《實驗探究碰撞中的不變量》教學設(shè)計

1、實驗：探究碰撞中的不變量教學設(shè)計浙江省寧波市鎮(zhèn)海區(qū)中興中學物理組呂征【設(shè)計思想 】1設(shè)計思想：新教科書關(guān)于動量的教學，與過去相比變化很大。突出了兩點：體現(xiàn)學習中的探究精神；強調(diào)物理學中“不變量”的思想。編者的邏輯線索與特級教師黃國龍新課程背景下物理探究教學模式理論一脈相承?；趯W習并體會“科學探究”與“實驗探究”這兩種教學模式相結(jié)合的實踐活動。通過實驗情境從特殊到一般化探究，讓學生體驗碰撞中不變量的猜想認知過程；讓學生在實驗探究引導和實踐中收獲“不變量的猜想”成果，體驗學習探究過程，了解碰撞前后物塊速度的獲得方法，發(fā)展對學科的興趣與熱情，培養(yǎng)實驗探究能力和交流協(xié)作能力。2設(shè)計元素：嘗試改造實驗

2、案例二運用于引導探究式實驗教學，改進了實驗教材書中學生定量探究實驗的數(shù)據(jù)記錄方法。【教材分析 】課標學科教學指導意見對本課教學內(nèi)容的要求?；疽螅翰孪雰蓚€物體碰撞前、后可能保持不變的物理量，寫出相應的表達式。知道碰撞的不同類型，知道一維碰撞的實驗方法。會設(shè)計比較完整的實驗方案，知道實驗需測的物理量和所需器材。知道質(zhì)量改變的方法，會測量物塊（小球）的質(zhì)量。知道物塊（小球）碰撞前、后速度的測量方法。知道使兩個碰撞物塊粘連在一起運動的操作方示。能合理安排操作步驟。能設(shè)計實驗記錄表，并記錄數(shù)據(jù)。分析實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論。發(fā)展要求：理解物塊彈開的情形也相當于碰撞。了解實驗誤差產(chǎn)生的原因，知道平衡摩擦

3、力的方法。選修 3-5動量守恒定律與原必修加選修動量安排完全不一樣， “動量”概念的引入與過去也不同。教學中如何引入動量概念并對動量概念的教學是需要研究的一個問題。原教材通過具體碰撞實例，得出，直接引入動量和沖量概念。教師一般也受束縛于此，常常設(shè)法通過學生生活中的經(jīng)驗和生動的實驗得出： “力的作用效果”與質(zhì)量有關(guān)，與速度有關(guān)。質(zhì)量和速度乘積越大，作用效果越明顯。揭示動量的概念正是描述“力的作用效果”的物理量。達到學生方便、快速理解動量概念的目的。而新教材顯然不僅關(guān)注的定義，而是更關(guān)注遵循科學史的發(fā)展軌跡，在碰撞中的追尋“不變量”的實驗基礎(chǔ)上，由碰撞前后的矢量保持不變引出“動量”的概念過程。在認

4、知邏輯上表明了“動量”的來龍去脈，從而讓學生不易機械的認為物理概念，定義等好像是物理學家天才般拼湊出來的。教學在注重知識技能目標的同時，更關(guān)注物理科學的過程，科學態(tài)度和科學價值觀的本身?！笆睾恪辈坏恕安蛔儭保野睾銞l件和討論守恒的必要性。新課程教學用書一再強調(diào)“不變量”并不是“守恒量”。不變是指狀態(tài)值的大小，守恒是指變化的過程。“不變”僅僅只是“守恒”中數(shù)量關(guān)系的一種表達，并不能作為“守恒”的等效表述。 “保持不變”才意味“守恒”過程，而要在課堂教學的碰撞實驗過程中去讓學生追尋“始終的不變量”是不現(xiàn)實，也是沒有必要的。所以指導用書意以新的觀點追尋“不變量”的過程，而不是追尋“保持

5、不變量”的過程?？梢钥闯觯谛陆炭茣?，動量守恒定律不再是牛頓定律演繹的結(jié)果。學生通過教師的實驗引導和自己的實驗體驗，發(fā)現(xiàn)物體碰撞過程中的確存在某個不變的物理量。盡管這個想法是朦朧的，但卻是非常珍貴的，這是探究精神的體現(xiàn)，是科學方法的教育。教師要體會教材中力圖通過學校實驗室這個小小的天地讓學生體會科學的探究性和探究中的不確定性，使學生對科學的本質(zhì)的認識能夠稍稍深入一些，教師應為此付出努力?！緦W情分析 】通過前面模塊的學習，學生已經(jīng)知道物體通過相互作用而產(chǎn)生的運動類型，物理研究方法和遵循的一般規(guī)律；學生也已經(jīng)具備了初步的實驗設(shè)計能力和實驗操作技能；學生對物體通過碰撞這種相互作用從而產(chǎn)生的運動類型

6、也有生活感性認知，并且在必修 2 中“機械能及其守恒定律”一章中有過類似的探究經(jīng)歷和體驗。學生可能遇到的困難：碰撞情境的一維化實驗案例比較簡單，設(shè)計和操作也較泛談化。使得學生的追尋“不變量”思維的落腳點很抽象。碰撞中的“不變量”的追尋是學生陌生的，并且又是一個矢量，不像追尋“機械能及其守恒定律”中動能，勢能轉(zhuǎn)化中機械能守恒學生有基礎(chǔ)，并且是標量。學生對一維實驗的碰撞情境的基本認知一般是碰撞前后的速度大小之和不變，或碰撞前后的速度存在某種數(shù)學關(guān)系。沒有這樣的邏輯遞進過程，提出物體的質(zhì)量與各自速度的乘積是不是不變量的猜想？是比較困難的，而且很唐突，容易進入驗證性實驗的教學循環(huán)。學生設(shè)計用實驗方法測

7、量碰撞前后物體的速度時會遇到大的困難，設(shè)計不出。學生需要的學習策略：教師設(shè)計由淺入深，設(shè)計符合學生認知水平的邏輯猜想臺階和必要情境數(shù)據(jù)，并創(chuàng)設(shè)悖論實驗情景，讓學生進行總結(jié)反思和實驗探索。分組不同實驗情境實驗類比和歸納?！窘虒W目標 】一、知識與技能1知道碰撞有不同類型，知道一維碰撞的實驗方法選擇。2知道質(zhì)量改變的方法，會測量物體的質(zhì)量。3會猜想兩個物體碰撞前后可能不變的物理量。4知道物塊碰撞前后速度的測量方法。5知道兩個原來連在一起的物體相互作用而分開也是一種碰撞。6會選擇實驗方案，安排操作步驟，知道實驗所需物理量的測量和器材操作。7知道實驗數(shù)據(jù)的記錄，合理分析實驗數(shù)據(jù)與猜想相結(jié)合，并得出結(jié)論。

8、二、過程與方法1培養(yǎng)學生猜想能力，合理選擇實驗方案和熟練操作的能力。2理解物塊速度測量的轉(zhuǎn)換替代思想是常用方法，會用轉(zhuǎn)換方法測碰前，碰后的速度。3經(jīng)歷實驗探究過程，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，讓學生認識到科學探究的意義；三、態(tài)度情感與價值觀1運用實驗方法探究一維碰撞中存在的不變量，體驗到物理學習的科學價值。2通過科學探究教學培養(yǎng)學生的科學探究興趣和熱情。體驗到探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅；培養(yǎng)學生主動與他人合作的精神?！局攸c難點 】重點： 1猜想兩個物體碰撞前、后保持不變的物理量可能的表達形式2如何合理測量物塊碰撞前后的速度？難點： 1如何創(chuàng)設(shè)從特殊到一般實驗情境讓學生能夠猜想兩個物體碰撞前、后保持不變的物理量表達

9、形式。2運用轉(zhuǎn)換替代思想測量碰撞前后物塊的速度。【教學方法和教學手段】1教學方法：運用物理“科學探究”和“實驗探究”相結(jié)合的教學模式實施教學。2教學手段：演示實驗引導、分組定量實驗相結(jié)合，多媒體輔助?！菊n前準備 】1深入體會特級教師黃國龍著作新課程背景下中學物理探究教學模式構(gòu)建和策略探討2學習人民教育出版社物理室苗元秀老師“課程標準高中物理教科書（人教版） 選修 3-5編寫思想”一文。3教學環(huán)境：物理實驗室，將準備好的分組實驗器材先放置于學生桌下。4教學用具：演示視頻，自制半定量研究一維碰撞實驗裝置，特大號象棋四個（配重后質(zhì)量相等），用光具座紙盒子填細沙長槽，多媒體課件?！窘虒W過程 】1關(guān)注自

10、然，觀察實踐，提出探究問題情境。觀察視頻圖像 日常自然現(xiàn)象和社會生活中的各種碰撞現(xiàn)象：1汽車相撞； 2體育項目臺球比賽； 3天體星體碰撞； 4微觀粒子碰撞 （強子對撞機宇宙大爆炸試驗模擬動畫） ；5實驗室碰撞球等。課堂互動演示 ：學生觀察如圖所示的碰撞球現(xiàn)象。這個實驗一上來就能吸引學生眼球。分別拉起1 個，2個，3 個，4 個放開后讓其相碰撞，觀察碰撞前后的對稱運動現(xiàn)象?？梢宰寣W生用自已的物理語言來描述以上現(xiàn)象。學生會提出運動小球的速度，運動小球的動能，運動小球的高度，運動小球的能量可能不變的想法。引入新課： 揭示自然生活中的各種碰撞現(xiàn)象的普遍性。學習和探究并且發(fā)現(xiàn)這類碰撞中蘊涵的物理規(guī)律是很

11、具有科學價值和社會意義的。（1）從實際碰撞到一維碰撞，簡化研究模型。師生對話 與實際碰撞現(xiàn)象相比較，一維碰撞是簡單的，基本的。1一維碰撞：兩個物體碰撞前沿同一直線運動，碰撞后仍沿這條直線運動。（ 2）利用對比實驗，結(jié)合物理學的研究方法，揭示碰撞中運動狀態(tài)變化的特點，提出猜想課題對比性實驗 師生對話 通過對比實驗發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)象 1：質(zhì)量相等的A、B 球（ mA=mB）， B 球靜止，拉起A球，放開后 A與 B碰撞， A 球靜止， B 球差不多以 A 球的速度擺起，擺到與A 初時等高。現(xiàn)象 2：質(zhì)量不等的A、B 球（ mA>mB），B 球靜止，拉起A 球，放開后 A 與 B 碰撞， A，B球以不

12、同速度擺起。現(xiàn)象 3：乒乓球 A 與鐵球 B 球（ mA<mB）， B 球靜止，拉起乒乓球A，放開后 A 與 B 碰撞，乒乓球 A 差不多以等速反彈擺起， B 球仍靜止。提出問題兩個物體碰撞前后速度都發(fā)生變化，變化的情況卻又各不相同。現(xiàn)象1、現(xiàn)象3 提示我們碰撞前后有什么物理量保持不變？現(xiàn)象2 更加一般性， 是否也具有共同的 “不變量”呢？分析討論 學生可能提出運動小球的速度，運動小球的動能，運動小球的高度，運動小球的能量保持不變。教師運用感性實驗現(xiàn)象引導學生由感性到理性的思考，關(guān)注碰撞問題所表現(xiàn)出的物體運動狀態(tài)的改變。并能結(jié)合學生的認知邏輯水平，引導學生提出合理的猜想。2靈活優(yōu)化，充分

13、結(jié)合運用物理“實驗探究”和“科學探究”教學模式開展教學（ 1）創(chuàng)設(shè)感性實驗猜想情景，引導學生進行猜想引導猜想 碰撞前后物體質(zhì)量是不變的。顯然并不是我們追尋的“不變量”。根據(jù)猜想的一般原理由簡單到復雜，由單一到多樣，由數(shù)學表達語言對稱和諧出發(fā)。一個物體的速度在碰撞前后是變化的，二個物體的速度之和在碰撞前后是不是不變呢？即：實驗驗證 引導性提問：猜想“不變量”表達中與碰撞物體的質(zhì)量可能無關(guān)出發(fā)，符合猜想的一般原理由簡單到復雜，由單一到多樣，符合科學語言對稱和諧美。如何改進對比實驗情境 設(shè)計定量實驗來驗證猜想？分析討論：實驗中如何保證碰撞是一維的？怎樣測量兩個物體的碰撞前后速度？學生得出：由轉(zhuǎn)換測量

14、A， B 物塊碰撞前后的擺起的高度，計算碰撞前后物塊的速度。 即：教師提出這個引導問題，是發(fā)揮教師的主導作用，引導研究方法，有利于探究過程的體現(xiàn)，避免課堂探究教學轉(zhuǎn)變?yōu)轵炞C性實驗。實驗方案的設(shè)計注重基礎(chǔ)性，繼承性和遷移性，避免學生實驗設(shè)計的形式化。實驗設(shè)計 ：（參考案例二學生提出、交流完善，確定設(shè)計；改進的裝置如圖所示。）說明：遷移和繼承引課實驗的情境，用生活化的素材參與設(shè)計，體現(xiàn)碰撞的一般性和情趣性，激發(fā)學生實驗探究的動機和創(chuàng)造性思維的火花。單線擺不穩(wěn)定，對心碰撞困難。用光滑圖板限定和大號象棋可以保證碰撞的一維性，通過對象棋配重可以容易改變質(zhì)量大小。實驗操作 1：說明：通過貼金屬片（ 1 元

15、硬幣）或打孔 填鐵砂 方法制成兩個質(zhì)量相近的大號象棋?？刂茥l件（ mA =mB 248g v2=0）用天平測量。將 A 拉起 h1 后釋放， B 豎直靜止懸掛。A 擺下和 B 發(fā)生碰撞。用“逐次逼近法”確定A，B 上升的最高位置：先用目測確定擺上升的最高位置，做出標記，然后再重復碰撞幾次，逐次修正出準確位置。從圖紙上測量出的數(shù)值。h1 ， h1 ， h2數(shù)據(jù)記錄： mA =mB 248 g由得：碰撞前碰撞后hvhvvh12h12v12120012v1+v2v +v分析討論 ：猜想成立嗎？如果成立，是否具有普通性呢？從特殊到一般引導學生理解科學實驗規(guī)律的一般性原理。實驗操作2 ：說明：改變A，

16、B 物體的質(zhì)量關(guān)系。通過貼金屬片（1 元硬幣）或打孔填鐵砂 方法制成兩個質(zhì)量相近兩倍的大號象棋。控制條件（mA =500gmB=24 8g v2=01個 1 元硬幣質(zhì)量6 0g）數(shù)據(jù)記錄：（mA =50 0gmB=248gv2=0）碰撞前碰撞后1v12v2h1v1h 2v2hh00v1 +v2v1+v2分析討論 ：猜想并不是普通成立。 二個物體的速度之和不是“不變量” 。在 A，B 碰撞中，兩物體的速度碰撞前后是變化的，發(fā)現(xiàn)二個物體的速度之和與碰撞物體的質(zhì)量是有關(guān)的。質(zhì)量是不變的，但碰撞物體的質(zhì)量大小卻會影響碰撞前后的運動狀態(tài)。證偽了猜想后又如何修正猜想呢？猜想的表達式中可能包含m 量。（2）

17、鋪設(shè)證偽實驗情景，引導學生進行猜想。引導修正，提升猜想 由引導實驗的觀察和以上證偽過程，由運動小球的能量可能保持不變猜想：二個物體各自質(zhì)量與自己的速度平方乘積之和碰撞前后是不是不變呢？即：分析討論 ：由：并應用 實驗操作1： 實驗操作2：的數(shù)據(jù)記錄?？梢园l(fā)現(xiàn)只要驗證：是否成立？碰撞前碰撞后h1h2h1h 201 1m1h1+m2h2m h學生：猜想成立嗎？如果成立，是否具有普通性呢？從特殊到一般繼續(xù)引導學生理解科學實驗規(guī)律的一般性原理。實驗操作3：說明：通過在象棋相碰的側(cè)面貼上強性的雙面膠，=mB 24 8gv2=0）如圖所示。 控制條件（ mA將 A 拉起 h1 后釋放， A 擺下和 B 發(fā)

18、生碰撞。使A、B 相碰后粘合在一起向上擺。用“逐次逼近法”確定A， B 上升的最高位置，測出的數(shù)值。數(shù)據(jù)記錄：mA =mBh1 ， h 1 ， h224 8g碰撞前碰撞后hh2h110m h（ m+m ） h11121分析討論 ：發(fā)現(xiàn)當 A、B 碰撞前后如果是分離的情況能量損耗較小，而A、B 碰撞后粘合成一起，這樣的相碰撞過程中能量明顯有較大的損耗。那么碰撞前后的動能也并不是要追尋的“不變量” 。通過在前面的1， 2，3 實驗操作中，引導學生由簡單到復雜，由熟悉到繼承，由關(guān)聯(lián)到創(chuàng)新。已經(jīng)猜想證偽了，后來發(fā)現(xiàn)碰撞中的運動狀態(tài)改變與質(zhì)量是有關(guān)的，又證偽了。修正提升猜想 那么，兩個物體各自的質(zhì)量與自

19、己的速度的乘積之和是不是“不變量” 呢？即：說明：學生對碰撞問題既熟悉又陌生，要求學生直接猜想是困難的，要設(shè)計符合學生認知水平的猜想情境和臺階環(huán)節(jié)是必要的。再進行針對性強的引導，在猜想環(huán)節(jié)設(shè)置演示實驗（有一定半定量性質(zhì)的） ，學生熟悉并操作簡潔，數(shù)據(jù)處理方法創(chuàng)新的實驗情境中（而不是復雜的實驗測量裝置如氣墊導軌，光電門等）發(fā)揮教師的主導作用。再給定器材的實驗，設(shè)計方向明確，可以降低難度。也容易讓學生理解猜想的理性思考，從而實現(xiàn)過程探究的教學過程。實驗操作和討論整合：結(jié)合實驗操作1、 2、 3 三次實驗數(shù)據(jù)記錄環(huán)節(jié) 分析討論 ：發(fā)現(xiàn)當 A、B 碰撞前后是分離的還是A、 B 碰撞后粘合成一起的，A、

20、 B 質(zhì)量相等的還是A、B 質(zhì)量不相等的。在師生互動協(xié)作過程中初步驗證猜想。是否具有普通性呢？從特殊到一般繼續(xù)引導學生理解科學實驗規(guī)律的一般性原理。在學生進行分組實驗之前，繼續(xù)創(chuàng)設(shè)悖論實驗情景，鋪設(shè)“不變量”矢量性內(nèi)涵。（3）創(chuàng)設(shè)悖論實驗情景，鋪設(shè)“不變量”矢量性的內(nèi)涵。新的問題情境 ：在對比實驗中乒乓球A 擺起后，碰撞原來靜止的鐵球B，我們發(fā)現(xiàn)乒乓球 A 反方向彈回來，鐵球 B 幾乎保持靜止。一個小質(zhì)量的物塊去碰撞一個大質(zhì)量的物塊會發(fā)生反方向彈回的現(xiàn)象。這也是一種碰撞現(xiàn)象，在這種碰撞現(xiàn)象中兩個物體各自的質(zhì)量與自己速度的乘積之和是不是“不變量”呢？即：仍成立嗎？實驗操作4：控制條件mA=248

21、gB2m 50 0gv =0碰撞前碰撞后h1v1h2v2h1v1h 2v200+分析討論 ：我們發(fā)現(xiàn)，實驗數(shù)據(jù)的正值代入，對于上述過程碰撞前后和+ 并不相同。這是為什么呢？這里創(chuàng)設(shè)一個悖論實驗現(xiàn)象，為理解這個“不變量”的矢量性作一個鋪墊。滲透科學史教育，理解“不變量”的矢量性 笛卡爾被這一問題也難住了很長一段時間，直到被荷蘭物理學家惠更斯解決。在牛頓所著的自然哲學的數(shù)學原理一書中這樣描述：推論：由指向同一方向的運動的和。以及由相反方向的運動的差。所得的運動的量，在物體間相互作用中保持不變?！币龑W生發(fā)現(xiàn)如果引入方向的正負性的話，與具有相等性的特征。（4）進行分組實驗實踐將學生分成 3 大組，每種方案都安排 6 個小組進行實驗，拿出事先準備好的儀器，學生進行實驗。實驗主要器材如下。說明：如圖甲原裝置水平要鋪設(shè)白紙和復寫紙，關(guān)鍵是碰撞小球要反復彈跳，落點不清晰，影響集體實驗效率和精度。改變?yōu)橛霉饩咦埡凶犹罴毶抽L槽來替代。小球一落就陷下細沙里，落點單一清晰準確，非常利于測量。而且小球在實驗室里也不會到處亂滾。這個填細沙長槽還可以用于如圖丙的“爆炸類”碰撞的實驗，實驗簡便，效果也是非常突出的。探究結(jié)論小結(jié)提高碰撞中的 “不變量” 是：兩個物體各自的質(zhì)量與自己速度的乘積之和。即：并且 碰撞中的“不變量”mv 具