讓物理概念教學(xué)更簡捷有效——關(guān)于“動量”概念教學(xué)的設(shè)計

王治國

（南京市雨花臺中學(xué)，江蘇 南京 210012）

動量是物理學(xué)中的一個重要的概念，最早是1638年伽利略在研究碰撞問題時引入的，歷史上圍繞“動量”概念的爭論歷經(jīng)半個世紀(jì)之久，它是許多著名的科學(xué)家經(jīng)過曲折的研究而得出的.在中學(xué)物理教學(xué)中，如何科學(xué)、簡捷、有效地引入“動量”的概念，一直是廣大物理教師研究的重要課題之一.

過去的教科書多是通過具體實例，得出Ft＝mv，直接引入“動量”的概念；現(xiàn)行人教版教材對動量引入的處理是在追尋“不變量”的實驗基礎(chǔ)上，由碰撞前后的mv矢量和保持不變的啟示來引出“動量”概念的.筆者認(rèn)為后者處理方式較前者更注重了認(rèn)知規(guī)律，關(guān)注到“動量”概念的形成的歷史過程，體現(xiàn)了在注重知識和技能目標(biāo)的同時，更關(guān)注情感、態(tài)度和價值觀方面的教育意義.但在引入“動量”概念時卻顯得浮光掠影，過于生硬，僅僅由實驗結(jié)果“mv保持不變”就直接引入動量概念，缺乏相應(yīng)的邏輯性，以致于學(xué)生對“動量”的概念的認(rèn)識過于片面和膚淺，對為什么引入“動量”概念？“動量”是描述什么的？為什么用mv來表示動量，而不是用mv2、mv3…來表示動量？等問題會產(chǎn)生一些概念質(zhì)疑.鑒于對上述問題的深入思考以及對教材的分析，根據(jù)物理教學(xué)的邏輯和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，以培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力為突破口，筆者對“動量”概念的教學(xué)進行了如下嘗試.

1 為什么引入“動量”

問：上節(jié)課我們研究了兩個物體的碰撞問題，下面請同學(xué)們說說，在這類問題中物體間的相互作用有什么特征？

學(xué)生：力的作用時間短且是變化的.

引導(dǎo)：很好，這種特征我們可以用“瞬息萬變”來描述，你能測出這種作用力的大小嗎？

學(xué)生討論.

學(xué)生1：由于瞬息萬變，所以用牛頓運動定律無法測量.

學(xué)生2：雖然力無法直接測量，但我們可以從碰撞中的物體的運動狀態(tài)的變化來研究.

問：你是怎么想到用研究物體運動狀態(tài)變化來研究這個問題的？

學(xué)生：前面我們在研究一些復(fù)雜的物理過程的時候，如研究變力做功的時候，我們常常是研究這個過程的始末狀態(tài).

設(shè)計意圖：在“探究碰撞中的不變量”的基礎(chǔ)上提出問題，起到了承上啟下的作用，一方面是為了讓學(xué)生理解引入“動量”概念的必要性，另一方面又可以培養(yǎng)學(xué)生知識和方法的遷移能力，學(xué)會從多個角度認(rèn)識物理現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機.

2 “動量”是描述什么的？

引導(dǎo)：這是一個很好的方法，可以把對變力的研究轉(zhuǎn)化成對狀態(tài)的研究，下面的問題是：我們是如何描述物體的運動狀態(tài)的？

學(xué)生：用速度來描述物體運動狀態(tài)的，速度變了，就說物體運動狀態(tài)變了.

質(zhì)疑：說的好，今天請大家結(jié)合上節(jié)課的實驗，重新審視一下：速度真的能全面地描述物體的運動狀態(tài)嗎？

學(xué)生討論.

有的學(xué)生會提出實驗中發(fā)現(xiàn)：質(zhì)量不同的物體以相同速度碰撞時產(chǎn)生的效果不同.此時教師提出問題：（讓學(xué)生討論）

（1）以10m/s的速度運動的球，能不能用頭去頂？

（2）往木板里釘釘子，一位同學(xué)是把質(zhì)量較大的鐵錘放在釘子上，另一同學(xué)是揮動同樣的鐵錘敲釘子，它們產(chǎn)生的作用效果相同嗎？

學(xué)生討論后總結(jié).

要更科學(xué)全面地描述物體的運動狀態(tài)只看質(zhì)量或只看速度大小是不夠的，必須同時考慮質(zhì)量和速度.

設(shè)計意圖：由觀察得到的實驗結(jié)果和生活中熟知的典型事例，通過分析、綜合、比較、歸納等思維活動，營造積極的探究情境，實現(xiàn)隱性概念、前科學(xué)概念向物理概念的轉(zhuǎn)化.學(xué)生對運動物體作用效果的相關(guān)因素的共同屬性（與質(zhì)量和速度有關(guān)）的問題也就迎刃而解，動量概念的引入也就水到渠成了.這樣做的好處是，一方面為定義“動量”的概念打下基礎(chǔ)，另一方面也能使學(xué)生感到物理概念就在生活中，從而培養(yǎng)學(xué)生善于觀察，勤于思考的習(xí)慣.

3 為什么定義“p＝m ”？

問：既然描述物體的運動狀態(tài)不僅要看速度還要看質(zhì)量，那么這個完整地描述運動狀態(tài)的量應(yīng)當(dāng)與質(zhì)量和速度之間存在什么關(guān)系呢？

學(xué)生討論.

引導(dǎo)：學(xué)習(xí)了牛頓運動定律后，我們知道了力是改變物體運動狀態(tài)的原因，因此要了解描述物體運動狀態(tài)的量與質(zhì)量和速度的具體關(guān)系，我們可以從力的研究開始，請同學(xué)們從前面所學(xué)的力的知識來探究這個物理量到底與質(zhì)量和速度之間存在什么關(guān)系？

學(xué)生活動：討論交流、推導(dǎo).

在牛頓第二定律、運動學(xué)速度公式的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出：Ft＝mvt－mv0.

問：上式說明了什么？

學(xué)生：由于力的作用，使得mv這個量發(fā)生的改變，mv應(yīng)當(dāng)就是比較全面描述物體運動的狀態(tài)的量.

引導(dǎo)：對，上節(jié)課的實驗結(jié)果“碰撞中的物體mv矢量和是不變的”清楚地表明，mv具有一定意義，所以為了表征運動物體的這一特性，引入一個新的物理量——動量，且定義：運動物體的質(zhì)量和速度的乘積叫動量，即p＝mv，單位為kg·m/s.

設(shè)計意圖：根據(jù)牛頓運動定律，運用演繹推理的方法得出了動量定義，再結(jié)合上節(jié)課實驗的結(jié)果.讓學(xué)生對“動量”概念的認(rèn)識從感性上升到理性，不僅能知其然，而且還能知其所以然.學(xué)生在親身經(jīng)歷并體驗 “動量”定義的探索過程中，能夠發(fā)現(xiàn)其中的方法要素，感悟其中的科學(xué)思想，進而促進知識的內(nèi)化和智能的提高.同時學(xué)生通過探究、體驗、感悟，也能夠充分體驗到探究過程的艱辛和樂趣，享受到合作學(xué)習(xí)的愉悅和創(chuàng)造的幸福.

4 如何理解“動量”

思考討論1：誰來說說用動量和速度描述物理的運動狀態(tài)不同之處在哪里？

學(xué)生討論交流.

歸納：（1）動量包含了“參與運動的物質(zhì)”與“運動速度”兩方面信息，反映了由這兩方面共同決定物體運動的狀態(tài)，具有瞬時性，是狀態(tài)量（舉例）.

（2）動量是矢量，它的方向與速度方向相同.

思考討論2：動量和動能都是反映物體機械運動的物理量，誰來說說它們的不同之處在哪里？

學(xué)生討論交流.

歸納：（1）動量和動能都是描述物體運動狀態(tài)的物理量，動量是反映物體運動量的大小，它只能在機械運動和機械運動之間轉(zhuǎn)移；動能是反映物體由于運動所具有的一種做功的本領(lǐng)，它既可以通過做功來轉(zhuǎn)移機械運動，也可以通過做功把機械運動轉(zhuǎn)化為其他形式的運動，如熱運動等.（2）動能是標(biāo)量，動量是矢量.動量的方向就是物體運動速度的方向.（3）動能的變化（轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化）是通過做功來量度，而動量的變化（轉(zhuǎn)移）是通過力的時間累積來量度.

總結(jié)：綜上所述，我們用動量來描述物體運動狀態(tài)是比較全面的，動量反映了運動物體所能產(chǎn)生的機械效果強弱及這個效果發(fā)生的方向.動量的大小等于質(zhì)量與速度的乘積，動量的方向與速度的方向一致.

設(shè)計意圖：通過學(xué)生討論交流，幫助學(xué)生進一步深化對動量概念的理解.在教師的引導(dǎo)下，把動量概念的定義、物理意義、運算規(guī)則及與其他概念的聯(lián)系等要素綜合起來，形成關(guān)于動量的概念體系，從而真正地掌握動量的內(nèi)涵和外延，同時培養(yǎng)學(xué)生思維的廣闊性和深刻性.

以上是筆者在處理“動量”概念時的一些做法.通過把動量概念的認(rèn)知過程充分、合理地展示出來，引導(dǎo)學(xué)生從中體會“為什么提出動量概念、怎樣提出、從什么角度、用什么方法、如何進一步引伸等科學(xué)方法”.在具體實施后，筆者感覺到采用這種方法簡捷有效，以前那些思維斷層沒有了，學(xué)生對動量概念的理解更自然順暢.學(xué)生不僅構(gòu)建了完整的“動量”概念的體系，也學(xué)到了認(rèn)識和理解物理概念的方法，體驗了學(xué)習(xí)的樂趣，感悟了探究學(xué)習(xí)中的科學(xué)方法和科學(xué)思想.