不是所有的物理问题都适合于学生回答
王伟民 辛存良
摘? ?要：对“运动和力逻辑关系”的判断上，古人及当代没有学习过“牛顿第一定律”的人们会有诸如“力是使物体运动的原因”“没有力的作用，物体就不能运动”的错误观点，分析以上错误观点产生的原因，剖析一道中考物理实验题目问题设置不合适及参考答案不妥当的原因。
关键词：牛顿第一定律;运动和力的关系;摩擦阻力;滑行
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）2-0040-3
1? ? 原题呈现
例题 （2018年江苏扬州中考物理卷第27题）在探究阻力对物体运动的影响时：
（1）如图1所示，让小车从同一个斜面的同一高度静止释放，目的是? ? ? ? ? ? ? ? ?。由图可知，小车受到的阻力越来越小，小车运动的路程
。如果小车在绝对光滑的水平面上运动，小车将? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。
（2）在辨析图2小明、小华的观点，研究力与运动的关系时，为什么设计探究阻力对物体运动的影响，而不设计探究推力对物体运动的影响，理由是? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。
“阻力对物体运动的影响”实验是初中物理教科书中一个非常重要的演示实验。不同年份各种版本的初中物理教科书[1，2]在“牛顿第一定律”内容之前，几乎无一例外地编排了这个演示实验。可以看出，对于上面的这道中考实验题目，编者的用意是通过考生对这道题目的解答，考查学生对“阻力对物体运动的影响”实验中一些实验细节的把握情况，以及由实验现象结合推理归纳、总结实验结论的能力。笔者以为，本实验题目的第1小题给出的几个问题不存在任何瑕疵，但第2小题给出的问题，虽说是一个非常不错的物理问题，却不适合初中学生回答，是一个值得商榷的问题。
2? ? 教科书插入这个演示实验的必要性
从物理学力学的发展历史来看，对于运动和力之间的逻辑关系，历史上很长一段时间内人们都存在一种错误的判断——要维持物体的运动，必须有力作用在物体上，如果没有力作用在物体上，物体将是静止的或要静止下来（这也是两千多年之前著名哲学家亚里士多德关于运动和力之间关系的重要论断）。后来的伽利略、牛顿等物理学家，用实验并结合逻辑推理的方法推翻了前人认为正确、并一直被公众信奉为真理持续近两千年的错误观点，总结出了以“牛顿第一定律”为代表的关于运动和力之间关系的正确论断。不得不指出的是，古人关于运动和力逻辑关系的论断虽然是错误的，但这一错误观点却与人们对“力与运动”关系的表象认识非常吻合。所以，不仅是古代人，即便是当代的人，特别是还没有学习“牛顿第一定律”的中小学生，如果将古人关于运动和力之间关系的论断讲给学生，他们依然会认为这是一个正确的论断，而且还能够举出多个诸如上面中考题插图所示情形中小明、小华所举例子的很多实例来进行“佐证”。应该说，为纠正学生因生活表象“误导”而产生的关于“运动和力关系”的错误认识，更重要的是，为了在课堂教学中顺利讲解“牛顿第一定律”，并让学生理解这个无法用实验来验证其正确性定律的内容，课本设计的“阻力对物体运动的影响”实验是非常必要的，该演示实验的重要性没有其他任何一个演示实验可以替代。
3? ? 该演示实验的实验顺序不可以随意颠倒
实际上，课本设计的每一个演示实验都是有特定目的的，不可能是为实验而实验。就“阻力对物体运动的影响”演示实验而言，若单纯地是为了探究“阻力对物体运动的影响”，那么，如果也采取“控制变量法”进行探究的话，我们只需改变研究对象（比如小车）在运动过程中所受阻力的大小，观察在阻力改变之后，物体运动速度的改变情况即可，根本不需要考虑物体所受的阻力是按照从大到小的顺序进行改变，还是按照由小到大的顺序进行改变。但是，如果考虑该实验的“终极”目的——为引入“牛顿第一定律”作准备，那么，研究对象小车所受阻力的变化就必须人为地按照从大到小的顺序来进行更替：让具有一定初速度的小车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，直至小车停止，观察小车速度改变的情况，记录小车滑行的水平距离以及滑行这段距离所用时间的长短。之后，在小车初速度不变的情况下，让小车在表面相对前者较光滑、所受摩擦阻力相对较小的棉布表面滑行，观察并记录相关的数据。最后，让小车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。在学生有了“以一定初速度运动的小车，在滑行过程中所受的摩擦阻力越小，它在水平面上運动的距离越长，滑行的时间越长，其速度减小得越慢”的感性认识之后，再向学生提出诸如“如果用更光滑的水平玻璃板代替木板，小车的运动情形会发生怎样的变化？”“如果小车初速度不变时，水平路面一点摩擦力也没有，小车的运动情形又将是怎样的呢？”等问题，引导学生进行理想化推理之后，我们就会非常自然地引入“牛顿第一定律”。这样的引入不仅能够纠正学生对先前的关于运动和力关系的错误认识，而且还会对“牛顿第一定律”的内涵有深刻的认识和理解（对初中学生来说，“牛顿第一定律”应该是比较费解的，毕竟该定律的正确性无法用实验来验证）。
如果在实验过程中更改了阻力大小的变化顺序，先让小车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，之后分别让小车在棉布表面、毛巾表面以同样的初速度水平滑行，观察各情况下小车的运动情况，并根据记录的小车滑行距离、滑行时间等数据进行比对，也一定能够得出“初速度相同时，摩擦阻力越大，小车滑行的距离越小，所用的时间越短，速度减小得越快”的“正确”结论，但这样的结论只能是“单一”的“阻力对物体运动的影响”的实验结论，这样的实验设计对导入“牛顿第一定律”的课堂教学来说没有丝毫的作用。
这样看来，教科书设计的“阻力对物体运动的影响”实验，如果单从实验名称来看，好像就是为了探究“阻力对物体运动有什么影响”;但实际上“醉翁之意不在酒”，其“真实”实验目的是为导出“牛顿第一定律”而作的必要准备。当然，从教学的角度来说，也是为了使学生更好地理解“牛顿第一定律”的内涵。
4? ? 该中考卷给出的实验问题是一个不适合初中学生回答的物理问题
我们回头再分析这道中考实验题第2小题给出的实验问题。
从题目给出的插图（图2）可以看出，题目先摆出了两个学生关于“运动和力关系”的观点（学习过“牛顿第一定律”内容之后，相信绝大多数考生会很容易判断出他们的观点是错误的），小明认为“静止的小车，如果不去推它，它就不会运动，这说明，没有力的作用物体就不能运动”;小华的观点是“风吹树摇，风停树静，这说明，力是物体运动的原因”，之后便向考生抛出了问题：辨析二人的观点时“为什么设计探究阻力对物体运动的影响，而不设计探究推力对物体运动的影响，理由是_________”。
从题目交待的情景我们不难发现，小明和小华两位同学之所以出现对“运动和力逻辑关系”判断的错误，其原因与我们前文提到的以亚里士多德为代表的古人以及当代还没有学习“牛顿第一定律”内容的中小学生对“运动和力逻辑关系”出现误判的原因相同，都是被所看到的表面现象误导，分别由“不推小车，小车就不会动”“风停树静”的表面现象错误地推理出“没有力的作用物体就不能运动”“力是物体运动的原因”的结论，没有考虑到“小车在运动时会受到地面的摩擦阻力”“树梢在随风摇动时会受到树干的阻力”这些因素。因此，要想用实验来反驳二人的错误观点，找出二人在推理过程中的错误原因，就必须从二人在推理过程中“无意”忽略的因素——“运动的物体会受到阻力”这一角度来进行，必须设计“阻力对物体运动的影响”实验。反之，如果不考虑阻力对物体运动的影响，而是想当然地设计出“动力对物体运动的影响”实验，那么，我们观察实验现象，依然只能得出“车不推它就不动，推力越大它动得越快”“风停树静、风起树摇”的结果，这一结果不仅不能成为推翻小明和小华错误观点的论据，反倒成了二人观点“正确性”的有力“佐证”。
这样看来，试卷参考答案给出的辨析小明和小华二人的观点时，之所以设计“阻力对物体运动的影响”，不设计“推力对物体运动的影响”的原因是“很难控制推力在运动过程中不变”或“阻力在运动过程中是恒力”的答案，是不成立的，当然也是无法让人信服的。
笔者以为，这道中考实验题在第2小题里给出的这个实验问题，如果作为物理教师招聘考试中考查物理教师对教科书理解和驾驭能力的题目倒是非常合适的，其答案应该是：
虽然我们也可以设计出“推力对物体运动的影响”实验（应该说，对初中学生来说设计这个实验不存在什么难点，只不过没有这个必要罢了。退一步，假如真的设计这个实验，也不会出现试卷参考答案给出的实验时“很难控制推力在运动过程中不变”的情形，控制推力的大小应该是一个非常容易解决的技术问题），但是，小明和小华“对运动和力关系”出现错误判断的原因是没有考虑到物体在受外力运动过程中，还要受到阻力的影响（分别是小车所受地面的摩擦阻力和树枝所受树干的阻力），设计出的“推力对物体运动的影响”实验，根据实验现象不能说明二人观点的错误原因，只有设计出“阻力对物体运动的影响”实验，并根据实验现象推理出阻力减小为零这种理想状况下物体运动和力正确关系的结论（即牛顿第一定律），才可以此为论据反驳二人的错误观点。
显然，这样的答案是不适合初中学生回答的。
参考文献：
[1]义务教育物理课程标准实验教科书编写组.义务教育教科书物理八年级全一册[M].上海：上海科学技术出版社，2012：126-127.
[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书物理八年级上册[M].北京：人民教育出版社，2012：17.
（栏目编辑? ? 陈? 潔）
