神奇的碰撞

◆杭州市臨平職業高級中學 倪志強

碰撞是自然界中的普遍現象，臺球桌上出色的一擊、冰壺場上絕妙的“雙飛”等碰撞現象都令人叫絕。觀察與思考碰撞現象有助于培養學生的創新思維，提升學生的核心素養。

物理學是以實驗為基礎的自然科學，實驗在培養學生的探究能力、創新能力，提升學科核心素養方面起著重要的作用。我利用常見的硬幣設計簡單的實驗，帶領學生探究一維的彈性碰撞規律，使學生從硬幣的碰撞現象中理解物理規律。

實驗一

實驗目的：通過創設情境，在實踐中體驗彈性正碰的神奇現象，在思考中了解碰撞遵守的基本物理規律，用課堂學到的知識解釋實驗現象。

圖1 學生積極參與實驗

實驗過程：將兩枚相同幣值的硬幣相鄰并排，靜置在實驗臺面上，用一枚等值硬幣迅速沖擊第一枚硬幣，使它快速與第二枚硬幣發生碰撞。

實驗現象：第一枚硬幣停止，第二枚硬幣沿第一枚硬幣的運動方向前行（交換速度）。

實驗總結：剛開始操作時，學生忽略了“兩枚硬幣應‘正面’撞擊”這個實驗條件，所以在實驗過程中出現了不同的實驗現象。

實驗二

實驗目的：通過與實驗一的情境對比，總結規律。明確研究對象，體驗基于事實構建物理模型的抽象概括過程，培養學生的科學思維能力。

實驗過程：將多枚幣值相等的硬幣放在實驗臺面上，排成一行（硬幣之間不留空隙）。用一枚等值硬幣迅速沖擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發生碰撞。

實驗現象：第一枚硬幣撞擊相鄰硬幣的同時，行末的硬幣迅速地“飛”出去。

實驗總結：通過幾次練習，學生很容易掌握操作要領。本實驗與牛頓碰撞球實驗類似，實驗現象明顯。部分學生認為該實驗現象屬于偶然現象，于是減少硬幣的數量繼續開展類似的實驗。實驗結果表明，這并非偶然現象。

圖2 將幾枚相同幣值的硬幣排成一行

實驗三

實驗目的：進一步引入其他力的作用，雖有外力作用但遠小于內力，且碰撞時間極短，外力在碰撞中屬于次要因素。體會理想化模型是為了便于研究問題而忽略次要因素建立的一種高度抽象的理想客體。

實驗過程：將多枚幣值相等的硬幣放在實驗臺面上，排成一行（硬幣之間不留空隙）。用手按壓住其中一枚硬幣，用一枚等值硬幣迅速沖擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發生碰撞。讓學生猜測會出現怎樣的實驗現象，再與實驗過程中觀察到的實驗現象進行對比。

實驗現象：幾乎在第一枚硬幣撞擊相鄰的硬幣的同時，行末的硬幣迅速“飛”出去。

實驗總結：絕大部分學生猜測，按壓著的硬幣及其后方的硬幣會靜止。然而實驗現象與實驗一的現象一致，與是否按壓硬幣無關。這讓學生感到很意外。

實驗收獲：通過一系列實驗使學生形成物理觀念——物理規律應確認其適用條件，并在不斷修正下使其更具普遍性。

圖3 按住其中一枚硬幣

實驗四

圖4 學生參與實驗

實驗過程：

操作一：將幾枚幣值相等的硬幣排成一行，在其中間放入一枚不同幣值的硬幣，用一枚硬幣（幣值與排成行的硬幣相同）迅速沖擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發生碰撞。

操作二：將幾枚幣值相等的硬幣排成一行，在其中間放入一塊橡皮，用一枚硬幣（幣值與排成行的硬幣相同）迅速沖擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發生碰撞。

操作三：用手指按住橡皮，用一枚硬幣（幣值與排成行的硬幣相同）迅速沖擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發生碰撞。

實驗現象：操作一完成后，后放入的硬幣及其兩側相鄰的硬幣散開。操作二完成后，后放入的橡皮及其兩側相鄰的硬幣散開。操作三完成后，橡皮的位置未發生變化，左側相鄰的硬幣散開，右側相鄰硬幣的位置幾乎沒有變化。

實驗總結：經過前面的探究實驗，學生開始猜測實驗現象，不再輕信、崇拜“權威”。當實驗現象的猜測意見難以統一時，便通過實驗進行論證。

表1 學生對實驗現象的猜測與觀察到的實際現象記錄表

通過以上實驗，可對能量如何傳播、怎樣有效傳播的規律進行歸納：兩枚硬幣在碰撞瞬間發生彈性形變產生彈力，當它們的相對速度為零時，形變達到最大值，彈性勢能最大。在彈力的作用下，前（后）方的硬幣做加（減）速運動，動能銳增（減），前方的硬幣加速向前。后方硬幣的動能轉化為前方硬幣的動能。當硬幣恢復原狀即彈力為零時，前方的硬幣動能達到最大值。若是規格（質量）一樣的硬幣，由牛頓運動定律及對稱性原則可知，當彈力為零時，后方硬幣速度恰好為零，反之亦然。

學生通過神奇的碰撞實驗，拓寬了知識面，加深了對課堂所學知識的理解，增強了理論與實踐結合的意識，提升了解決實際問題的能力，培養了創新能力和實際操作能力。