汪小明 魯小東

(深圳市寶安第一外國語學校 廣東 深圳 518128) (深圳市第二實驗學校 廣東 深圳 518021)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》的基本理念強調(diào)，高中物理課程注重體現(xiàn)物理學科的本質(zhì)，著力培養(yǎng)學生的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任等核心素養(yǎng)，突出物理學科的育人價值[1]．根據(jù)新高考改革精神，《課程標準》將會成為新高考命制試題的依據(jù)．在高考改革的背景下，如何高效地開展高三物理復習課教學，培養(yǎng)學生物理學科的核心素養(yǎng)？本文以“碰撞中動量守恒定律的應(yīng)用”為例，探討核心素養(yǎng)理念下高三物理一輪復習課的教學．

1 實驗引入重演物理概念的形成過程

演示實驗：籃球與網(wǎng)球的“彈弓效應(yīng)”．讓籃球與網(wǎng)球同時下落，如圖1所示．觀察落地后兩球的運動情況．

圖1 演示籃球與網(wǎng)球的“彈弓效應(yīng)”

師：為什么網(wǎng)球反彈后上升的高度更高？

生：因為籃球落地后反彈，再與網(wǎng)球發(fā)生碰撞，網(wǎng)球獲得了更大能量和動量．

視頻展示：生活中物體發(fā)生碰撞的視頻．

師：除了宏觀世界的碰撞外，微觀世界的碰撞也在科學技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮著重大作用．

舉例1：中子的發(fā)現(xiàn)，如圖2所示．1932年英國物理學家查德威克用α粒子轟擊鈹原子，產(chǎn)生了一種看不見的粒子，后來被證實是中子．

圖2 中子的發(fā)現(xiàn)實驗示意圖

舉例2：中子減速劑，如圖3所示．在利用核能發(fā)電的過程中，中子與石墨、重水發(fā)生碰撞．

圖3 中子作為減速劑

舉例3：大型強子對撞機，如圖4所示．帶電粒子被加速到很高的能量后轟擊靶核，用以發(fā)現(xiàn)新的粒子．

實際生活中的碰撞現(xiàn)象往往能產(chǎn)生強烈的視覺沖擊效果，而微觀粒子的碰撞往往對應(yīng)科技的應(yīng)用和發(fā)展，從這兩個層面舉例，能讓學生對碰撞概念有更全面的理解．

設(shè)計意圖：教師通過宏觀世界的碰撞和微觀世界的碰撞舉例，引導學生體會碰撞的物理含義，再次認識碰撞的特點，重演了物理概念的形成過程．既激發(fā)了學生的學習熱情，開拓了學生的視野，同時也為后面引出2014年高考全國卷試題埋下伏筆．

2 碰撞分類體驗科學思維過程

2.1 從碰撞的速度方向分類

對心碰撞——正碰：碰前、碰后運動速度與兩球心連線處于同一直線上，如圖5所示．

圖5 對心碰撞

非對心碰撞——斜碰：碰前、碰后運動速度與兩球心連線不在同一直線上，如圖6所示．

圖6 非對心碰撞

教師通過圖片將碰撞按照速度方向進行分類，形象地闡釋了正碰與斜碰兩個物理概念，學生用運動的觀念來觀察碰撞現(xiàn)象，并指明高中階段只研究一維的碰撞——正碰．

2.2 從能量變化的角度分類

彈性碰撞：碰撞過程中動量守恒，機械能守恒.

非彈性碰撞：碰撞過程中動量守恒，機械能不守恒.

特殊情況——完全非彈性碰撞：碰撞后兩物體粘合在一起，以共同的速度運動．這種情況動量守恒，損失的機械能最大．

教師組織學生對碰撞中的能量變化進行分類討論，讓學生學會用能量的觀念區(qū)分兩種不同的碰撞模型，加深學生對碰撞概念的理解．

師：為了能夠更清晰地理解碰撞過程中能量與形變量的演變，下面通過一組“慢鏡頭”來展現(xiàn)碰撞的具體過程，如圖7所示.

圖7 碰撞過程中能量與形變量的演變

兩個小球在光滑水平面上發(fā)生碰撞，分別產(chǎn)生了3種不同情況的碰撞結(jié)果，對應(yīng)的結(jié)果分別為狀態(tài)3，狀態(tài)4和狀態(tài)5．

師：若碰撞后狀態(tài)5對應(yīng)的是無機械能損失，則屬于什么碰撞模型？

生：彈性碰撞.

師：若碰撞后狀態(tài)4對應(yīng)的是碰后分開運動，且有一部分機械能損失，則屬于什么碰撞模型？

生：非彈性碰撞.

師：若碰后末狀態(tài)3對應(yīng)的是兩小球粘合在一起運動，則屬于什么碰撞？

生：完全非彈性碰撞.

教師通過動態(tài)場景圖將碰撞過程進行慢鏡頭演示，引導學生對不同狀態(tài)進行分析討論，在直觀地對比圖示中加深了對碰撞過程和碰撞模型的理解．

設(shè)計意圖：在教師的指導下，讓學生去感觸物理知識的發(fā)生原因，經(jīng)歷物理知識的形成過程，使物理學習成為學生“亞研究”“再創(chuàng)造”的過程．教師從不同的角度對碰撞進行分類、歸納、演繹，不僅有助于學生理解碰撞，而且讓學生在對比中經(jīng)歷了建構(gòu)物理模型的過程，充分體現(xiàn)了一輪復習課對學生科學思維素養(yǎng)的培養(yǎng)作用．

3 問題討論開展科學探究

問題：如圖8所示，A,B兩小球在光滑水平面上沿同一直線、同一方向運動，球A動量是6 kg·m/s，B球動量是6 kg·m/s，當球A追上球B時發(fā)生碰撞，則碰撞后A，B兩球的動量會發(fā)生怎樣的變化？

圖8 A，B碰撞前

師：有沒有可能碰后A，B兩球的動量是“7 kg·m/s，5 kg·m/s”？如圖9所示.

圖9 A，B碰撞后

生：不可能．因為，后面物體能夠追上前面物體，說明后面物體的速度大于前面物體的速度．當兩球碰撞時，由動量定理可知，球A的動量會減小，故不可能．

師：回答非常棒！那有沒有可能是“5 kg·m/s，7 kg·m/s”呢？如圖10所示.

圖10 A，B碰撞后

生：有可能．

師：在滿足什么條件的情況下，此碰撞是可以完成的？

生：滿足的條件包括碰前球A的速度大于球B的速度，碰后球A的速度小于球B的速度，碰后球A與球B組成的系統(tǒng)機械能不會增加．

滿足條件1：碰前vA>vB，即

(1)

得到結(jié)論1：

(2)

(3)

得到結(jié)論2：

(4)

滿足條件3：碰撞后機械能不會增加 ，即

(5)

即

(6)

得到結(jié)論3：

(7)

師：綜合以上3組同學的結(jié)論可知，兩球碰后若出現(xiàn)“5 kg·m/s，7 kg·m/s”的情況，則需要滿足的條件是

(8)

設(shè)計意圖：學生在教師精心設(shè)置的問題下進行探究思考，思維逐層進階．通過分析、概括、討論，得出正確的結(jié)論，既經(jīng)歷了科學的探究過程，又體驗了科學推理的嚴密，在回歸物理學習的本真中，有效提高了思辨能力和科學探究能力．

4 規(guī)律總結(jié)凸顯物理過程和物理觀念

4.1 碰撞問題可以分為3個物理過程分析

碰撞中的3個物理過程如表1所示.

表1 碰撞問題的3個物理過程

4.2 碰撞問題也可以從3個物理觀念分析

(1)動量觀念(動量約束)：所有的碰撞都要遵循(或近似遵循)動量守恒定律．

(2)能量觀念(能量約束)：所有的碰撞都要遵循能量守恒定律，機械能不會增加．

(9)

(3)運動觀念(運動約束)：

1)若物體碰前沿同一方向運動，則后面物體的速度一定比前面的大.

2)若物體碰后沿同一方向運動，則后面物體的速度一定比前面的小(不可能再碰).

3)發(fā)生正碰后，物體的前后(左右)位置不可能發(fā)生改變.

4)兩物體相向碰撞后，不可能再次出現(xiàn)相向運動(無其他障礙物時)．

4.3 總結(jié)規(guī)律

碰撞過程的規(guī)律分析如圖11所示．

圖11 碰撞規(guī)律

師：物理過程的分析包含了物理觀念的分析，物理觀念的分析同時也包含了物理過程的分析．兩者相輔相成，構(gòu)建出一幅美麗的物理規(guī)律圖．

設(shè)計意圖：通過對前面例題分析討論，從物理過程和物理觀念兩個維度進行歸納總結(jié)，引導學生進行深度思考．既深化了學生對碰撞模型的理解，同時也凸顯分析物理過程和物理觀念在解決實際問題中的重要作用，培養(yǎng)了學生的物理核心素養(yǎng)．

5 解釋現(xiàn)象感受物理過程之美

師：根據(jù)我們對碰撞模型的理解，請大家嘗試分析本節(jié)課開始時的小實驗中籃球與網(wǎng)球經(jīng)歷的物理過程．

生：籃球與網(wǎng)球先做自由落體運動，彼此間沒有相互作用．籃球觸地后反彈，與網(wǎng)球發(fā)生相互作用，作用力遠大于它們受到的重力和空氣阻力，故可認為籃球與網(wǎng)球所組成的系統(tǒng)在碰撞中動量守恒．若不考慮空氣阻力和籃球內(nèi)氣體克服分子力做的功，則還滿足機械能守恒．

設(shè)計意圖：讓學生在疑問與答疑中理解物理過程蘊含的科學思想和原理．

6 提取模型演變升華至高考題

師：我們可以從剛才的小實驗中提取出對應(yīng)的物理模型，再設(shè)置一定的情境和條件，就命制出了一道考查動量和能量的物理試題．

【例1】假設(shè)網(wǎng)球質(zhì)量為m，籃球質(zhì)量為M，疊放在一起從高為h處由靜止釋放，如圖12所示．假設(shè)所有碰撞均為彈性碰撞，忽略空氣阻力．試求網(wǎng)球反彈后上升的高度H.

圖12 網(wǎng)球與籃球一起下落

對籃球與網(wǎng)球的下落過程，可以由動能定理建立方程

(10)

對籃球與網(wǎng)球的碰撞過程，可以由動量守恒定律和機械能守恒定律建立方程

Mv0-mv0=Mv1+mv2

(11)

(12)

對網(wǎng)球的上升過程，可以由動能定理建立方程

(13)

聯(lián)立以上方程解得

(14)

師：在例題1的模型基礎(chǔ)上，適當?shù)馗淖儾糠謼l件和情境，可將例題1變式升華為高考試題．

【變式訓練】(2014年高考新課標全國卷Ⅰ)如圖13所示，質(zhì)量分別為mA，mB的兩個彈性小球A和B靜止在地面上方，球B距地面的高度h=0.8 m，球A在球B的正上方．先將球B釋放，經(jīng)過一段時間后再將球A釋放．當球A下落t=0.3 s時，剛好與球B在地面上方的P點處相碰，碰撞時間極短，碰后瞬間球A的速度恰為零．已知mB=3mA，重力加速度大小g=10 m/s2，忽略空氣阻力及碰撞中的動能損失．求：

(1)球B第一次到達地面時的速度；

(2)P點距離地面的高度．

圖13 A和B兩球的碰撞

此題一經(jīng)展出，臺下立刻就有學生發(fā)出了“哇”的驚嘆聲！更有部分學生情不自禁地鼓起掌來，以表達自己內(nèi)心的激動之情．

設(shè)計意圖：高三物理一輪復習是對高考考點全面、系統(tǒng)地展開復習，在復習中應(yīng)加強對往年高考試題的研究與命題規(guī)律的探尋．而高考試題往往取材于日常生活中的常見情景，這就需要我們重視對生活中素材的積累和整理．在本環(huán)節(jié)中，教師通過小實驗提取出兩球的碰撞模型，再設(shè)置適當?shù)那榫澈蜅l件，逐步變式升華成一道高考試題．讓學生體會到高考試題的備考應(yīng)回歸到物理模型的本源，在模型的演繹、拓展中感受到科學思維的魅力，提升高考的“五項”關(guān)鍵能力．

7 拓展應(yīng)用科學態(tài)度與責任

【例2】(1930年)科學家在用放射性物質(zhì)中產(chǎn)生的α粒子轟擊鈹原子時，產(chǎn)生了一種看不見的、貫穿能力很強的不帶電粒子．為了弄清楚這是一種什么粒子，人們用它分別轟擊(近似靜止的)氫原子和氮原子，結(jié)果從中打出了氫核和氮核，如圖14所示．以此推算出該粒子的質(zhì)量，從而確定該粒子為中子．

圖14 α粒子轟擊鈹核

設(shè)氫核的質(zhì)量為mH，打出后氫核速度為vH，氮核的質(zhì)量mN為氫核的14倍，打出氮核速度為vN，假設(shè)中子與氫、氮核的碰撞均為彈性碰撞，請根據(jù)這些可測量的物理量，推算中子的質(zhì)量．

師：若中子與氫、氮核的碰撞均為彈性碰撞，則分別滿足什么守恒？

生：滿足動量守恒和機械能守恒．

師：我們可以分別由動量守恒定律和機械能守恒定律建立方程．

設(shè)中子的質(zhì)量為m，初速度為v0，中子與氫原子核碰撞后的速度為v1，與氮原子核碰撞后的速度為v2．

與氫原子核碰撞，由動量守恒和機械能守恒有

mv0=mv1+mHvH

可得

v0+v1=vH

與氮原子核碰撞，由動量守恒和機械能守恒有

mv0=mv2+mNvN

可得

v0+v2=vN

聯(lián)立解得

師：若中子與氫、氮核的碰撞為完全非彈性碰撞，則情況又會怎樣呢？

生：如果發(fā)生的是完全非彈性碰撞，則只滿足動量守恒，且碰后速度相等．

設(shè)中子的質(zhì)量為m，初速度為v0，其與氫原子核碰撞后的共同速度為vH，與氮原子核碰撞后的速度為vN．

與氫原子核碰撞，由動量守恒有

mv0=(m+mH)vH

與氮原子核碰撞，由動量守恒有

mv0=(m+mN)vN

聯(lián)立解得

師：前后兩種情況下，中子質(zhì)量的表達式是一樣的！也就是說，如果我們能夠測出碰撞后氫原子核和氮原子核的速度，以及知道氫原子核的質(zhì)量，我們就可以測出中子的質(zhì)量．

大到茫茫宇宙，小到神秘微觀，平凡到日常生活，都有著形形色色、風格迥異的碰撞現(xiàn)象，雖然它們的個性十足，但都遵守著相同的規(guī)律．探究與掌握事物變化的規(guī)律，這就是物理學探尋未知世界基本的思想方法

設(shè)計意圖：中子的發(fā)現(xiàn)以及中子質(zhì)量的測量，正是體現(xiàn)了動量觀念和能量觀念在微觀領(lǐng)域中的具體應(yīng)用．本節(jié)課的教學內(nèi)容設(shè)置嚴謹，教學環(huán)節(jié)層層遞進．從實際生活中的網(wǎng)球與籃球的碰撞出發(fā)，再到微觀世界里中子的發(fā)現(xiàn)，都遵循著人們認識客觀世界的普遍規(guī)律：觀察發(fā)現(xiàn) → 實驗探究 → 規(guī)律提煉 → 科學觀念 → 應(yīng)用實踐 → 發(fā)現(xiàn)未知．讓學生在經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)未知的過程中，感受科學的嚴謹和物理學對社會的巨大貢獻，培養(yǎng)學生崇尚科學、熱愛科學的態(tài)度以及探索未知世界的責任意識與擔當精神．

8 結(jié)束語

新課程改革強調(diào)物理學科應(yīng)回歸物理本質(zhì)，突出物理學科特色，通過物理課程的學習培養(yǎng)學生的物理觀念、科學思維、科學探究以及科學態(tài)度和責任意識等素養(yǎng)．本節(jié)課“碰撞中動量守恒定律的應(yīng)用”是基于核心素養(yǎng)理念設(shè)計的一節(jié)高三物理復習課，從實驗到高考真題再現(xiàn)，再到應(yīng)用動量守恒定律推算出中子的質(zhì)量，主線清晰，層次分明，邏輯縝密．展現(xiàn)了物理觀念與物理過程的深度學習，高效率地復習了碰撞中的動量守恒定律，將物理學科的核心素養(yǎng)培養(yǎng)真正落在了實處．