高中物理碰撞中幾個典型問題的深入分析與拓展

摘 要：高中物理碰撞問題是培養學生科學思維能力和解決實際問題能力的重要載體.為了有效培養學生的科學思維，筆者探討了碰撞實驗的現象、物理量變化、實驗設計方案，并圍繞碰撞實驗建構了物理模型和數學模型，進一步探索了三維碰撞、變質量系統、微觀粒子碰撞及現代技術應用等拓展模型，為高中物理教學提供了新的視角和思路.

關鍵詞：高中物理；科學思維；模型；典型問題

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）34-0101-03

收稿日期：2024-09-05

作者簡介：許妙杰（1988.4—），男，福建省南平人，本科，中學二級教師，從事高中物理教學研究.

在高中物理課程中，碰撞問題是力學部分的核心內容，也是培養學生綜合素養的主要途徑.隨著科學技術的不斷發展，碰撞問題的研究已深入到微觀領域，對物理模型的建構和求解方法也提出了更高要求.本文深入分析高中物理中的碰撞類型及其典型問題，探討科學思維的培養與模型建構策略，有助于提升學生的物理學科核心素養.

1 碰撞的類型及典型問題

碰撞描述的是兩個或多個物體在極短時間內的相互作用下，速度、動量或能量發生顯著變化的過程.碰撞根據能量損失的不同，可以劃分為彈性碰撞、非彈性碰撞和完全非彈性碰撞三種類型.彈性碰撞是指碰撞過程中系統總動能保持不變，即碰撞前后各物體的動能之和相等，且碰撞后物體能夠恢復到原來的形狀，不產生永久形變.在彈性碰撞中，動量守恒定律和機械能守恒定律同時成立，是研究碰撞問題的基礎.與彈性碰撞相對的是非彈性碰撞，其系統總動能會有所損失，部分動能轉化為內能或其他形式的能量，導致碰撞后物體的速度減小，且碰撞后物體發生形變[1].在非彈性碰撞中，動量仍然守恒，但機械能不再守恒，這是區分彈性碰撞與非彈性碰撞的關鍵.兩個物體碰撞后黏合在一起，并以共同速度繼續運動的非彈性碰撞，被稱為完全非彈性碰撞.完全非彈性碰撞中的系統動能損失最大，碰撞后的速度可以通過動量守恒定律直接求出.

碰撞問題中蘊含的典型問題包括：兩球正碰后的速度計算、斜碰中的動量分配、不同質量物體碰撞后的動能變化，以及完全非彈性碰撞中的能量損失等.不僅考查學生對動量守恒定律和能量守恒定律的理解和應用能力，還要求學生具備將實際問題抽象為物理模型的能力，以及運用數學工具求解問題的能力.

2 基于碰撞典型問題的科學思維培養策略

2.1 觀察碰撞實驗，培養學生實證精神

學生在仔細觀察碰撞實驗中前后物體的運動狀態變化、記錄實驗數據、分析實驗結果的整個過程中，能夠深刻體會到科學結論需基于大量實驗觀察和數據分析得出.為了有效利用碰撞實驗培養學生的實證精神，教師應精心設計實驗方案，確保實驗過程安全可控且可清晰地展示碰撞現象的關鍵特征，并向學生明確實驗目的、步驟和注意事項，引導學生預測實驗結果，提出自己的假設.在實驗過程中，教師應鼓勵學生仔細觀察，指導學生正確記錄實驗數據，培養其數據意識和嚴謹態度[2].當學生遇到困惑或疑問時，教師應耐心解答，引導學生通過進一步的觀察和分析尋找答案.在實驗結束后，教師可組織學生討論總結，鼓勵學生分享自己的觀察結果和實驗體驗，并嘗試運用所學知識解釋實驗結果，進而幫助學生深入理解碰撞現象，形成科學實驗的意識.

2.2 利用物理量變化，培養學生邏輯思維

物理量變化可直接反映物理實驗現象，是培養學生邏輯思維能力的良好素材.碰撞實驗作為物理學中的一個經典案例，其內在的物理規律與物理量之間的相互作用，為學生提供了一個復雜而有序的邏輯推理框架.通過分析碰撞前后速度、動量、動能等物理量的變化，學生不僅能夠深入理解物理定律的實質，還能在解決問題的過程中鍛煉自己的邏輯思維能力.為了有效利用碰撞實驗中的物理量變化培養學生的邏輯思維能力，教師應精心選擇物理量變化明顯的碰撞實驗，便于學生觀察和記錄.在實驗過程中，教師應引導學生關注碰撞前后各個物理量的具體數值及其變化趨勢.此外，教師可以讓學生探討在不同條件下（如不同質量比、不同初速度等）碰撞結果的差異，并嘗試用物理定律和數學工具解釋和預測碰撞結果，促使學生深入思考物理現象的本質和規律，進一步提升邏輯思維能力.

2.3 對比不同解法，培養學生批判性思維

不同解法的出現源于對問題不同角度的審視和假設.不同解法之間的對比與評估，能夠促使學生跳出常規思維框架，采用質疑、分析和評價的方式，關注不同解法得出的結論是否一致，深入剖析不同解法背后的假設的合理性以及可能存在的局限性，進而逐漸形成批判性思維能力.這種能力不僅對學生當前的學習大有裨益，還能為其未來的科學探究提供強大的智力支持.碰撞實驗中問題的多樣性和復雜性，催生了多種解法，為學生的批判性思維培養提供了肥沃的土壤，因此，教師可充分利用不同碰撞實驗中的不同解法培養學生的批判性思維能力.教師可以依托碰撞實驗設計一系列具有層次性和挑戰性的教學活動.例如，選擇兩球一維彈性碰撞實驗，引導學生探索動量守恒法、動能守恒法、速度分解法、相對運動法等解決這一實驗的方法，并要求學生清晰闡述上述各種解法的步驟和結果，深入分析其背后的物理意義和假設條件[3].接下來，教師可以組織學生進行小組討論，引導學生就各種解法的合理性、簡潔性、適用范圍等方面展開辯論，通過相互質疑、反駁和補充，不斷完善自己的認識和理解.

2.4 鼓勵提出創新方案，培養學生創新思維

創新思維是推動社會進步和科學發展的核心動力，其核心在于敢于突破常規，勇于嘗試新路徑，善于從不同角度審視問題.在碰撞問題的探索中，鼓勵學生跳出既定框架，提出新的假設和解決方案，不僅能夠加深學生對物理原理的理解，更能激發他們的創造力和想象力.以“兩球一維非彈性碰撞”這一經典碰撞實驗為例，常規實驗方案主要是通過測量碰撞前后兩球的速度變化驗證理論.在常規方案的基礎上，教師可以引導學生思考：如何改變實驗條件（如球的材質、大小、初始速度等），探究材料屬性對碰撞結果的影響？能否設計一種裝置，使碰撞過程可視化，實時記錄碰撞過程中的力、速度、加速度等物理量，進而更直觀地理解能量轉化的過程？

3 關于碰撞問題的模型建構

3.1 物理模型

物理模型可提取碰撞系統的關鍵特征，不僅可幫助學生簡化復雜的物理現象，還可助學生更加精確地分析和預測碰撞過程中的各種動態變化，有效解決碰撞問題.在教學實踐中，教師應根據碰撞問題的不同特性和教學目標，靈活構建多種物理模型.首先，質點模型是一種極為基礎且廣泛應用的模型，其忽略了物體的大小和形狀，將其視為具有質量的點.這一模型在處理不涉及物體形狀變化和內部應力分布的問題時尤為有效，如兩個小球在光滑水平面上的正碰或斜碰.通過質點模型，學生能夠直觀地理解動量守恒定律在碰撞中的應用，以及碰撞前后的速度變化關系.其次，剛體模型是另一種重要的物理模型，其假設物體在碰撞過程中形狀和大小保持不變，且內部各點間的相對位置不發生變化.這一模型適用于描述那些形變極小或可以忽略不計的碰撞過程，如金屬塊之間的撞擊.剛體模型不僅保留了物體質量分布的信息，還可支持學生分析碰撞時的角動量守恒問題，進一步豐富了碰撞問題的研究維度.

3.2 數學模型

數學模型的核心在于運用動量守恒定律、能量守恒定律等物理規律，結合碰撞系統的初始條件，構建出能夠反映碰撞過程動態變化的數學表達式.這無論是代數方程、微分方程還是其他形式的數學結構，都是學生求解碰撞問題的有效工具.在教學過程中，教師應根據碰撞問題的具體類型，引導學生構建相應的數學模型.例如，在處理一維彈性碰撞問題時，可以構建基于動量守恒和動能守恒的方程組，通過求解該方程組得到碰撞后物體的速度.對于更為復雜的碰撞問題，如涉及多物體、多維空間或非彈性碰撞的情況，數學模型的構建將更加復雜，但也更加有趣和富有挑戰性.教師可以引導學生運用向量分析、微積分等高級數學工具，建立能夠描述碰撞過程中物體位置、速度、加速度等物理量變化的數學模型，幫助學生解決碰撞實驗中具體問題的同時，還能使學生深入理解物理現象的本質和規律[4].

3.3 拓展模型

建構拓展模型能夠幫助學生應對復雜多變的碰撞場景，更加全面、深入地探索碰撞現象的本質，為解決碰撞實驗中的典型問題提供更為豐富和有效的手段.首先，構建三維碰撞模型.在現實世界中，多數碰撞發生在三維空間中，因此，將碰撞問題拓展到三維空間，不僅使模型更加接近實際情況，還能揭示出更多在二維或一維模型中難以觀察到的物理現象.教師應引導學生理解三維空間中的向量運算和動量守恒、角動量守恒等物理規律，構建出能夠描述三維碰撞過程的數學模型，解決諸如球體間非正碰、旋轉物體碰撞等復雜問題，提升學生對三維空間中物理現象的認知能力[5].其次，建構變質量系統.在某些碰撞過程中，系統的質量可能會發生變化，如爆炸、燃燒等過程導致的質量損失或增加，這類問題在航天、軍事等領域具有重要應用價值.教師應引導學生分析變質量系統下的動量守恒和能量守恒關系，構建出能夠描述變質量碰撞過程的模型，幫助學生理解質量變化對碰撞過程的影響.再次，構建微觀粒子碰撞模型.微觀粒子間的碰撞不僅遵循動量守恒和能量守恒等基本物理規律，還受到量子力學、相對論等高級物理理論的影響.教師應引導學生了解微觀粒子碰撞的特點和規律，構建出能夠描述微觀粒子碰撞過程的模型，培養學生的現代物理思維.最后，建構現代技術應用模型.教師應引導學生掌握計算機技術、仿真技術、實驗測量技術等現代技術手段的基本原理和應用方法，如利用計算機仿真軟件進行碰撞模擬實驗、利用高精度測量設備測量碰撞參數，以提高碰撞問題研究的效率和準確性.

4 結束語

綜上所述，文章對高中物理中的碰撞類型及其典型問題進行了探討與分析，并通過科學思維的培養與模型建構的策略，為學生和教師提供了有效的方法.

模型建構能夠豐富學生的知識體系，并為學生提供有效的問題解決工具.未來，隨著科學技術的不斷發展和教學理念的不斷變化，教師應該探索更多有效的教學策略，以進一步提升高中物理教學的質量和效果，為學生的全面發展提供有力的支撐.

參考文獻：

［1］李恒林.深度研究碰撞過程培養科學思維能力[J].物理之友，2023，39（12）：11-14，18.

［2］ 陳衛國.立足模型建構彰顯科學思維[J].數理化學習（高中版），2023（07）：45-46，51.

［3］ 胡壯麗.以“彈性碰撞和完全非彈性碰撞”為例談提升高中生模型建構能力[J].物理教學探討，2020，38（11）：40-44.

［4］ 余莉莉，連彬星.從問題情境出發培養高中物理科學思維能力：以“球槽模型”仿真實驗為例[J].物理通報，2021（07）：63-66.

［5］ 高亞浩，袁財容.重構教材資源，促進學生科學思維發展：以“動量定理”為例[J].物理教學探討，2019，37（11）：65-68.

［責任編輯：李 璟］