体乙的上方，并把它们放在相同的地面上。然后，用相同的外力F分别作用在图1弹簧的左端与图2物体的左端。实验表明，在最开始的较短的相同时间内物体乙的加速度比物体甲的大。这个例子一方面是两个物体的总质量（包括弹簧）是相等的，说明两个物体的惯性是相同的；另一方面，作用了相同的外力F后在最开始较短的时间内两物体的加速度却不一样，说明两个物体的惯性是不相同的。

上面的实验让学生理直气壮地对“衡量物体惯性大小的唯一尺度”发起了挑战。

2 教师顺水推舟，点燃学生追寻“真理”的决心

学生利用实验来证明自己的观点，本身就是一件非常值得肯定的事。这种情况下就需要教师的正确引导，让学生在此问题的探究过程中掌握研究物理问题的方法，并进一步激发对物理的兴趣。

接着，教师提出以下问题，让学生自己去寻找问题的答案。

问题：（1）研究对象是什么？

（2）能把弹簧与物体看成一个整体吗？

（3）惯性与物体的质量关系中的“物体”指的是“质点”吗？

学生自己非常主动地去寻找答案，找到答案后显得很兴奋，因为他发现他找到的问题答案都是支持他的。针对教师的问题，学生回答：（1）研究对象是弹簧与物体这个整体；（2）能把弹簧与物体看成一个整体；（3）惯性与物体的质量关系中的“物体”指的是“任何物体”。教材中从来没有说过此物体是指可以看成“质点”的物体，且其强调惯性是物体的固有属性，则此物体是指生活中的“任何物体”。

3 教师再次设问，引导学生自己“推翻”自己

如果学生经历“推翻”自己的过程，那其对惯性的理解将会非常深刻。

教师提出以下问题，让学生自己去寻找问题的答案。

问题（4）：图1是把弹簧固定在物体甲的左侧，图2是把弹簧固定在物体乙的上方，把弹簧与物体看成一个整体，这两个整体只是质量一样，能说这两个整体一样吗？

学生结合问题（4），寻找到了“推翻”自己的原因。图1是把弹簧固定在物体甲的左侧，图2是把弹簧固定在物体乙的上方，把彈簧与物体看成一个整体，但这两个整体是不一样的，是不同的“物体”。因此，把相同的力作用在“不同”的物体上没有办法比较物体的惯性大小。

教师继续利用问题（5）引导学生：衡量惯性的物理量是质量，有没有要求是“相同的物体”才成立？

学生结合问题（5），寻找到了支持自己的原因，即“描述物体惯性的物理量是它们的质量”。这句话说得非常明白，衡量惯性的物理量是“质量”，并没有要求是“相同的物体”才成立。

4 教师再次设问，引导学生自己真正“推翻”自己

问题（6）：把弹簧与物体看成一个整体后（自学质心的相关知识点），整体的加速度怎么计算？

学生结合问题（6），寻找到了真正“推翻”自己的原因：物体甲（包括弹簧）的加速度计算有问题。由于弹簧与物体甲（不包括弹簧）不是相对静止，所以加速度不应该这样求，此时求加速度应该用质心加速度。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。所以，当作用在物体甲（包括弹簧）与物体乙（包括弹簧）的外力不为零且是相同的外力时，物体运动状态改变的难易程度对应的应该是质心加速度。

5 教师提出终极问题，引起学生再次思考

问题（7）：图1是把弹簧固定在物体甲的左侧，图2是把弹簧固定在物体乙的上方，把弹簧与物体看成一个整体，这两个整体只是质量一样，这个质量指的是什么质量？是引力质量？还是惯性质量？

学生带着问题，通过查阅资料，找到了问题（7）的答案，对质量的理解有了质的飞跃。

质量分引力质量与惯性质量。引力质量与惯性质量之间的唯一差别是测量方法。将未知质量的物体与已知质量的物体分别受到的引力进行测量比较，就可以得到未知物体的引力质量。通常可以使用天平来测量。这个方法的优点是，只要在有引力的地方，都可以用天平来测量，因为对于同一个地方，引力场都一样。只要引力场不改变，天平会测量出可信的引力质量。但是，在超质量星体附近（例如，黑洞或中子星），就不能采用这种方法，因为在这区域里，引力场的梯度太过陡峭，在天平的左右两个托盘位置的引力场差异量太大，超过误差允许的范围。在失重环境，也不能采用这种方法，因为天平在这一环境下不能做比较。施加已知作用力于未知质量的物体，测量产生的加速度，然后应用牛顿第二定律方程，就可以得到惯性质量，其误差只限制于测量的准确度。

物体甲（包括弹簧）与物体乙（包括弹簧）只是引力质量相同。当把相同的外力作用在物体甲（包括弹簧）与物体乙（包括弹簧）上时产生的加速度不同，所以物体甲（包括弹簧）与物体乙（包括弹簧）的惯性质量不同。

教师可借此机会，引导学生自己去寻找答案而不是直接告诉其答案，那么学生在寻找答案的过程中经历了真正的科学探究。这样的过程培养了学生的科学思维与科学探究能力，体现了物理学科的核心素养。这样的教学互动才是现在的教育需要大力发扬和提倡的。

参考文献：

[1]贺小光.关于惯性几种错误说法的分析[J].长春大学学报，2006，16（10）：24-26.

[2]程建华， 刘维芳. 关于“惯性”教学的难点突破[J].中学物理教学参考， 2006，35（9）：57-58.

[3]熊化高.走出惯性的深层理解误区[J].中学物理：高中版， 2012，30（9）：41-41.

（栏目编辑 赵保钢）