《實驗:探究碰撞中的不變量》教學設計

摘要:本文給出了《探究碰撞中的不變量》教學設計，讓學生在探究過程中提升自己的探究能力，也便于新課程三維目標的落實。

關鍵詞:動量;探究;教學設計

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)8(S)-0072-4

1 設計思想

人教版新教科書動量這一部分內容，與過去相比變化很大。突出了兩點:體現學習中的探究精神;強調物理學中“不變量”的思想。本設計通過實驗情境從特殊到一般化探究，讓學生體驗碰撞中不變量的猜想認知過程;學生在實驗探究的實踐中了解碰撞前后物塊速度的獲得方法，體驗學習探究過程，收獲“不變量的猜想”成果，發展對學科的興趣與熱情，培養實驗探究能力和交流協作能力。

2 教材分析

選修3-5《動量守恒定律》與原教材《動量》的安排完全不一樣，“動量”概念的引入也與過去不同。原教材通過具體碰撞實例，得出Ft=mv，直接引入動量和沖量概念。教師一般也受此束縛，常通過學生的體驗和演示實驗得出:“力的作用效果”與質量有關，與速度有關。質量和速度乘積越大，作用效果越明顯。得出動量的概念正是描述“力的作用效果”的物理量。而新教材顯然不僅關注p=mv的定義，更關注遵循科學史的發展軌跡，在碰撞中追尋“不變量”的實驗基礎上，由碰撞前后的mv矢量保持不變引出“動量”的概念。在認知邏輯上體現了“動量”的來龍去脈。

可以看出，在新教科書中，動量守恒定律不再是牛頓運動定律演繹的結果。學生通過教師的實驗引導和自己的實驗探究，發現物體碰撞過程中的確存在某個不變的物理量。盡管這個想法是朦朧的，但卻是非常珍貴的，這是探究精神的體現，是科學方法的教育。

教師要體會教材中力圖通過課堂教學這個小小的天地讓學生體會科學的探究性和探究中的不確定性，使學生對科學本質的認識能夠更深入一些。

3 學情分析

(1)通過前面模塊的學習，學生已經具備了初步的實驗設計能力和實驗操作技能;學生對物體通過碰撞這種相互作用而產生的運動類型有生活感性認知，并且在必修2有過類似“追尋守恒量”的探究經歷和體驗。

(2)由于p=mv是矢量，雖然一維碰撞情境比較簡單，但碰撞中“不變量”的追尋對學生而言是陌生而又困難的。學生一般認為碰撞前后的速度大小之和不變，或碰撞前后的速度存在某種簡單數學關系。而如果按教學中一定的邏輯遞進過程，讓學生提出物體的質量與各自速度的乘積是不是“不變量”的猜想?是比較困難的，也很唐突，容易進入驗證性實驗的教學。因此，教師要引導學生搭建符合學生認知水平的猜想平臺并測量必要的實驗數據。

4 教學目標

4.1 知識與技能

①知道碰撞有不同類型，知道一維碰撞的實驗方法選擇。②會猜想兩個物體碰撞前后可能不變的物理量。③知道物塊碰撞前后速度的測量方法。④會設計簡單的實驗方案，安排實驗操作步驟，掌握實驗所需物理量的測量和器材操作。⑤掌握實驗數據的記錄，合理分析實驗數據，并與猜想相結合，得出結論，寫出相應表達式。

4.2 過程與方法

①培養學生猜想能力，合理選擇實驗方案和熟練操作的能力。②理解物塊速度測量的轉換方法，會用轉換方法測碰撞前后的速度。

4.3 情感態度與價值觀

親身嘗試探究一維碰撞中存在的不變量，體驗到探索自然規律的艱辛與喜悅，感受物理學的科學價值。

5 教學重點

①猜想兩個物體碰撞前后保持不變的物理量可能的表達形式。

②如何合理測量物塊碰撞前后的速度?

6 教學難點

①如何創設從特殊到一般的實驗情境讓學生猜想兩個物體碰撞前后保持不變的物理量表達形式。

②運用轉換思想測量碰撞前后物塊的速度。

7 教學過程

7.1 教學流程

7.2 關注生活，通過觀察提出探究問題

7.2.1視頻圖像觀察 自然現象和日常生活中的碰撞:1.交通事故;2. 臺球運動;3.天體碰撞;4.微觀粒子碰撞(強子對撞機試驗模擬)。圖 1圖 2

圖 3圖 4

7.2.2課堂互動演示——學生觀察如圖5、6所示的碰撞球實驗 這個實驗一上來就能吸引學生眼球。分別拉起1個，2個，3個，4個放開后讓其碰撞，觀察碰撞前后的運動現象。讓學生用自已的語言來描述以上現象。學生會提出運動小球的速度，運動小球的動能，運動小球的高度，運動小球的能量可能不變的想法。圖 5圖 6

7.2.3引入新課 因為碰撞現象的普遍性，學習和探究碰撞中蘊涵的物理規律是很有科學價值和普遍意義的。

7.2.4師生對話 與實際碰撞現象相比較，一維碰撞是簡單的，基本的。通過簡化確定一維碰撞研究模型。一維碰撞:兩個物體碰撞前沿同一直線運動，碰撞后仍沿這條直線運動。

7.3 創設感性實驗情景，引導學生進行猜想

7.3.1對比實驗圖 7

7.3.2師生對話

通過對比實驗發現:

現象1:A球質量等于B球質量(mA =mB)，B球靜止。拉起A球，放開后A與B碰撞，A球靜止，B球差不多以A球的速度擺起，擺到與A初時等高。

現象2:A質量大于B球質量(mA>mB)，B球靜止。拉起A球，放開后A與B碰撞，A、B球以不同速度擺起。

現象3:乒乓球質量小于鐵球質量(mA

7.3.3提出問題 兩個物體碰撞前后速度都發生變化，變化的情況又各不相同。現象1、現象3啟示我們碰撞前后有什么物理量保持不變?現象2更加一般性，是否也具有共同的“不變量”呢?

7.3.4分析討論 學生可能提出運動小球的速度，運動小球的動能，運動小球的高度，運動小球的能量保持不變。

7.3.5引導猜想1

碰撞前后物體質量是不變的。顯然并不是我們追尋的“不變量”。 一般猜想往往由簡單到復雜，由單一到多樣，從數學表達式對稱合諧出發。觀察到物體的速度在碰撞前后發生了變化，那么在碰撞前后二個碰撞物體的速度之和可能不變。

即: v1+v2=v′1+v′2

①實驗驗證 猜想“不變量”表達式可能與碰撞物體的質量無關，符合猜想的一般原理。

師生對話 實驗中如何保證碰撞是一維的呢?怎樣測量兩個物體的碰撞前后速度?

②實驗設計 交流完善，確定設計。裝置如圖8所示。圖 8

遷移和繼承引課實驗的情境，用生活化的素材參與設計，體現碰撞的一般性和情趣性。單線擺不穩定，對心碰撞困難。用光滑圖板限定和大號象棋可以保證碰撞的一維性，通過對象棋配重容易改變質量大小。

分析討論1 由v=2gh轉換測量A，B物塊碰撞前后的擺起的高度，計算碰撞前后物塊的速度。即:h1+h2=h′1+h′2

③實驗操作1 通過貼金屬片(如:1元硬幣)或打孔填鐵砂方法制成兩個質量相近的大號象棋A，B。控制條件(mA =mB=24.8g，v2=0)。

將A拉起h1后釋放，B豎直靜止懸掛。A擺下和B發生碰撞。用“逐次逼近法”確定A，B上升的最高位置:先用目測確定擺上升的最高位置，做出標記，然后再重復碰撞幾次，逐次修正出準確位置。從圖紙上測量出h1 ，h′1，h′2的數值。

實驗數據記錄表格1:

7.6 學生分組實驗

探究小結 將學生分為若干個小組，采用不同的方案安排實驗。碰撞中的“不變量”是:兩個物體各自的質量與自已速度的乘積之和。即:m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2碰撞中的“不變量”mv具有矢量性。

參考文獻:

[1]苗元秀.課程標準高中物理教科書(人教版)選修3-5編寫思想[M].人民教育出版社

[2]王海岳.動量概念教學的思考[J].物理教學，2005，4

(欄目編輯 張正嚴)