動(dòng)量定理演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

摘" "要：在動(dòng)量定理的課堂教學(xué)中，由于傳統(tǒng)的“雞蛋下落”演示實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)雞蛋受力面積不同，學(xué)生往往無(wú)法正確比較兩個(gè)雞蛋的受力大小，從而影響教學(xué)活動(dòng)。利用常見(jiàn)器材設(shè)計(jì)了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，避免了兩個(gè)雞蛋受力面積不同對(duì)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響，在教學(xué)實(shí)踐中反饋良好。

關(guān)鍵詞：動(dòng)量定理；物理教學(xué)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " 文章編號(hào)：1003-6148（2024）2-0057-3

動(dòng)量定理是高中物理的一條重要物理規(guī)律，是力與運(yùn)動(dòng)內(nèi)容的重要組成部分，是高考物理的重要考點(diǎn)之一［1］。由于動(dòng)量定理只涉及研究對(duì)象的始末狀態(tài)，故對(duì)復(fù)雜的物理過(guò)程合理地運(yùn)用動(dòng)量定理，有時(shí)能有效地簡(jiǎn)化物理過(guò)程和優(yōu)化解題思路。特別是對(duì)于不涉及物體加速度和物體位移的力與運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，應(yīng)用動(dòng)量定理通常會(huì)更為簡(jiǎn)便。

根據(jù)人教版普通高中教科書物理選擇性必修第一冊(cè)（2019版），動(dòng)量定理的表述為“物體在一個(gè)過(guò)程中所受力的沖量等于它在這個(gè)過(guò)程始末的動(dòng)量變化量”，表達(dá)式為

I=p'-p（1）

或

FΔt=mv'-mv（2）

上式中I表示沖量，p和p'分別表示物體始末狀態(tài)的動(dòng)量，F(xiàn)表示過(guò)程中物體所受合外力，Δt表示力F的作用時(shí)間，m表示物體質(zhì)量，v和v'分別表示物體始末狀態(tài)的速度。從（1）和（2）式可得出結(jié)論：在某個(gè)過(guò)程中物體的動(dòng)量變化量與物體所受合外力及合外力的作用時(shí)間有關(guān)。在傳統(tǒng)的動(dòng)量定理課堂教學(xué)中，通常會(huì)演示“雞蛋下落”實(shí)驗(yàn)來(lái)向?qū)W生定性說(shuō)明動(dòng)量定理［2］。筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)存在較大的不足，教學(xué)效果不甚理想，對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一些改進(jìn)。

1" " 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)——“雞蛋下落”

1.1" " “雞蛋下落”實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的作用

“雞蛋下落”實(shí)驗(yàn)是動(dòng)量定理課堂教學(xué)中的一個(gè)重要演示實(shí)驗(yàn)，在滬科版（2020）、滬教版（2019）、教科版（2019）、魯科版（2019）等多版教材的動(dòng)量定理內(nèi)容中均有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或問(wèn)題思考。該實(shí)驗(yàn)的具體設(shè)計(jì)如下：讓兩個(gè)形狀相似、質(zhì)量相近的生雞蛋從同一高度同時(shí)靜止下落，分別落在硬質(zhì)容器（或桌面等）和海綿墊上（或毛巾等），結(jié)果落在硬質(zhì)容器中的雞蛋摔破了，而落在海綿墊上的雞蛋完好無(wú)損［3］，具體如圖 1所示。由于落在硬質(zhì)容器中的雞蛋破了，說(shuō)明雞蛋受力大，作用時(shí)間短；落在海綿墊上的雞蛋沒(méi)有破，說(shuō)明雞蛋受力小，作用時(shí)間長(zhǎng)。

“雞蛋下落”實(shí)驗(yàn)的直觀性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、耗時(shí)短，實(shí)驗(yàn)材料易于準(zhǔn)備，緊扣教學(xué)內(nèi)容，并且“生雞蛋摔破”這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的趣味性強(qiáng)，容易引發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。基于以上種種優(yōu)點(diǎn)，“雞蛋下落”實(shí)驗(yàn)在動(dòng)量定理的課堂教學(xué)中深受一線教師的歡迎［4］，往往被設(shè)置在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)進(jìn)行演示。

1.2" " “雞蛋下落”實(shí)驗(yàn)在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)的具體案例

常規(guī)教學(xué)片段：動(dòng)量定理新課引入。

師：上節(jié)課我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了動(dòng)量，動(dòng)量是物體的質(zhì)量和速度的乘積。例如，某個(gè)小球在自由落體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)量越來(lái)越大，或是小球向右水平運(yùn)動(dòng)碰到堅(jiān)硬的墻壁后彈回，在這些過(guò)程中小球的動(dòng)量都發(fā)生了變化，那么什么因素與小球的動(dòng)量變化量有關(guān)呢？

生：力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，小球所受合外力改變了小球的速度從而使小球的動(dòng)量變化，所以物體所受合外力是影響物體動(dòng)量的因素。

師：那么，物體動(dòng)量的變化量只受合外力影響嗎？還有沒(méi)有其他因素與物體的動(dòng)量變化量有關(guān)？

學(xué)生不確定，無(wú)法給出統(tǒng)一的答案。

教師演示“雞蛋下落”實(shí)驗(yàn)，并引導(dǎo)學(xué)生分析碰撞前后的物理量變化，如表 1所示。

師：根據(jù)上面的分析，兩個(gè)雞蛋的受力情況不同，但是動(dòng)量變化量相同，所以物體所受合外力不是決定動(dòng)量變化量的唯一因素。那么，還有什么因素會(huì)影響物體的動(dòng)量變化量呢？讓我們進(jìn)入今天的學(xué)習(xí)。

經(jīng)過(guò)前面的演示實(shí)驗(yàn)引入課堂后，可根據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)出動(dòng)量定理，使學(xué)生明白在某個(gè)過(guò)程中物體的動(dòng)量變化量與物體所受合外力及合外力的作用時(shí)間有關(guān)，從而回答課堂引入環(huán)節(jié)教師所設(shè)的問(wèn)題，加深學(xué)生的學(xué)習(xí)理解，具體教學(xué)流程在此不贅述。

1.3" " 傳統(tǒng)“雞蛋下落”演示實(shí)驗(yàn)的不足

筆者在經(jīng)過(guò)多次教學(xué)實(shí)踐后，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的“雞蛋下落”演示實(shí)驗(yàn)存在以下問(wèn)題。該實(shí)驗(yàn)希望學(xué)生根據(jù)雞蛋是否破碎的物理現(xiàn)象來(lái)比較兩個(gè)雞蛋在碰撞過(guò)程中的受力大小，得到兩個(gè)雞蛋的受力情況不同但是動(dòng)量變化量相同的結(jié)論，進(jìn)而說(shuō)明物體所受合外力不是決定動(dòng)量變化量的唯一因素，然后教師根據(jù)前面的推理引入合外力的作用時(shí)間和動(dòng)量定理［5］。但是，在教學(xué)實(shí)踐中筆者發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)生會(huì)傾向于用壓強(qiáng)與受力面積的關(guān)系來(lái)解釋雞蛋是否破損。

如圖 2所示，對(duì)于落在硬質(zhì)容器中并破碎的雞蛋，學(xué)生會(huì)認(rèn)為雞蛋與容器底部的接觸面積較小，即雞蛋的受力面積較小，所以雞蛋底部壓強(qiáng)較大，從而使雞蛋破碎；而由于海綿墊的凹陷，學(xué)生會(huì)認(rèn)為落在海綿墊上的雞蛋的受力面積較大，導(dǎo)致雞蛋底部壓強(qiáng)較小，所以雞蛋沒(méi)有破碎，如圖 3所示。根據(jù)這種分析，學(xué)生無(wú)法比較兩個(gè)雞蛋的受力大小，也就無(wú)法達(dá)到課堂教學(xué)的預(yù)期目的，大大影響了教學(xué)效果，所以需要對(duì)“雞蛋下落”演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，從而使學(xué)生的思路符合預(yù)期的教學(xué)目的。

2" " “雞蛋下落”演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文對(duì)傳統(tǒng)“雞蛋下落”演示實(shí)驗(yàn)不足之處的分析，筆者選擇了如圖 4所示的兩個(gè)器材代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的硬質(zhì)容器和海綿墊。一個(gè)是上寬下窄的錐形玻璃杯，一個(gè)是與玻璃杯形狀一致的自制紙杯。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)操作與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)類似：讓兩個(gè)形狀相似、質(zhì)量相近的生雞蛋從同一高度同時(shí)靜止下落，分別落在玻璃杯和紙杯中，結(jié)果落在玻璃杯中的雞蛋摔破了，而落在紙杯中的雞蛋完好無(wú)損。

如圖 5所示，由于兩個(gè)雞蛋與杯子的接觸面積大小相近，所以學(xué)生在思考雞蛋破碎原因時(shí)不會(huì)考慮壓強(qiáng)與受力面積的關(guān)系，從而能正確判斷兩個(gè)雞蛋的受力情況不同，破碎的雞蛋受到的作用力大，沒(méi)破碎的雞蛋受到的作用力小，符合教學(xué)環(huán)節(jié)的預(yù)期目的，進(jìn)而推動(dòng)教學(xué)活動(dòng)的正常進(jìn)行。

筆者將此改進(jìn)實(shí)驗(yàn)多次在動(dòng)量定理課堂教學(xué)中演示，學(xué)生不再考慮兩個(gè)雞蛋在碰撞時(shí)受力面積不同而導(dǎo)致的壓強(qiáng)差異，而是能正確地判斷兩個(gè)雞蛋的受力大小不同，教學(xué)效果與教學(xué)反饋都優(yōu)于傳統(tǒng)“雞蛋下落”實(shí)驗(yàn)。

3nbsp; " 結(jié)" 語(yǔ)

基于動(dòng)量定理教學(xué)中傳統(tǒng)“雞蛋下落”演示實(shí)驗(yàn)存在的不足，用一個(gè)上寬下窄的錐形玻璃杯和一個(gè)與玻璃杯形狀一致的自制紙杯作為實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)雞蛋與兩個(gè)杯子的接觸面積相似，從而避免了兩個(gè)雞蛋受力面積不同對(duì)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響，幫助學(xué)生正確地將雞蛋是否破碎歸因于雞蛋的受力情況不同，從而有效推動(dòng)教學(xué)活動(dòng)的進(jìn)行。并且該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)還保留了傳統(tǒng)“雞蛋下落”演示實(shí)驗(yàn)直觀性強(qiáng)、趣味性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、耗時(shí)短、實(shí)驗(yàn)材料易于準(zhǔn)備、緊扣教學(xué)內(nèi)容等特點(diǎn)，符合學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律，值得在課堂教學(xué)中普遍推廣。

參考文獻(xiàn)：

［1］林美娟，羅雯姝，馮卓宏.定量驗(yàn)證與探究變速圓周運(yùn)動(dòng)向心力的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.物理教師，2023，44（7）：45-48.

［2］賴?yán)蝻w，王笑君.動(dòng)量定理定量探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2003，23（8）：29-30.

［3］孫登全.以動(dòng)量定理教學(xué)為例談高中物理規(guī)律課教學(xué)策略［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（12）：41-42.

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［5］王波，陳嫻.體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的高中物理教學(xué)初探——以“動(dòng)量和動(dòng)量定理”為例［J］.物理教師，2020，41（3）：6-9.

（欄目編輯" " 劉" "榮）

收稿日期：2023-11-08

作者簡(jiǎn)介：謝承峰（2001-），男，碩士研究生，主要從事物理教學(xué)研究。