《1實(shí)驗(yàn)：探究碰撞中的不變量》教學(xué)設(shè)計(jì)(山西省市級(jí)優(yōu)課)-物理教案

16．1實(shí)驗(yàn)：探究碰撞中的不變量【教學(xué)目標(biāo)】（一）知識(shí)與技能1、明確探究碰撞中的不變量的基本思路．2、掌握同一條直線上運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體碰撞前后的速度的測(cè)量方法．3、掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法．（二）過程與方法1、學(xué)習(xí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，完成某種規(guī)律的探究方法。2、學(xué)習(xí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行猜測(cè)、探究、發(fā)現(xiàn)規(guī)律的探究方法。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀1、通過對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生積極主動(dòng)思考問題的習(xí)慣，并鍛煉其思考的全面性、準(zhǔn)確性與邏輯性。2、通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與處理，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，能使學(xué)生靈活地運(yùn)用科學(xué)方法來研究問題，解決問題，提高創(chuàng)新意識(shí)?！窘虒W(xué)重難點(diǎn)】重點(diǎn)：碰撞中的不變量的探究難點(diǎn)：速度的測(cè)量方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理．【學(xué)法指導(dǎo)】教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，討論、交流學(xué)習(xí)成果?！窘虒W(xué)過程】（一）引入新課課件（投影片）演示：（1）臺(tái)球由于兩球碰撞而改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（不同號(hào)的臺(tái)球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同）。（2）微觀粒子之間由于相互碰撞而改變狀態(tài)，甚至使得一種粒子轉(zhuǎn)化為其他粒子．碰撞是日常生活、生產(chǎn)活動(dòng)中常見的一種現(xiàn)象，兩個(gè)物體發(fā)生碰撞后，速度都發(fā)生變化．例：兩節(jié)火車車廂之間的掛鉤靠碰撞連接。物理學(xué)中研究運(yùn)動(dòng)過程中的守恒量具有特別重要的意義，本節(jié)通過實(shí)驗(yàn)探究碰撞過程中的什么物理量保持不變（守恒）．（二）導(dǎo)學(xué)問題環(huán)節(jié)1．牛頓擺實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)演示實(shí)驗(yàn)1.把最左邊的小鋼球拉起一個(gè)角度，釋放后觀察到什么現(xiàn)象？答：邊上的兩個(gè)小球來回?cái)[動(dòng)，中間的好像沒動(dòng)。實(shí)驗(yàn)2.把最右邊的三個(gè)小球移開，還是把最左邊的小鋼球拉起一個(gè)角度，釋放后觀察到什么現(xiàn)象？答：一個(gè)小球擺到最低點(diǎn)好像速度為0，另一個(gè)小球擺起，兩個(gè)小球循環(huán)往復(fù)來回?cái)[動(dòng)。提出問題：我們看到原來靜止的小球運(yùn)動(dòng)了，它的速度看似等于原來運(yùn)動(dòng)的小球的速度，但究竟是不是呢？與原來相比，其速度到底是變大了？變小了？還是不變？1.2理論分析：用已有知識(shí)解答上述問題問題1.設(shè)左邊小球1質(zhì)量m1，第二個(gè)小球2質(zhì)量m2，兩個(gè)小球在碰撞過程中，之間作用力有什么關(guān)系？答：大小相等方向相反作用在一條直線上，是作用力與反作用力的關(guān)系，F(xiàn)12=-F21......①問題2.對(duì)兩個(gè)小球在碰撞過程中的水平方向使用牛頓第二定律，得到什么？答：m1a1=-m2a2......②問題3.我們要得出速度關(guān)系，怎樣找加速度與速度的關(guān)系？答：小球1在碰撞過程中有：a1=(v1/-v1)/t......③小球2在碰撞過程中有：a2=(v2/-v2)/t......④問題4.得到怎樣的結(jié)果？答：由①-④式得到，m1(v1/-v1)=-m2(v2/-v2),移項(xiàng)后有m1v1+m2v2=m1v1/+m2v2/問題5.小球2獲得的速度與小球1原來相比，其速度到底是變大了？變小了？還是不變？答：小球1碰撞后靜止，故有m1v1/=0；小球2碰前靜止，故有m2v2=0.所以有m1v1=m2v2/，由于兩個(gè)小球質(zhì)量相等，所以v1=v2/，碰后小球1靜止，小球2以小球1碰前的速度運(yùn)動(dòng)。環(huán)節(jié)2.發(fā)現(xiàn)“不變量”思考1.我們的目標(biāo)是尋找碰撞中的守恒量，從上述兩個(gè)小鋼球的碰撞過程中，你覺得不變量是什么？答：系統(tǒng)的mv之和。碰前：m1v1+m2v2；碰后：m1v1/+m2v2/，有m1v1+m2v2=m1v1/+m2v2/。環(huán)節(jié)3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.1實(shí)驗(yàn)裝置：碰撞實(shí)驗(yàn)器、兩個(gè)小球、白紙、復(fù)寫紙、刻度尺、小凳子、固定夾3.2實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證兩個(gè)小球碰撞過程中m1v1+m2v2=m1v1/+m2v2/思考：速度不好測(cè)量，可轉(zhuǎn)化為測(cè)量平拋后的水平距離即m1OB=m1OA+m2OC,為什么？3.3實(shí)驗(yàn)步驟：如圖組裝儀器，桌面依次鋪好白紙、復(fù)寫紙（注意不要移動(dòng)白紙和復(fù)寫紙）.。用重垂線確定好斜槽末端的投影點(diǎn)O。思考：如何保證斜槽末端水平？（2）用天平秤出兩個(gè)小球的質(zhì)量m1、m2(m1>m2)（3）讓m1球從如圖高處靜止滑下，落點(diǎn)B。重復(fù)10次，用最小的圓把落點(diǎn)圈好，圓心就是平均落點(diǎn)。（4）把m2放到斜槽末端，m1球從原高度靜止滑下，碰后m1、m2落點(diǎn)分別為A、C。重復(fù)10次確定平均落點(diǎn)。（5）測(cè)出OB、OA、OC，計(jì)算m1OB和m1OA+m2OC，看在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)是否相等。（6）整理器材。3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)論？“mv”這一物理量的意義？3.5.其他實(shí)驗(yàn)方法有哪些？答：參考一、光電門測(cè)速原理如圖所示，圖中滑塊上紅色部分為擋光板，擋光板有一定的寬度，設(shè)為L．氣墊導(dǎo)軌上黃色框架上安裝有光控開關(guān)，并與計(jì)時(shí)裝置相連，構(gòu)成光電計(jì)時(shí)裝置．當(dāng)擋光板穿入時(shí)，將光擋住開始計(jì)時(shí)，穿過后不再擋光則停止計(jì)時(shí)，設(shè)記錄的時(shí)間為t，則滑塊相當(dāng)于在L的位移上運(yùn)動(dòng)了時(shí)間t，所以滑塊勻速運(yùn)動(dòng)的速度v=L/t．參考案例二―一―擺球測(cè)速原理實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。把兩個(gè)小球用線懸起來，一個(gè)小球靜止，拉起另一個(gè)小球，放下時(shí)它們相碰?？梢詼y(cè)量小球被拉起的角度，從而算出落下時(shí)的速度；測(cè)量被撞小球擺起的角度，從而算出被撞后的速度。也可以用貼膠布等方法增大兩球碰撞時(shí)的能量損失。參考案例三――一打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速原理將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在光滑桌面的一端，把紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，連在小車的后面。讓小車A運(yùn)動(dòng)，小車B靜止。在兩小車的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥，碰撞時(shí)撞針插入橡皮泥中，把兩個(gè)小車連接成一體（如上圖）。通過紙帶測(cè)出它們碰撞前后的速度。參考案例四――一平拋測(cè)速原理實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。把兩塊大小不同的木塊用細(xì)線連接，中間夾一被壓縮了的輕彈簧．將這一系統(tǒng)置于光滑的水平桌面上，燒斷細(xì)線，觀察物體的運(yùn)動(dòng)情況，通過測(cè)量桌高和水平位移，可以算出拋出時(shí)的初速度。參考五、用氣墊導(dǎo)軌作碰撞實(shí)驗(yàn)（如圖所示）（三）.本節(jié)小結(jié)問題1.探究碰撞中守恒量的思路？答：（1）觀察現(xiàn)象，提出問題理論分析實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（4）得出結(jié)論問題2.速度如何測(cè)量？“mv”這一物理量的意義？（四）課堂練習(xí)1.某同學(xué)用圖甲所示裝置通過半徑相同的A、B兩球的碰撞來尋找碰撞中的不變量，圖中PQ是斜槽，QR為水平槽，實(shí)驗(yàn)時(shí)先使A球從斜槽上某一固定位置C由靜止開始滾下，落到位于水平地面的記錄紙上，留下痕跡，重復(fù)上述操作10次，得到10個(gè)落點(diǎn)痕跡，再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方，讓A球仍從位置C由靜止開始滾下，和B球碰撞后，A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點(diǎn)痕跡，重復(fù)這種操作10次，圖中O是水平槽末端口在記錄紙上的垂直投影點(diǎn)，P，為未放被碰小球B時(shí)A球的平均落點(diǎn)，M為與B球碰后A球的平均落點(diǎn)，N為被碰球B的平均落點(diǎn)．若B球落點(diǎn)痕跡如圖乙所示，其中米尺水平放置，且平行于OP，，米尺的零點(diǎn)與O點(diǎn)對(duì)齊．(注意MA>MB)(1)碰撞后B球的水平射程應(yīng)為_______cm(2)在以下選項(xiàng)中，哪些是本次實(shí)驗(yàn)必須進(jìn)行的測(cè)量?答：_________(填選項(xiàng)號(hào))．A．水平槽上未放B球時(shí)，測(cè)量A球落點(diǎn)位置到O點(diǎn)的距離B．A球與B球碰撞后，測(cè)量A球落點(diǎn)位置到O點(diǎn)的距離C．測(cè)量A球或B球的直徑D．測(cè)量A球和B球的質(zhì)量E．測(cè)量G點(diǎn)相對(duì)于水平槽面的高度（五）課后作業(yè)1光滑桌面上有1、2兩個(gè)小球。1球的質(zhì)量為0.3Kg，以8m/s的速度跟質(zhì)量為0.1kg的靜止的2球碰撞，碰撞后2球的速度變?yōu)?m/s，1球的速度變?yōu)?m/s，方向與原來相同。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，以上兩項(xiàng)猜想是否成立：（1）通過計(jì)算說明，碰撞后是否是1球把速度傳給了2球？（2）通過計(jì)算說明，碰撞后是否是1球把動(dòng)能傳給了2球？（3）請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)猜想在這次碰撞中什么物理量不變，通過計(jì)算加以驗(yàn)證。2．水平光滑桌面上有A、B兩個(gè)小車，質(zhì)量分別是0．6kg和0．2kg．A車的車尾拉著紙帶，A車以某一速度與靜止的B車發(fā)生一維碰撞，碰后兩車連在一起共同向前運(yùn)動(dòng)．碰撞前后打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的紙帶如圖所示．根據(jù)這些數(shù)據(jù)，請(qǐng)猜想：把兩小車加在一起計(jì)算，有一個(gè)什么物理量在碰撞前后是相等的?3．在“探究碰撞中的不變量”的實(shí)驗(yàn)中，為了順利地完成實(shí)驗(yàn)，入射球質(zhì)量為m1，被碰球質(zhì)量為m2，二者關(guān)系應(yīng)是()A．m1>m2B．m1=m2C．m1<m2D．以上三個(gè)關(guān)系都可以2兩球相向運(yùn)動(dòng)，發(fā)生正碰，碰撞后兩球均靜止，于是可以斷定，在碰撞以前()A．兩球的質(zhì)量相等B．兩球的速度大小相同C．兩球的質(zhì)量與速度的乘積之和的大小相等D．以上都不能斷定，4．在“探究驗(yàn)證”的實(shí)驗(yàn)一中，若繩長L，球1、2分別由偏角α和β靜止釋放，則在最低點(diǎn)碰撞前的速度大小分別為________、_________。若碰撞后向同一方向運(yùn)動(dòng)最大偏角分別為α，和β，，則碰撞后兩球的瞬時(shí)速度大小分別為___________、______________。5．某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器探究碰撞過程中不變量的實(shí)驗(yàn)：在小車A的前端粘有橡皮泥，推動(dòng)小車A使之做勻速運(yùn)動(dòng)．然后與原來靜止在前方的小車B相碰并粘合成一體，繼續(xù)做勻速運(yùn)動(dòng)，他設(shè)計(jì)的具體裝置如圖所示．在小車A后連著紙帶，電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源頻率為50Hz，長木板下墊著小木片用以平衡摩擦力．(1)若已得到打點(diǎn)紙帶如圖所示，并將測(cè)得的各計(jì)數(shù)點(diǎn)間距離標(biāo)在圖上，A點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)起始的第一點(diǎn)，則應(yīng)選________段來計(jì)算A的碰前速度，應(yīng)選_______段來計(jì)算A和B碰后的共同速度(以上兩格填“AB’’或“BC"或“CD"或"DE”)．(2)已測(cè)得小車A的質(zhì)量m1=0．40kg，小車B的質(zhì)量m2=0．20kg，由以上測(cè)量結(jié)果可得：碰前mAvA+mBvB=_____kg·m／s；碰后mAvA’+mBvB’=______kg·m／s．并比較碰撞前后兩個(gè)小車質(zhì)量與速度的乘積之和是否相等．6．某同學(xué)利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和氣墊導(dǎo)軌做“探究碰撞中的不變量”的實(shí)驗(yàn)；氣墊導(dǎo)軌裝置如圖(a)所示，所用的氣墊導(dǎo)軌裝置由導(dǎo)軌、滑塊、彈射架等組成。在空腔導(dǎo)軌的兩個(gè)工作面上均勻分布著一定數(shù)量的小孔，向?qū)к壙涨粌?nèi)不斷通人壓縮空氣，壓縮空氣會(huì)從小孔中噴出，使滑塊穩(wěn)定地漂浮在導(dǎo)軌上，如圖(b)所示，這樣就大大減小了因滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦而引起的誤差。(1)下面是實(shí)驗(yàn)的主要步驟：①安裝好氣墊導(dǎo)軌，調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)旋鈕，使導(dǎo)軌水平；②向氣墊導(dǎo)軌通人壓縮空氣；③把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在緊靠氣墊導(dǎo)軌左端彈射架的外側(cè)，將紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器越過彈射架并固定在滑塊1的左端，調(diào)節(jié)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的高度，直至滑塊拖著紙帶移動(dòng)時(shí)，紙帶始終在水平方向；④滑塊1擠壓導(dǎo)軌左端彈射架上的橡皮繩；⑤把滑塊2放在氣墊導(dǎo)軌的中間；⑥先____，然后_______，讓滑塊1帶動(dòng)紙帶一起運(yùn)動(dòng)；⑦取下紙帶，重復(fù)步驟④⑤⑥，選出較理想的紙帶如下圖所示：⑧測(cè)得滑塊1(包括撞針)的質(zhì)量為310g，滑塊2(包括橡皮泥)的質(zhì)量為205g；試完善實(shí)驗(yàn)步驟⑥的內(nèi)容。(2)已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每隔0．02s打一個(gè)點(diǎn)，計(jì)算可知，兩滑塊相互作用前質(zhì)量與速度的乘積之和為kg·m／s；兩滑塊相互作用以后質(zhì)量與速度的乘積之和為______kg·m／s(保留三位有效數(shù)字)。(3)試說明(2)問中兩結(jié)果不完全相等的主要原因是___________________________。