高中物理 选修3-5

选修3-5 第十六章 动量守恒定律 实验：探究碰撞中的不变量 【设计思想】 1．设计思想：新教科书关于动量的教学，与过去相比变化很大。突出了两点：体现学习中的探究精神；强调物理学中“不变量”的思想。编者的逻辑线索与特级教师黄国龙《新课程背景下物理探究教学模式理论》一脉相承。基于学习并体会“科学探究”与“实验探究”这两种教学模式相结合的实践活动。通过实验情境从特殊到一般化探究，让学生体验碰撞中不变量的猜想认知过程；让学生在实验探究引导和实践中收获“不变量的猜想”成果，体验学习探究过程，了解碰撞前后物块速度的获得方法，发展对学科的兴趣与热情，培养实验探究能力和交流协作能力。 2．设计元素：尝试改造实验案例二运用于引导探究式实验教学，改进了实验教材书中学生定量探究实验的数据记录方法。 【教材分析】 《课标》《学科教学指导意见》对本课教学内容的要求。 基本要求：①猜想两个物体碰撞前、后可能保持不变的物理量，写出相应的表达式。②知道碰撞的不同类型，知道一维碰撞的实验方法。③会设计比较完整的实验方案，知道实验需测的物理量和所需器材。④知道质量改变的方法，会测量物块（小球）的质量。⑤知道物块（小球）碰撞前、后速度的测量方法。⑥知道使两个碰撞物块粘连在一起运动的操作方示。能合理安排操作步骤。能设计实验记录表，并记录数据。分析实验数据，得出实验结论。 发展要求：①理解物块弹开的情形也相当于碰撞。②了解实验误差产生的原因，知道平衡摩擦力的方法。 选修3-5《动量守恒定律》与原必修加选修《动量》安排完全不一样，“动量”概念的引入与过去也不同。教学中如何引入动量概念并对动量概念的教学是需要研究的一个问题。

原教材通过具体碰撞实例，得出，直接引入动量和冲量概念。教师一般也受束缚于此，常常设法通过学生生活中的经验和生动的实验得出：“力的作用效果”与质量有关，与速度有关。质量和速度乘积越大，作用效果越明显。揭示动量的概念正是描述“力的作用效

果”的物理量。达到学生方便、快速理解动量概念的目的。而新教材显然不仅关注的定义，而是更关注遵循科学史的发展轨迹，在碰撞中的追寻“不变量”的实验基础上，由碰撞前后的矢量保持不变引出“动量”的概念过程。在认知逻辑上表明了“动量”的来龙去脉，从而让学生不易机械的认为物理概念，定义等好像是物理学家天才般拼凑出来的。教学在注重知识技能目标的同时，更关注物理科学的过程，科学态度和科学价值观的本身。 “守恒”不但包含了“不变”，而且包含着守恒条件和讨论守恒的必要性。新课程教学用书一再强调“不变量”并不是“守恒量”。不变是指状态值的大小，守恒是指变化的过程。“不变”仅仅只是“守恒”中数量关系的一种表达，并不能作为“守恒”的等效表述。“保持不变”才意味“守恒”过程，而要在课堂教学的碰撞实验过程中去让学生追寻“始终的不变量”是不现实，也是没有必要的。所以指导用书意以新的观点追寻“不变量”的过程，而不是追寻“保持不变量”的过程。 可以看出，在新教科书中，动量守恒定律不再是牛顿定律演绎的结果。学生通过教师的实验引导和自己的实验体验，发现物体碰撞过程中的确存在某个不变的物理量。尽管这个想法是朦胧的，但却是非常珍贵的，这是探究精神的体现，是科学方法的教育。 教师要体会教材中力图通过学校实验室这个小小的天地让学生体会科学的探究性和探究中的不确定性，使学生对科学的本质的认识能够稍稍深入一些，教师应为此付出努力。 【学情分析】 ①通过前面模块的学习，学生已经知道物体通过相互作用而产生的运动类型，物理研究方法和遵循的一般规律；学生也已经具备了初步的实验设计能力和实验操作技能；学生对物体通过碰撞这种相互作用从而产生的运动类型也有生活感性认知，并且在必修2中“机械能及其守恒定律”一章中有过类似的探究经历和体验。 ②学生可能遇到的困难：碰撞情境的一维化实验案例比较简单，设计和操作也较泛谈化。使得学生的追寻“不变量”思维的落脚点很抽象。碰撞中的“不变量”的追寻是学生陌生的，

并且又是一个矢量，不像追寻“机械能及其守恒定律”中动能，势能转化中机械能守恒学生有基础，并且是标量。 ③学生对一维实验的碰撞情境的基本认知一般是碰撞前后的速度大小之和不变，或碰撞前后的速度存在某种数学关系。没有这样的逻辑递进过程，提出物体的质量与各自速度的乘积是不是不变量的猜想？是比较困难的，而且很唐突，容易进入验证性实验的教学循环。 ④学生设计用实验方法测量碰撞前后物体的速度时会遇到大的困难，设计不出。 ⑤学生需要的学习策略：教师设计由浅入深，设计符合学生认知水平的逻辑猜想台阶和必要情境数据，并创设悖论实验情景，让学生进行总结反思和实验探索。分组不同实验情境实验类比和归纳。 【教学目标】 一、知识与技能 1．知道碰撞有不同类型，知道一维碰撞的实验方法选择。 2．知道质量改变的方法，会测量物体的质量。 3．会猜想两个物体碰撞前后可能不变的物理量。 4．知道物块碰撞前后速度的测量方法。 5．知道两个原来连在一起的物体相互作用而分开也是一种碰撞。 6．会选择实验方案，安排操作步骤，知道实验所需物理量的测量和器材操作。 7．知道实验数据的记录，合理分析实验数据与猜想相结合，并得出结论。 二、过程与方法 1．培养学生猜想能力，合理选择实验方案和熟练操作的能力。 2．理解物块速度测量的转换替代思想是常用方法，会用转换方法测碰前，碰后的速度。 3．经历实验探究过程，发现规律，让学生认识到科学探究的意义； 三、态度情感与价值观 1．运用实验方法探究一维碰撞中存在的不变量，体验到物理学习的科学价值。 2．通过科学探究教学培养学生的科学探究兴趣和热情。体验到探索自然规律的艰辛与喜悦；培养学生主动与他人合作的精神。 【重点难点】 重点：1．猜想两个物体碰撞前、后保持不变的物理量可能的表达形式 2．如何合理测量物块碰撞前后的速度？ 难点：1．如何创设从特殊到一般实验情境让学生能够猜想两个物体碰撞前、后保持不变的物理量表达形式。 2．运用转换替代思想测量碰撞前后物块的速度。 【教学方法和教学手段】 1．教学方法：运用物理“科学探究”和“实验探究”相结合的教学模式实施教学。 2．教学手段：演示实验引导、分组定量实验相结合，多媒体辅助。 【课前准备】 1．深入体会特级教师黄国龙著作《新课程背景下中学物理探究教学模式构建和策略探讨》 2．学习人民教育出版社物理室苗元秀老师“课程标准高中物理教科书（人教版）选修3-5编写思想”一文。 3．教学环境：物理实验室，将准备好的分组实验器材先放置于学生桌下。 4．教学用具：演示视频，自制半定量研究一维碰撞实验装置，特大号象棋四个（配重后质量相等），用光具座纸盒子填细沙长槽，多媒体课件。 【教学过程】

1．关注自然，观察实践，提出探究问题情境。 [观察视频图像]日常自然现象和社会生活中的各种碰撞现象：1．汽车相撞；2．体育项目台球比赛；3．天体星体碰撞；4．微观粒子碰撞（强子对撞机宇宙大爆炸试验模拟动画）；5．实验室碰撞球等。

[课堂互动演示]：学生观察如图所示的碰撞球现象。

这个实验一上来就能吸引学生眼球。分别拉起1个，2个，3个，4个放开后让其相碰撞，观察碰撞前后的对称运动现象。可以让学生用自已的物理语言来描述以上现象。学生会提出运动小球的速度，运动小球的动能，运动小球的高度，运动小球的能量可能不变的想法。

引入新课：揭示自然生活中的各种碰撞现象的普遍性。学习和探究并且发现这类碰撞中蕴涵的物理规律是很具有科学价值和社会意义的。 （1）从实际碰撞到一维碰撞，简化研究模型。 [师生对话]与实际碰撞现象相比较，一维碰撞是简单的，基本的。 1．一维碰撞：两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿这条直线运动。 （2）利用对比实验，结合物理学的研究方法，揭示碰撞中运动状态变化的特点，提出猜想课题 [对比性实验]

[师生对话] 通过对比实验发现： 现象1：质量相等的A、B球（mA=mB），B球静止，拉起A球，放开后A与B碰撞，A球静止，B球差不多以A球的速度摆起，摆到与A初时等高。 现象2：质量不等的A、B球（mA>mB），B球静止，拉起A球，放开后A与B碰撞，A，B球以不同速度摆起。 现象3：乒乓球A与铁球B球（mA碰撞，乒乓球A差不多以等速反弹摆起，B球仍静止。 [提出问题]两个物体碰撞前后速度都发生变化，变化的情况却又各不相同。现象1、现象3提示我们碰撞前后有什么物理量保持不变？现象2更加一般性，是否也具有共同的“不变量”呢？ [分析讨论]学生可能提出运动小球的速度，运动小球的动能，运动小球的高度，运动小球的能量保持不变。教师运用感性实验现象引导学生由感性到理性的思考，关注碰撞问题所表现出的物体运动状态的改变。并能结合学生的认知逻辑水平，引导学生提出合理的猜想。 2．灵活优化，充分结合运用物理“实验探究”和“科学探究”教学模式开展教学 （1）创设感性实验猜想情景，引导学生进行猜想 [引导猜想] 碰撞前后物体质量是不变的。显然并不是我们追寻的“不变量”。根据猜想的一般原理由简单到复杂，由单一到多样，由数学表达语言对称和谐出发。一个物体的速度在碰撞前后是变化的，二个物体的速度之和在碰撞前后是不是不变呢？

即： [实验验证] 引导性提问：猜想“不变量”表达中与碰撞物体的质量可能无关出发，符合猜想的一般原理由简单到复杂，由单一到多样，符合科学语言对称和谐美。如何改进对比实验情境→设计定量实验来验证猜想？