教科版小學(xué)科學(xué)“運(yùn)動(dòng)和力”單元若干問題的辨析與應(yīng)對(duì)

陳 敏

“運(yùn)動(dòng)和力”是教育科學(xué)出版社出版的（簡稱教科版）小學(xué)科學(xué)五年級(jí)上冊(cè)第四單元的教學(xué)內(nèi)容。通過教學(xué)觀摩和教材研讀，發(fā)現(xiàn)該單元存在幾組容易混淆的問題，如“速度與加速度”“重力、質(zhì)量與重量”“摩擦力”等。教師有必要進(jìn)行辨析，進(jìn)一步厘清概念，并根據(jù)實(shí)際教學(xué)提出有效的對(duì)策。

一、速度與加速度

（一）問題的辨析

該單元的前三節(jié)都在研究力與物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，提出“要使靜止的物體運(yùn)動(dòng)起來，需要什么條件”“怎樣使物體運(yùn)動(dòng)得更快”等問題，并得出“要使靜止的物體運(yùn)動(dòng)起來，必須對(duì)物體施加力，要使物體運(yùn)動(dòng)得更快，必須對(duì)物體施加更大的力”的結(jié)論。這一結(jié)論是否合理？

亞里士多德堅(jiān)持運(yùn)動(dòng)需要獲得直接推動(dòng)力[1]，如馬拉車，車運(yùn)動(dòng)，馬停止拉車，車就不再動(dòng)了[2]。這一認(rèn)識(shí)和人們?nèi)粘Ｓ^察的結(jié)果是一致的。教材的結(jié)論與亞里士多德的觀點(diǎn)非常接近。但伽利略、牛頓等科學(xué)家卻通過思想理論和實(shí)證性實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，證明了這種觀點(diǎn)是與客觀事實(shí)不相符的。

雖然《科學(xué)教師教學(xué)用書》對(duì)此做了說明——“更科學(xué)地說，是加速度越大，這里用學(xué)生能夠接受的‘運(yùn)動(dòng)越快’表述這個(gè)意思”，但這兩種表述是不能互相替代的。這就是教材表述的問題所在。因?yàn)閺囊粋€(gè)方面看，“使物體運(yùn)動(dòng)得更快”是指向物體的運(yùn)動(dòng)速度，只要物體的初速度比原來快就能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)物體保持這個(gè)初速度做勻速運(yùn)動(dòng)，加速度即為零，并不需要有力或更大的力施加在物體上。從另一方面看，“使物體運(yùn)動(dòng)得更快”可以被理解為兩種不同的意思，一種是物體在這個(gè)時(shí)刻的速度比上個(gè)時(shí)刻的速度更快，如圖1中小車A的初速度為1 米/秒，如果它的速度變成2 米/秒，那么它需要做加速運(yùn)動(dòng)，需要有力施加在小車A 上；另一種是物體現(xiàn)在的速度比原來快，如圖2中小車B運(yùn)動(dòng)速度為10米/秒，比小車A運(yùn)動(dòng)得更快，它只要維持這個(gè)速度即做勻速運(yùn)動(dòng)就比原來的速度快，并不需要有力或更大的力施加在小車B上。學(xué)生作為初學(xué)者，很容易把“使物體運(yùn)動(dòng)得更快”理解為后者。

圖1

圖2

如果強(qiáng)調(diào)“要使靜止的物體運(yùn)動(dòng)起來，必須對(duì)物體施加力，使物體運(yùn)動(dòng)得更快，必須對(duì)物體施加更大的力”，就會(huì)使初學(xué)者建立起“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”的概念。這將是中學(xué)階段需要澄清和轉(zhuǎn)變的一種日常前概念。如果教師在小學(xué)階段就按照這樣的觀點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)教學(xué)，就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生現(xiàn)在學(xué)得越好，后續(xù)學(xué)習(xí)困難越大。

（二）教學(xué)對(duì)策

如果把“運(yùn)動(dòng)得更快”改為“運(yùn)動(dòng)速度變化得更快”，指向就有了變化?！笆刮矬w的運(yùn)動(dòng)速度變化得更快”是指向物體的加速度，意味著物體的運(yùn)動(dòng)速度是變化的，即物體在做變速運(yùn)動(dòng)，加速度不為零。在這種情況下，必須有力（合力）作用在物體上才能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，即“要使物體的運(yùn)動(dòng)速度變化得更快，就必須有力作用在物體上”，體現(xiàn)了“力是改變物體運(yùn)動(dòng)速度的原因”的規(guī)律，與中學(xué)階段所學(xué)的規(guī)律相吻合。

因此對(duì)于該內(nèi)容，建議教師在教學(xué)時(shí)設(shè)置情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察和思考“使物體的運(yùn)動(dòng)速度變化得更快”的現(xiàn)象，而不是觀察“使物體運(yùn)動(dòng)得更快”的現(xiàn)象。

二、重力、質(zhì)量與重量

（一）問題的辨析

教材在第4課《測量力的大小》中提出“人們生活中習(xí)慣用‘克’‘千克’來表示重力和其他力的大小”。單元資料庫里也有“重力的大小叫重量。物體的重量并不是一成不變的，物體離開地面越高，重量就越輕。在地面上重50 千克的運(yùn)動(dòng)員，登上8844.43 米的珠穆朗瑪峰，體重大約要減輕0.14 千克”的相關(guān)闡述?！犊茖W(xué)教師教學(xué)用書》也提到“月球車必須足夠輕以便火箭可以把它發(fā)射出地球。這個(gè)車在地球上重210千克，在月球上只有35千克”。這些敘述是否合理？

其實(shí)教材中至少出現(xiàn)了三個(gè)容易混淆的詞——重力、重量和質(zhì)量。它們之間有關(guān)系嗎？如果有關(guān)系，那又是什么樣的關(guān)系？

1.重力和質(zhì)量

地面附近一切物體都受到地球的吸引，由于地球的吸引而使物體受到的力叫作重力。[3]重力表示一個(gè)物體所受引力的大小，而質(zhì)量表示物體所含物質(zhì)的多少。[4]重力和質(zhì)量是兩個(gè)不相同的物理量（見表1）。

表1 重力和質(zhì)量的比較

物體受到的重力與它的質(zhì)量是有關(guān)系的，用G表示物體受到的重力，用m 表示物體的質(zhì)量，那么它們的關(guān)系就是G=mg，其中g(shù)是重力加速度，又稱為自由落體加速度。因此，影響不同物體所受重力大小的主要原因除了物體的質(zhì)量之外，還有重力加速度。

人們?cè)谏钪胁]有用習(xí)慣的“克”“千克”表示重力和其他力的大小，因?yàn)檫@些單位都表示物體質(zhì)量的大小m，即物體所含物質(zhì)的多少。質(zhì)量的大小是物體固有的屬性，只要物體本身不被破壞，就不會(huì)因?yàn)槲矬w顏色、形狀、所處位置等發(fā)生變化而變化，自然也就不會(huì)由于離地面高度的變化而變化，或由于從地球落到月球上而發(fā)生變化。

而重力加速度g 是會(huì)發(fā)生變化的。在接近地球表面的地方，由于地球引力而產(chǎn)生的加速度為9.8m/s2。[5]精確的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在地球上不同的地方，g的大小是不同的。在赤道g=9.780m/s2，在北極g=9.832m/s2，在北京g=9.801m/s2。在通常的計(jì)算中，人們把g取作9.8m/s2。[6]

在這個(gè)問題上，教材編寫者顯然是將“由于離地面高度變化引起重力加速度g 大小發(fā)生變化進(jìn)而導(dǎo)致物體所受重力大小發(fā)生的變化”誤解為“由于物體質(zhì)量大小發(fā)生變化而導(dǎo)致物體所受重力大小發(fā)生變化”。這樣的解釋和闡述并不合理，會(huì)使學(xué)生在中學(xué)階段形成認(rèn)知障礙。

2.重量

經(jīng)過仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)，教材關(guān)于“重量”一詞在不同的語句中有著不同的含義。

一是重力大小。在“重力的大小叫重量”和“物體的重量并不是一成不變的，物體離開地面越高，重量就越輕”的描述中，重量成為重力大小的代名詞，其含義是物體所受重力的大小。

二是質(zhì)量大小。在“在地面上重50 千克的運(yùn)動(dòng)員，登上8844.43米的珠穆朗瑪峰，體重大約要減輕0.14 千克”和“月球車必須足夠輕以便火箭可以把它發(fā)射出地球。這個(gè)車在地球上重210千克，在月球上只有35 千克”的描述中，重量演變?yōu)椤爸亍薄绑w重”，成為人體質(zhì)量和月球車質(zhì)量的代名詞，其含義是物體的質(zhì)量大小。

三是壓力大小。在第5課《運(yùn)動(dòng)與摩擦力》中，有對(duì)摩擦力與物體重量關(guān)系的提問（見圖3），還有摩擦力大小與物體重量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（見圖4）。

圖3

圖4

事實(shí)上，摩擦力大小與物體所受重力大小沒有關(guān)系，與物體質(zhì)量大小也沒有關(guān)系。影響摩擦力大小的因素，除了接觸面的粗糙程度之外，還有發(fā)生摩擦的物體間壓力大小。如圖5 中的木塊，如果用手將它壓在豎直的墻上，并使它在墻面上移動(dòng)，此時(shí)它受到的摩擦力大小與重力G沒有關(guān)系，只與壓力F的大小和墻面的粗糙程度有關(guān)。教材中的實(shí)驗(yàn)之所以看似合理，只是因?yàn)槲矬w在水平面上受到的重力大小剛好和物體與水平面之間的壓力大小相等而已。所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)中“重量”一詞又成為了“壓力”的代名詞，其含義是相對(duì)運(yùn)動(dòng)（或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)）的物體間壓力大小。

圖5

（二）教學(xué)對(duì)策

本單元多次出現(xiàn)具有多種含義的“重量”一詞，人為造成了學(xué)生認(rèn)知上的各種混亂。要解決這一問題，可實(shí)施兩種教學(xué)對(duì)策。一是教師在教學(xué)處理時(shí)刪除這個(gè)詞，轉(zhuǎn)而根據(jù)具體的語境換用重力、質(zhì)量或壓力等更加合理準(zhǔn)確的名詞進(jìn)行描述。二是教師在教學(xué)時(shí)，只賦予“重量”或“重”一個(gè)含義，即物體所受“重力的大小”，單位是牛頓（牛）。如此，方能避免一詞多義造成的人為干擾。

三、摩擦力

（一）問題的辨析

1．運(yùn)動(dòng)與相對(duì)運(yùn)動(dòng)

教材第5課《運(yùn)動(dòng)與摩擦力》中有這樣一段話：“一個(gè)物體在另一個(gè)物體的表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)物體的接觸面會(huì)發(fā)生摩擦，因此運(yùn)動(dòng)物體要受到一種阻礙運(yùn)動(dòng)的力，這種力叫摩擦力?！蹦Σ亮σ欢ㄊ亲璧K物體運(yùn)動(dòng)的力嗎？“力的方向是否與物體運(yùn)動(dòng)方向一致”通常是人們判斷一個(gè)力影響物體運(yùn)動(dòng)的依據(jù)，當(dāng)兩者方向不一致時(shí)，這個(gè)力就會(huì)被認(rèn)為是阻礙物體運(yùn)動(dòng)的。但摩擦力并不像教材所說的那樣——就是一種阻礙物體運(yùn)動(dòng)的力。如圖6 所示，將一個(gè)木塊A 放在向上運(yùn)動(dòng)的傳送帶上，A 跟著傳送帶一起運(yùn)動(dòng)，此時(shí)A受到的摩擦力方向與A的運(yùn)動(dòng)方向是一致的，摩擦力阻礙A物體運(yùn)動(dòng)的說法就不成立了。

圖6

那么問題出在哪里呢？其實(shí)教材混淆了“運(yùn)動(dòng)”和“相對(duì)運(yùn)動(dòng)（相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)）”。分析木塊A在傳送帶上的運(yùn)動(dòng)和受力情況可以發(fā)現(xiàn)，木塊A看似是向上運(yùn)動(dòng)的，實(shí)際上是相對(duì)靜止的。由于木塊A所受的重力產(chǎn)生了一個(gè)平行于傳送帶并向下的分力F1，因此木塊A相對(duì)傳送帶就產(chǎn)生了一個(gè)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，即木塊有向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，而摩擦力f 方向與這個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相反，即此時(shí)木塊A 受到傳送帶施加給它的摩擦力f方向與木塊實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向相同，且大小剛好與F1相等（見圖7）。這樣看來，摩擦力就不一定是阻礙物體實(shí)際運(yùn)動(dòng)的力了。

圖7

2.摩擦力的測量

教材第5 課還介紹了摩擦力的測量方法：“我們用測力計(jì)沿水平方向拉一個(gè)物體，剛好能使這個(gè)物體運(yùn)動(dòng)起來的力就相當(dāng)于是它受到的摩擦力。”經(jīng)過仔細(xì)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這種方法是不合理的。

首先，使靜止的物體運(yùn)動(dòng)起來的條件就是合力大于零，即拉力大于摩擦力。因此剛好能使這個(gè)物體運(yùn)動(dòng)起來的力一定大于最大靜摩擦力，即這個(gè)力的大小與它受到的摩擦力（靜摩擦力）并不相當(dāng)。故此時(shí)的讀數(shù)既不是最大靜摩擦力，也不能視作摩擦力。

其次，教材在這個(gè)方法的后面緊跟著“我們來測量幾個(gè)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦力”的描述，會(huì)使學(xué)生誤認(rèn)為“剛好能使這個(gè)靜止物體運(yùn)動(dòng)起來的力就相當(dāng)于是它運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦力”。這樣的曲解同樣會(huì)使學(xué)生在中學(xué)階段學(xué)習(xí)摩擦力時(shí)產(chǎn)生不必要的困惑。

（二）教學(xué)對(duì)策

1.改變對(duì)摩擦力的表述方式

將教材中看似嚴(yán)謹(jǐn)?shù)珮O易誤導(dǎo)初學(xué)者的表述“一個(gè)物體在另一個(gè)物體的表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)物體的接觸面會(huì)發(fā)生摩擦，因此運(yùn)動(dòng)物體要受到一種阻礙運(yùn)動(dòng)的力，這種力叫摩擦力”，改為看似模糊但指向正確的表述“兩個(gè)物體的接觸面發(fā)生摩擦?xí)r，物體會(huì)受到一種力的作用，這種力被稱為摩擦力”，為學(xué)生正確認(rèn)識(shí)摩擦力奠定認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)。

至于摩擦力的方向，可以視學(xué)情而定。如果學(xué)生學(xué)得比較深入，就可以適時(shí)引出摩擦力方向，繼而通過各種實(shí)例初步判斷摩擦力方向；如果學(xué)生學(xué)得比較困難，就可以不強(qiáng)調(diào)摩擦力方向，因?yàn)閷W(xué)生升入中學(xué)后還會(huì)進(jìn)一步詳細(xì)學(xué)習(xí)。

2.改變測量摩擦力的方法

如果要測量物體運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦力，就應(yīng)該在拉動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)并使物體保持勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)及時(shí)讀出彈簧測力計(jì)的讀數(shù)。在理想狀態(tài)下，此時(shí)的讀數(shù)大小與物體所受的動(dòng)摩擦力大小相等。如果要測量物體的靜摩擦力大小，只要在物體沒有被拉動(dòng)前讀出彈簧測力計(jì)的讀數(shù)即可。不難發(fā)現(xiàn)，靜摩擦力的大小不是一成不變的，而是會(huì)隨著拉力大小的改變而改變。