不是所有的物理問題都適合于學(xué)生回答

王偉民 辛存良

摘? ?要：對“運動和力邏輯關(guān)系”的判斷上，古人及當代沒有學(xué)習過“牛頓第一定律”的人們會有諸如“力是使物體運動的原因”“沒有力的作用，物體就不能運動”的錯誤觀點，分析以上錯誤觀點產(chǎn)生的原因，剖析一道中考物理實驗題目問題設(shè)置不合適及參考答案不妥當?shù)脑颉?/p>

關(guān)鍵詞：牛頓第一定律;運動和力的關(guān)系;摩擦阻力;滑行

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）2-0040-3

1? ? 原題呈現(xiàn)

例題 （2018年江蘇揚州中考物理卷第27題）在探究阻力對物體運動的影響時：

（1）如圖1所示，讓小車從同一個斜面的同一高度靜止釋放，目的是? ? ? ? ? ? ? ? ?。由圖可知，小車受到的阻力越來越小，小車運動的路程

。如果小車在絕對光滑的水平面上運動，小車將? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

（2）在辨析圖2小明、小華的觀點，研究力與運動的關(guān)系時，為什么設(shè)計探究阻力對物體運動的影響，而不設(shè)計探究推力對物體運動的影響，理由是? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

“阻力對物體運動的影響”實驗是初中物理教科書中一個非常重要的演示實驗。不同年份各種版本的初中物理教科書[1，2]在“牛頓第一定律”內(nèi)容之前，幾乎無一例外地編排了這個演示實驗?？梢钥闯?，對于上面的這道中考實驗題目，編者的用意是通過考生對這道題目的解答，考查學(xué)生對“阻力對物體運動的影響”實驗中一些實驗細節(jié)的把握情況，以及由實驗現(xiàn)象結(jié)合推理歸納、總結(jié)實驗結(jié)論的能力。筆者以為，本實驗題目的第1小題給出的幾個問題不存在任何瑕疵，但第2小題給出的問題，雖說是一個非常不錯的物理問題，卻不適合初中學(xué)生回答，是一個值得商榷的問題。

2? ? 教科書插入這個演示實驗的必要性

從物理學(xué)力學(xué)的發(fā)展歷史來看，對于運動和力之間的邏輯關(guān)系，歷史上很長一段時間內(nèi)人們都存在一種錯誤的判斷——要維持物體的運動，必須有力作用在物體上，如果沒有力作用在物體上，物體將是靜止的或要靜止下來（這也是兩千多年之前著名哲學(xué)家亞里士多德關(guān)于運動和力之間關(guān)系的重要論斷）。后來的伽利略、牛頓等物理學(xué)家，用實驗并結(jié)合邏輯推理的方法推翻了前人認為正確、并一直被公眾信奉為真理持續(xù)近兩千年的錯誤觀點，總結(jié)出了以“牛頓第一定律”為代表的關(guān)于運動和力之間關(guān)系的正確論斷。不得不指出的是，古人關(guān)于運動和力邏輯關(guān)系的論斷雖然是錯誤的，但這一錯誤觀點卻與人們對“力與運動”關(guān)系的表象認識非常吻合。所以，不僅是古代人，即便是當代的人，特別是還沒有學(xué)習“牛頓第一定律”的中小學(xué)生，如果將古人關(guān)于運動和力之間關(guān)系的論斷講給學(xué)生，他們依然會認為這是一個正確的論斷，而且還能夠舉出多個諸如上面中考題插圖所示情形中小明、小華所舉例子的很多實例來進行“佐證”。應(yīng)該說，為糾正學(xué)生因生活表象“誤導(dǎo)”而產(chǎn)生的關(guān)于“運動和力關(guān)系”的錯誤認識，更重要的是，為了在課堂教學(xué)中順利講解“牛頓第一定律”，并讓學(xué)生理解這個無法用實驗來驗證其正確性定律的內(nèi)容，課本設(shè)計的“阻力對物體運動的影響”實驗是非常必要的，該演示實驗的重要性沒有其他任何一個演示實驗可以替代。

3? ? 該演示實驗的實驗順序不可以隨意顛倒

實際上，課本設(shè)計的每一個演示實驗都是有特定目的的，不可能是為實驗而實驗。就“阻力對物體運動的影響”演示實驗而言，若單純地是為了探究“阻力對物體運動的影響”，那么，如果也采取“控制變量法”進行探究的話，我們只需改變研究對象（比如小車）在運動過程中所受阻力的大小，觀察在阻力改變之后，物體運動速度的改變情況即可，根本不需要考慮物體所受的阻力是按照從大到小的順序進行改變，還是按照由小到大的順序進行改變。但是，如果考慮該實驗的“終極”目的——為引入“牛頓第一定律”作準備，那么，研究對象小車所受阻力的變化就必須人為地按照從大到小的順序來進行更替：讓具有一定初速度的小車先在表面粗糙程度最大、所受摩擦阻力最大的毛巾表面滑行，直至小車停止，觀察小車速度改變的情況，記錄小車滑行的水平距離以及滑行這段距離所用時間的長短。之后，在小車初速度不變的情況下，讓小車在表面相對前者較光滑、所受摩擦阻力相對較小的棉布表面滑行，觀察并記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)。最后，讓小車仍以相同的初速度在表面最光滑、所受摩擦阻力最小的木板表面滑行。在學(xué)生有了“以一定初速度運動的小車，在滑行過程中所受的摩擦阻力越小，它在水平面上運動的距離越長，滑行的時間越長，其速度減小得越慢”的感性認識之后，再向?qū)W生提出諸如“如果用更光滑的水平玻璃板代替木板，小車的運動情形會發(fā)生怎樣的變化？”“如果小車初速度不變時，水平路面一點摩擦力也沒有，小車的運動情形又將是怎樣的呢？”等問題，引導(dǎo)學(xué)生進行理想化推理之后，我們就會非常自然地引入“牛頓第一定律”。這樣的引入不僅能夠糾正學(xué)生對先前的關(guān)于運動和力關(guān)系的錯誤認識，而且還會對“牛頓第一定律”的內(nèi)涵有深刻的認識和理解（對初中學(xué)生來說，“牛頓第一定律”應(yīng)該是比較費解的，畢竟該定律的正確性無法用實驗來驗證）。

如果在實驗過程中更改了阻力大小的變化順序，先讓小車在表面最光滑的水平木板表面上以一定的初速度向前滑行，之后分別讓小車在棉布表面、毛巾表面以同樣的初速度水平滑行，觀察各情況下小車的運動情況，并根據(jù)記錄的小車滑行距離、滑行時間等數(shù)據(jù)進行比對，也一定能夠得出“初速度相同時，摩擦阻力越大，小車滑行的距離越小，所用的時間越短，速度減小得越快”的“正確”結(jié)論，但這樣的結(jié)論只能是“單一”的“阻力對物體運動的影響”的實驗結(jié)論，這樣的實驗設(shè)計對導(dǎo)入“牛頓第一定律”的課堂教學(xué)來說沒有絲毫的作用。

這樣看來，教科書設(shè)計的“阻力對物體運動的影響”實驗，如果單從實驗名稱來看，好像就是為了探究“阻力對物體運動有什么影響”;但實際上“醉翁之意不在酒”，其“真實”實驗?zāi)康氖菫閷?dǎo)出“牛頓第一定律”而作的必要準備。當然，從教學(xué)的角度來說，也是為了使學(xué)生更好地理解“牛頓第一定律”的內(nèi)涵。

4? ? 該中考卷給出的實驗問題是一個不適合初中學(xué)生回答的物理問題

我們回頭再分析這道中考實驗題第2小題給出的實驗問題。

從題目給出的插圖（圖2）可以看出，題目先擺出了兩個學(xué)生關(guān)于“運動和力關(guān)系”的觀點（學(xué)習過“牛頓第一定律”內(nèi)容之后，相信絕大多數(shù)考生會很容易判斷出他們的觀點是錯誤的），小明認為“靜止的小車，如果不去推它，它就不會運動，這說明，沒有力的作用物體就不能運動”;小華的觀點是“風吹樹搖，風停樹靜，這說明，力是物體運動的原因”，之后便向考生拋出了問題：辨析二人的觀點時“為什么設(shè)計探究阻力對物體運動的影響，而不設(shè)計探究推力對物體運動的影響，理由是_________”。

從題目交待的情景我們不難發(fā)現(xiàn)，小明和小華兩位同學(xué)之所以出現(xiàn)對“運動和力邏輯關(guān)系”判斷的錯誤，其原因與我們前文提到的以亞里士多德為代表的古人以及當代還沒有學(xué)習“牛頓第一定律”內(nèi)容的中小學(xué)生對“運動和力邏輯關(guān)系”出現(xiàn)誤判的原因相同，都是被所看到的表面現(xiàn)象誤導(dǎo)，分別由“不推小車，小車就不會動”“風停樹靜”的表面現(xiàn)象錯誤地推理出“沒有力的作用物體就不能運動”“力是物體運動的原因”的結(jié)論，沒有考慮到“小車在運動時會受到地面的摩擦阻力”“樹梢在隨風搖動時會受到樹干的阻力”這些因素。因此，要想用實驗來反駁二人的錯誤觀點，找出二人在推理過程中的錯誤原因，就必須從二人在推理過程中“無意”忽略的因素——“運動的物體會受到阻力”這一角度來進行，必須設(shè)計“阻力對物體運動的影響”實驗。反之，如果不考慮阻力對物體運動的影響，而是想當然地設(shè)計出“動力對物體運動的影響”實驗，那么，我們觀察實驗現(xiàn)象，依然只能得出“車不推它就不動，推力越大它動得越快”“風停樹靜、風起樹搖”的結(jié)果，這一結(jié)果不僅不能成為推翻小明和小華錯誤觀點的論據(jù)，反倒成了二人觀點“正確性”的有力“佐證”。

這樣看來，試卷參考答案給出的辨析小明和小華二人的觀點時，之所以設(shè)計“阻力對物體運動的影響”，不設(shè)計“推力對物體運動的影響”的原因是“很難控制推力在運動過程中不變”或“阻力在運動過程中是恒力”的答案，是不成立的，當然也是無法讓人信服的。

筆者以為，這道中考實驗題在第2小題里給出的這個實驗問題，如果作為物理教師招聘考試中考查物理教師對教科書理解和駕馭能力的題目倒是非常合適的，其答案應(yīng)該是：

雖然我們也可以設(shè)計出“推力對物體運動的影響”實驗（應(yīng)該說，對初中學(xué)生來說設(shè)計這個實驗不存在什么難點，只不過沒有這個必要罷了。退一步，假如真的設(shè)計這個實驗，也不會出現(xiàn)試卷參考答案給出的實驗時“很難控制推力在運動過程中不變”的情形，控制推力的大小應(yīng)該是一個非常容易解決的技術(shù)問題），但是，小明和小華“對運動和力關(guān)系”出現(xiàn)錯誤判斷的原因是沒有考慮到物體在受外力運動過程中，還要受到阻力的影響（分別是小車所受地面的摩擦阻力和樹枝所受樹干的阻力），設(shè)計出的“推力對物體運動的影響”實驗，根據(jù)實驗現(xiàn)象不能說明二人觀點的錯誤原因，只有設(shè)計出“阻力對物體運動的影響”實驗，并根據(jù)實驗現(xiàn)象推理出阻力減小為零這種理想狀況下物體運動和力正確關(guān)系的結(jié)論（即牛頓第一定律），才可以此為論據(jù)反駁二人的錯誤觀點。

顯然，這樣的答案是不適合初中學(xué)生回答的。

參考文獻：

[1]義務(wù)教育物理課程標準實驗教科書編寫組.義務(wù)教育教科書物理八年級全一冊[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2012：126-127.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書物理八年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2012：17.

（欄目編輯? ? 陳? 潔）