《彈性碰撞和非彈性碰撞》教學紀實與反思

徐地虎

教學內容：人教版（2019版）高中物理選擇性必修一第一章第5節。

教材分析：

通過實驗，了解彈性碰撞和非彈性碰撞的特點。定量分析一維碰撞問題并能解釋生產生活中的彈性碰撞和非彈性碰撞現象。教材中首先以自然界中的碰撞現象引入課堂，基于學生對碰撞過程中動量變化已有初步了解，通過問題形式引發學生思考：碰撞過程中的能量是如何變化的？首先，通過對碰撞過程特點的分析，得出碰撞過程滿足動量守恒;其次，通過實驗研究小車碰撞前后的動能變化，得出彈性碰撞和非彈性碰撞的概念;再次，通過例題形式分析兩物體碰撞后粘在一起后動能減小，加深對非彈性碰撞的理解;最后，以兩小球一維彈性碰撞作為例子，既給出了求解一維彈性碰撞的思路和方法，又分析了碰撞過程中的幾種情況。這不僅加深了學生對彈性碰撞的感性認識，同時也對彈性碰撞有了更深的理解。

教學目標：

1.通過問題引導，學生能說出比較碰撞前后系統動量和動能變化所需測量的物理量，并寫出具體的比較表達式。

2.通過實驗觀察和數據測量，學生能計算得出碰撞前后的動量變化和動能變化情況。

3.通過分析總結，學生能夠指出彈性碰撞和非彈性碰撞過程中動量變化和動能變化特點。

4.結合實例分析，學生能說出處理碰撞問題的基本思路和方法，即碰撞過程動量守恒，彈性碰撞動能不變，非彈性碰撞動能減小。

5.通過真實情境分析，學生能求解一維彈性碰撞問題。

教學設計思路與教學片段：

本堂課注重讓學生觀察，讓學生體驗，讓學生發現，讓學生思考，著力培養學生的思維能力，實驗探究能力。

1.引入部分。

通過臺球的“定桿”引入學習主題，激發學生的學習興趣。利用問題引導，讓學生猜測臺球碰撞過程滿足的物理規律，進而引導學生設計實驗進行實驗驗證。利用分析綜合、推理論證的方法分析問題，提升學生科學思維能力;基于觀察和實驗提出問題，形成猜想和假設，設計實驗與制訂方案，養成實驗探究意識。

師：臺球運動大家都比較熟悉，讓我們一起觀看視頻，學習臺球技術：定桿。

師：觀察到了什么現象？

生：兩個小球發生碰撞，母球碰后靜止不動。

師：很好，猜想一下碰撞過程滿足什么樣的規律？并說說猜測的理由？

生：碰撞過程中動量守恒，因為碰撞過程中時間很短，碰撞的力很大，動量守恒。

師：很好，碰撞過程中系統的動能會變化嗎？

生：碰撞過程會發熱，動能應該會減少。

師：非常好，這位同學認為在碰撞過程中內能增加，而系統的總能量應保持不變，因而動能會減少。

師：能否設計實驗驗證猜想呢？

生：視頻中兩個小球的質量基本相等，因此可以讓兩個質量基本相等的兩物體碰撞，測量兩個物體碰撞前后的速度，并用天平測量兩物體的質量，計算碰前和碰后系統的動量和動能，通過比較就可以知道動量和動能的變化情況。

師：非常好，這位同學給出了驗證猜想的實驗方案，需要測量碰撞前后物體的速度，以及兩物體的質量。這里我們利用氣墊導軌與光電門研究兩物體的碰撞。

2.彈性碰撞部分。

通過問題引導與分析講解，學生能結合實驗方案進行分析綜合，確定實驗過程需要測量的物理量，以及比較碰撞前后系統的動量和動能的表達式，并根據實驗數據進行處理分析，在實驗數據的基礎上，結合實驗可能的誤差等因素，得出彈性碰撞的概念與特點。該部分既有助于學生對實驗原理的理解和把握，同時通過數據采集、處理的過程提升學生分析數據的能力，并結合實驗數據分析碰撞的特點，進而得出彈性碰撞的概念，提升學生獲取和處理信息、基于證據得出結論，提升科學探究能力。

利用彈性碰撞的實例分析，讓學生理解分析該類問題的基本思路是利用彈性碰撞過程中動量守恒和動能不變進行求解，并就碰撞后的速度進行幾種情況的討論，這既有助于學生對實際生活中彈性碰撞的理解，為學生提供了利用實際情況驗證理論結論是否正確的方法。課堂上利用牛頓擺實驗做演示，進一步加深學生對實驗結論的理解。通過問題：碰撞前后動能一定不變嗎？動量一定不變嗎？引出非彈性碰撞內容。

師：實驗中利用氣墊導軌有什么優勢？

生：氣墊導軌連接氣泵后，滑塊在氣墊導軌上可以看作沒有摩擦力，物體做勻速直線運動，因此可以準確測量碰撞前后物體的運動速度。

師：如何通過光電門測量物體的速度？

師：通過求解碰撞前后的動能，可以得出什么樣的結論？

生：碰撞后的動能小于碰撞前的動能，有能量損失，但與原動能相比，損失動能比較小。

師：很好。從實驗中可以看出，兩個物體碰撞前后的動能幾乎不變。我們把系統在碰撞前后動能不變的碰撞稱為彈性碰撞。現實生活中鋼球、玻璃球的碰撞都可以近似看成是彈性碰撞。

師：我們先來看一個碰撞的實例：.如圖1所示，物體m₁以速度v₁與原來靜止的物體m₂發生彈性正碰，如何求解碰后兩球的速度？

生：可以利用彈性碰撞過程中動量守恒與動能不變列方程求解。

師：很好，現在能對實驗現象進行解釋嗎？

生：兩個質量相同的小球發生彈性碰撞，兩球交換速度。（讓學生體驗牛頓擺實驗，加深印象。）

師：碰撞前后動能一定不變嗎？動量一定不變嗎？（轉接到非彈性碰撞部分。）

3.非彈性碰撞部分。

結合學生已經對彈性碰撞有了基本的認識，通過問題引導，讓學生思考是否所有的碰撞都是彈性碰撞，如果不是，碰撞過程中動量和動能如何變化？利用實驗對非彈性碰撞前后的動量和動能進行對比，結合數據分析，得出在非彈性碰撞的過程中動量依然守恒，而動能減小，進而給出完全非彈性碰撞的概念。讓學生根據真實的實驗數據分析得出結論，不僅提升數據分析能力，同時培養學生嚴謹的科學態度。

根據彈性碰撞和非彈性碰撞的特點，從理論上分析一般正碰過程中為什么動量守恒，同時對碰撞做了簡單的分類：彈性碰撞和非彈性碰撞，正碰和斜碰，讓學生對碰撞有進一步的了解，為學有余力的學生對碰撞的深入學習提供了分析思路。

將滑塊與一端裝有膠帶的滑塊碰撞，碰撞后兩滑塊粘連在一起，通過測量通過光電門的時間以及滑塊質量，分析計算碰撞前后系統的動量與動能變化。（具體的實驗數據與數據處理過程略。）

師：從實驗數據分析，可以得出什么結論？

生：在該碰撞過程中，碰撞前后的動量基本相等，在實驗誤差允許的范圍內，動量守恒。

師：好的，動能呢？

生：碰后的動能大約是碰前動能的一半，碰后動能明顯減少。

師：非常好。我們把系統在碰撞后動能減少的碰撞稱為非彈性碰撞。當系統在碰撞結合在一起，動能損失最大，這種碰撞稱為完全非彈性碰撞。

師：根據以上的實驗我們可以做一個總結，在碰撞過程中，動量守恒，但動能有可能不變，也可能較少。根據動能是否減少進行分類，動能不變的碰撞稱為彈性碰撞，動能減小的碰撞稱為非彈性碰撞。

師：當然，也可以根據碰撞過程速度是否與物體的連線共線，可以將碰撞分為正碰與斜碰。正碰和斜碰需要滿足什么規律呢？

生：動量守恒。

師：很好，能從理論上分析原因么？

生：碰撞過程中物體間作用時間很短，相互作用的內力很大，外力往往可以忽略，根據動量定理可知，系統動量守恒。

師：分析得很好。

4.應用舉例，學以致用部分。

該部分結合例題分析和模型理解，結合微觀世界里中子減速的真實問題，讓學生對碰撞擁有一個更加全面而深刻的認識。

例題1：通過分析A物體碰撞一帶輕質彈簧的B物體的運動過程，兩小球在運動過程中的動能變化與彈性勢能的變化，給學生一種較容易理解彈性碰撞和非彈性碰撞的模型。彈性碰撞過程中彈簧彈性勢能完全釋放，而非彈性碰撞是彈性勢能并未完全釋放，而當兩小球共速時，系統的動能減小最多，若此時彈簧的彈性勢能完全不釋放，此過程的碰撞可認為是完全非彈性碰撞，即兩物體結合在一起共速。

例題2：如圖3所示，是微觀條件下中子碰撞減速問題，通過分析中子減速的過程可知，中子與原子核的碰撞可認為完全彈性碰撞，結合彈性碰撞后的速度表達式，可以分析中子與較輕的原子核碰撞能夠把中子速度降下來，這也與核反應中利用重水、輕水和石墨等做中子減速劑的情形相符，增強學生對物理知識實用性的認識，進一步增強對彈性碰撞的理解。

本堂課的最后，通過提出如何讓小球彈得更高的問題讓學生引出超級彈性小球的研究性學習課題。圖4所示為實驗中可使用的各種不同大小的彈性球，同時讓學生課后做進一步的研究，有助于學生對彈性碰撞和非彈性碰撞有更加深入的理解和認識。

綜上所述，我的教學思路其實就是讓學生帶著疑問走進課堂，在課堂中解決問題的同時，又產生新的疑問，引導學生繼續進行學習和探究。教學環節環環相扣，步步深入，最終實現讓學生在科學探究的過程中，掌握知識，領悟方法，完成知識建構。

反思：

本堂課通過問題引導，使教學有較好的邏輯條理性，注重學生的科學思維與科學探究能力培養。總的來說有以下幾個特點：

1.從生活中引入課題，激發學習物理的興趣。引入課題時使用的是一項打臺球的技術“定桿”，學生對這一情境較為熟悉，同時也對如何學會這一技術特別感興趣。這樣快速地將學生注意力轉入課堂。

2.重視實驗在發現物理規律的作用。物理是一門以實驗為基礎的自然科學，因此在課程設計上重視了實驗對于發現物理規律的作用，通過讓學生設計實驗方案，分析比較物體碰撞前后動能、動量變化情況的表達式，確定實驗中需要測量的物理量，通過分析實驗中得到的實驗數據，發現碰撞過程中的實驗規律。

3.重視模型建構，培養科學思維。在實驗數據的基礎上，更需要結合實驗數據構建合理的物理模型，比如通過碰撞實驗數據分析，構造了彈性碰撞和非彈性碰撞的模型，促進了學生科學思維的發展。

4.注重規律的應用，深化活化思維。對于新接觸的知識和規律，通過提升感性認識、實際應用有助于學生對新知識和規律的理解和把握，在知識的理解和把握中深化活化思維深度。

與此同時，本堂課還需要進一步整合優化教學內容，結合學生的學習實際適當減少教學內容，降低教學難度，讓學生有更多的時間進行自主學習和合作學習，獨立完成實驗數據采集與分析。

■ 編輯/魏繼軍