培养学生对惯性力的科学认识与批判性思维

摘  要：惯性力是物体运动中的一个重要概念，涉及惯性系和非惯性系的区分，牛顿运动定律的适用范围，以及相对论的初步引入。该文以神舟十六号载人飞船发射为背景，设计一套惯性力教学活动，旨在培养学生对惯性力的科学认识和批判性思维，激发学生的探究兴趣和创新能力。这套教学设计包括课前问题的提出、结合情境、导入新课、回顾基础知识、探究与发现，介绍惯性力的定义和计算方法，分析和解决问题，总结和反思。

关键词：惯性力;非惯性系;科学认识;批判性思维;教学设计

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）S2-0049-04

Abstract： Inertial force is an important concept in the motion of objects， involving the distinction between inertial and non-inertial frames， the scope of application of Newton's laws of motion， and the initial introduction of relativity. Based on the launch of the Shenzhou 16 manned spacecraft， this paper designs a set of inertial force teaching activities， aiming to cultivate students' scientific understanding and critical thinking of inertial force， and stimulate students' interest in inquiry and innovation ability. This set of teaching design includes the formulation of pre-class questions， combining situations， introducing new lessons， reviewing basic knowledge， inquiry and discovery， introducing the definition and calculation methods of inertial forces， analyzing and solving problems， summarizing and reflecting.

Keywords： inertial force; non-inertial frames; scientific understanding; critical thinking; teaching design

惯性力是物体运动中的一个重要概念，对于学生理解运动的本质和力的作用机制至关重要[1]。惯性力不是物体间的相互作用力，而是在非惯性系中为了保持牛顿运动定律而引入的一种虚拟力[2]。惯性力的存在表明了运动和力的关系是相对的，取决于观察者所处的参考系。因此，惯性力的教学不仅可以帮助学生理解物理知识，还可以培养学生对物理现象的科学认识和批判性思维。然而，传统的课堂教学往往侧重于理论知识的灌输，忽略了对学生实际应用和批判性思维的培养。因此，本论文旨在通过针对惯性力的教学设计，促进学生科学认识的培养和批判性思维能力的发展。

一  教学设计的基础

（一）  教材分析

惯性力是赵近芳编著的《大学物理学》第六版的第二章质点动力学中第二节的内容。该节内容通过一个变速直线运动参考系的例子，说明了为了在非惯性系中沿用牛顿运动定律的形式，需要引入惯性力的概念，以及惯性力的方向和大小与非惯性系的加速度有关[3]。惯性力有多种形式，例如离心力、科里奥利力、欧拉力[4-5]。通过一个匀角速转动参考系的例子，说明了在匀角速转动的非惯性系中存在一种特殊的惯性力——惯性离心力，以及惯性离心力的方向和大小与物体的质量、角速度及半径有关[6]。通过一个沿径向匀速运动的例子，说明了在匀角速转动参考系中还存在另一种特殊的惯性力——科里奥利力，以及科里奥利力的方向和大小与物体的质量、角速度及相对速度有关[7]。

教材还通过日常生活中的现象和实际应用来展示惯性离心力和科里奥利力在自然界中的应用和影响。这样的实例可以帮助学生将所学的理论知识与实际问题联系起来，进一步加深对惯性力的理解。

（二）  学情分析

学生已经学习了牛顿运动定律、参考系变换、相对速度等相关知识，具备了一定的物理思维和计算能力。但是，学生对于非惯性系和惯性力的概念还不够清晰，容易混淆真实力和虚拟力，难以正确分析非惯性系中的运动问题。为了帮助学生更好地理解和应用惯性力的概念，教师需要采取针对性的教学方法。首先，可以通过丰富的实例和图示来帮助学生建立对非惯性系和惯性力的直观感受[8]。通过具体的运动场景，让学生观察和思考在这些情境中存在的惯性力是如何产生的，以及它们对物体的运动产生了怎样的影响。其次，教师可以引导学生深入分析惯性力的产生原因、表达式、作用效果。通过引导学生探究惯性力与非惯性系中的加速度之间的关系，帮助他们理解惯性力的数学表达式和计算方法。同时，通过对惯性力的影响和作用效果进行讨论和分析，学生将能够更好地理解和应用惯性力的概念。

（三）  教学目标

本文设计了一套惯性力教学活动，旨在达到以下教学目标。

1  知识与技能目标

让学生掌握惯性系和非惯性系的概念，了解惯性力的定义和特点，理解非惯性系和惯性系的区别，以及如何利用惯性力解释一些物理现象;能够分类惯性力的不同形式，如离心力、科里奥利力、欧拉力，并掌握计算惯性力的方法;能够用牛顿第二定律推导出各种惯性力的表达式[9];能够运用惯性力的知识，分析非惯性系中的运动问题，如地球上的重力、地球自转引起的离心力和科里奥利力等。

2  过程与方法目标

培养学生通过观察、分析、探究和讨论等方式，培养其发现问题、解决问题、提出问题，并能够运用数学工具进行计算和推理的能力;运用物理模型、数学工具、实验方法分析非惯性系中的物理现象的能力，提高学生的抽象思维和逻辑推理能力，激发学生对物理规律的探索兴趣[10]。

3  情感与态度目标

增强学生对物理学的认识和热爱，培养学生的创新精神和科学态度，让学生体会到物理知识的相对性和辩证性，培养学生对物理现象的科学认识和批判性思维，激发学生的探究兴趣和创新能力。

4  教学重难点

本课的教学重点是让学生掌握惯性力的概念、分类、计算方法，以及运用牛顿第二定律推导各种惯性力的表达式。本课的教学难点是让学生能够正确区分真实力和虚拟力，以及运用惯性力分析非惯性系中的运动问题。

二  惯性力教学设计

（一）  课前提出问题

为了激发学生的兴趣和思考，教师可以先向学生提出一个有关惯性力的问题，这些问题旨在引导学生思考非惯性系中的物理现象，并激发他们对惯性力的探究兴趣。以下是一些问题示例：在地球上，为什么我们感觉不到地球的自转和公转？在火车上，为什么我们可以站立和行走而不会摔倒？为什么火车突然启动或停止时我们会感到身体有向前或向后倾斜的力？ 在旋转的陀螺上，为什么我们可以看到陀螺的轴做圆锥运动？为什么陀螺在偏离垂直方向时会产生一个力使其恢复到垂直方向上？这些问题都涉及到非惯性系中的物理现象，需要用惯性力来解释。这样的问题引导将帮助学生开始思考非惯性系中的物理现象，并培养他们的批判性思维和科学探究能力。

（二）  结合情境，导入新课

神舟十六号载人飞船执行中国空间站全面建成后首次载人飞行任务，于2023年5月30日9时31分在酒泉卫星发射中心点火发射，搭载了景海鹏、朱杨柱、桂海潮三名航天员。神舟十六号载人飞船与空间站组合体完成自主快速交会对接，空间站应用与发展阶段首次载人发射任务取得圆满成功。为了引入今天的新课——惯性力，教师可以播放神舟十六号载人飞船发射视频让学生亲眼目睹这个令人振奋的时刻。随后，教师提出一系列问题，例如：神舟十六号载人飞船是如何克服地球的引力，到达轨道的？在飞船内部，宇航员会感受到什么样的力？这些力是怎么产生的？这些力和我们平时所说的惯性力有什么关系？

通过这些问题，教师引导学生思考飞船和航天员在不同运动状态下所受到的力，以及这些力与惯性系和非惯性系的关系。教师可以结合牛顿第一定律和第二定律，以及相对运动的概念，解释什么是惯性力，为什么在非惯性系中需要引入惯性力，以及如何计算惯性力的大小和方向。教师还可以利用飞船发射过程中的实际数据，让学生用公式计算出飞船和宇航员在不同阶段所受到的惯性力，并与视频中的现象进行对比。

通过这样的情境导入，不仅可以激发学生对航天工程的兴趣，增强他们的民族自豪感和责任感，还能让学生深入理解惯性力的物理本质和计算方法，提高他们的物理素养。

（三）  回顾基础知识

为了确保学生对基础概念有清晰的理解，教师可以回顾一下牛顿运动定律和参考系的定义。在惯性系中，物体遵循牛顿运动定律的规律进行运动。如果参考系有加速度，那么它就是非惯性系，牛顿运动定律就不再适用。在非惯性系中，物体会受到额外的表观力，即惯性力。这些惯性力的存在是为了使运动在非惯性系中仍能满足牛顿运动定律。

教师可以用一些简单的例子来说明这一点，以帮助学生更好的理解。例如，在加速或减速的汽车中，乘客会感觉到向前或向后的推力。这是因为当汽车加速或减速时，乘客身体的惯性使得他们倾向于保持之前的运动状态，而汽车的加速或减速导致了相对于乘客的运动状态发生改变，从而产生了向前或向后的推力。另一个例子是在旋转平台上。当站在旋转平台上旋转时，人会感觉到向外或向内的拉力。这是因为旋转平台的旋转引起了参考系的加速度变化，使得人体倾向于保持直线运动状态，从而产生了向外或向内的拉力。

（四）  探究与发现

为了加深学生对惯性力的理解，教师可以组织学生分组进行实验。学生可以利用小车、小球、水平桌面和斜面等器材模拟船舱实验，观察并记录在不同参考系中物体的运动状态和受力情况。在实验过程中，教师可以引导学生提出问题和假设。例如，学生可能会发现在加速的小车上，小球向后移动，产生一种被推的感觉。此时，教师可以引导学生思考和讨论：为什么小球会有这样的运动状态？这与惯性力有什么关系？是否存在其他因素影响了小球的运动？通过学生之间的讨论和辩论，可以让他们深入探究惯性力的本质和意义。

教师可以鼓励学生提供自己的理由和证据来支持他们的观点，并评价他人的观点和论据。这样的讨论过程将激发学生的批判性思维和科学探究能力。通过对实验结果和理论分析的对比，学生可以深入理解惯性力的特点和规律，并形成对惯性力的更深层次的认识。通过实验和讨论，学生将能够进一步理解惯性力的性质和作用，以及它与牛顿运动定律的关系。这种实践性的学习方式将加深学生对惯性力的认识，并培养他们的实验设计和数据分析能力。

（五）  介绍惯性力的定义和计算方法

惯性力是一种在非惯性系中引入的假想力，用来使牛顿运动定律在非惯性系中仍然成立[11]。教师可以用数学语言来给出惯性力的定义和计算方法。惯性力是指在非惯性系中，由于参考系相对于惯性系的加速度而产生的一种表观力。它与物体在非惯性系中相对于参考系静止或匀速运动时所受到的真实力相反，并且与物体质量成正比。其计算公式为