單英明

摘?要：通過對人教版教材中提供的兩球碰撞實驗進行改進，在不降低學(xué)生分析、歸納及抽象思維能力的同時，能夠更形象、直觀地觀察到實驗現(xiàn)象，利于學(xué)生集中注意力于分析現(xiàn)象、歸納總結(jié)探究得出碰撞中動量守恒的規(guī)律.

關(guān)鍵詞：碰撞;質(zhì)量;角度;速度;動量守恒

1?實驗描述

高中物理人教版教材選修3-5第十六章第一節(jié)“實驗：探究碰撞中的不變量”中提供了3個實驗，讓學(xué)生從不同角度觀察記錄實驗現(xiàn)象，體驗探究自然規(guī)律的過程，最后總結(jié)歸納出碰撞中守恒的物理量.

3個實驗都具有明確的設(shè)計意圖，如圖1所示：實驗1，利用氣墊導(dǎo)軌來實現(xiàn)兩個滑塊的一維碰撞，同時通過光電計時裝置可以實現(xiàn)迅速的測量兩個滑塊碰撞前后的速度.設(shè)計意圖是通過定量分析得出碰撞中不變的量.實驗3，通過學(xué)生比較熟悉的紙帶問題測出兩個滑塊碰撞前后的速度.設(shè)計意圖是和勻速直線運動規(guī)律及紙帶問題銜接，通過實驗數(shù)據(jù)找到碰撞前后的“不變量”.如圖2所示：實驗2是用一個拉起一定角度的小球，釋放后與一個靜止的小球相碰.設(shè)計意圖是由小球拉起的角度可以算出小球下落到最低點的速度，測量被撞小球擺起的高度，從而算出被撞后的速度.通過分析計算、歸納出碰撞前后“不變的量”.

實驗1和實驗3是通過在滑塊上或小車上加重物的方法實現(xiàn)不同質(zhì)量物體間的碰撞，運用氣墊導(dǎo)軌和墊起的長木板很容易控制滑塊碰前的速度，并能保證碰撞前后兩個物體的運動方向在一條直線上.授課過程中，學(xué)生理解起來相對容易.實驗2是通過測量下落小球擺動的高度與被撞小球擺起的高度，從而算出兩球碰前、碰后的各自速度，由于要保證兩球是一維的對心碰撞，且測量兩球碰后擺動的高度不宜觀察，在授課過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對于小球碰撞前后擺動的最大角度測量起來比較困難，對學(xué)生而言，實驗的關(guān)鍵是測量碰撞前后瞬間兩個小球的瞬時速度，也是學(xué)生探究“動量守恒”的關(guān)鍵點.

2?人教版教材所提供實驗2的缺陷

這個實驗操作簡單方便、易于觀察，在思維培養(yǎng)上邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，層層相扣，但也有不利之處：第一是拉起小球與被撞小球很難保證兩球是一維的對心碰撞;第二是計算小球碰前碰后在最低點速度時，測量小球擺起的角度有一定的難度;第三是因為實驗室提供的實驗儀器體積都較小，作為學(xué)生分組實驗尚可，不適合作為演示實驗，學(xué)生難以看清碰撞前后擺動的角度，難以分析最低點的速度大小，講解操作和原理分析都形成了障礙，且不利于實現(xiàn)多種方式的探究活動.

3?實驗改進方案

為了把場景簡化，方便學(xué)生的操作與觀察測量，讓學(xué)生全神貫注于分析、整理、歸納，筆者重新選擇了實驗器材.

實驗儀器：“雙線擺”，用來代替單擺線確保碰撞球發(fā)生對心碰撞.如圖3所示：半圓刻度盤，用以觀察擺球擺動的對稱性同時便于測量擺動的角度.質(zhì)量不等的擺球，用以探究多種碰撞情景.

可調(diào)螺母用以調(diào)節(jié)雙擺線的長度，確保碰撞球發(fā)生對心碰撞.

如圖4所示：實驗中采用“雙線擺”替代“單線擺”操作方便，并能確保碰撞球發(fā)生對心碰撞;采用“對稱”和“示零”相結(jié)合的實驗設(shè)計原則，半圓刻度盤中央刻度線位于兩碰撞球中間，使擺的對稱性更為直觀同時增強了擺球最高點對應(yīng)半圓盤刻度的可視性，方便測量擺動的角度.通過螺母來調(diào)節(jié)雙擺線的長度，其間操作空間大，可視性強，可使在班級中進行演示實驗成為可能.

基于學(xué)生已有的機械能知識的認(rèn)知，為了實現(xiàn)人教版教材所提供的實驗2的設(shè)計意圖，筆者重新設(shè)計了如下四個實驗，進行同一條直線上運動的兩個物體碰撞過程中“守恒量”的探究.

31?實驗一，探究質(zhì)量相等的兩球相碰中守恒的量（動碰靜）

若要保證兩個小球碰撞前和碰撞后都沿同一直線上運動，就要滿足兩球發(fā)生一維碰撞.通常實驗采用的是兩個等長細線懸掛起來的小球，一球靜止，拉起另一球，放開與靜止球相撞，觀察碰撞前后兩球的運動情況.但筆者在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)兩球的對心碰撞操作起來有一定的難度，為了增強操作的方便與精確性，保證兩球?qū)崿F(xiàn)對心碰撞，筆者在儀器的上端安裝了螺母，通過螺母來調(diào)節(jié)雙擺線的長度，采用“雙線擺”替代“單線擺”操作方便，并能確保碰撞球發(fā)生對心碰撞，在擺球擺動的豎直面內(nèi)安裝了半圓刻度盤，可以測量小球擺動到最高位置的角度.

首先教師要引導(dǎo)學(xué)生做好實驗前準(zhǔn)備工作.通過調(diào)節(jié)螺母來改變雙線擺長，使得兩個球能夠?qū)π呐鲎玻又菔緞忧蚺鲮o球的碰撞實驗，包含以下三種情況：m1>m2、m1

通過實驗一，學(xué)生觀察兩球碰撞后，擺動的最大角度.拉起一小球到一定高度并由靜止釋放，讓其與靜止的另一小球相碰，從小到大改變擺角至少6次，記錄動球的擺線在半圓刻度盤上對應(yīng)的刻度α，靜球的擺線在半圓刻度盤上對應(yīng)的刻度β.請同學(xué)們研討，造成實驗現(xiàn)象的原因，學(xué)生比較容易觀察到，碰撞前后擺動的角度相同，能夠猜到碰撞前后兩球的動量守恒.

32?實驗二，探究質(zhì)量不相等的兩球相碰中守恒的量（動碰靜）

筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，以往的實驗儀器很難實現(xiàn)通過同一個實驗裝置進行質(zhì)量相等與不等多種情境下的探究活動，筆者在實驗裝置中安裝了三個等大的小球，其中兩個相同的金屬球與一個塑料球，這樣就可以實現(xiàn)多種碰撞情景探究活動.教學(xué)過程中，學(xué)生分組設(shè)計方案探究質(zhì)量不相等、動碰靜情景.m1>m2、m1

記錄動球的擺線在半圓刻度盤上對應(yīng)的刻度α，靜球的擺線在半圓刻度盤上對應(yīng)的刻度β.通過對實驗數(shù)據(jù)的研討，學(xué)生能夠猜到碰撞前后的“不變量”即動量.為了進一步驗證學(xué)生的猜想，可以通過測量被拉起小球的角度來計算其下落時的速度，通過測量被撞前后兩小球擺起的最大角度來計算其被撞前后的速度，可以通過小球擺動的角度，在通過定量計算，可以比較順利的得出碰撞前后兩小球構(gòu)成的系統(tǒng)動量守恒.

33?實驗三，問題拓展：兩個運動的球相碰的過程中是否遵循動量守恒？

通過前面的實驗，學(xué)生發(fā)現(xiàn)運動的小球與靜止的小球相碰過程中系統(tǒng)動量守恒，這時候多數(shù)學(xué)生會很自然地想到兩個運動的球相碰的過程中是否遵循動量守恒？學(xué)生產(chǎn)生了疑問，有了繼續(xù)探究實驗的欲望.教師進一步引導(dǎo)學(xué)生分組研討、提出猜想、并設(shè)計實驗方案進行探究活動.上課過程中，學(xué)生設(shè)計了兩組實驗方案：一是質(zhì)量相等的兩球相向碰撞（動碰動），從擺角相等的平衡位置兩側(cè)同時釋放（如圖5），觀察并記錄小球碰后各自擺動的角度，全班分6個實驗探究小組，改變擺角至少6次（從小到大），探究動量守恒.實驗過程中學(xué)生很容易觀察到，兩球在最低點碰撞后均處于靜止?fàn)顟B(tài)，多數(shù)同學(xué)很快可以判斷出碰撞前后兩球構(gòu)成系統(tǒng)的動量守恒.二是質(zhì)量相等的兩球相向碰撞（動碰動）從擺角不相等（θ1<θ2或θ1 >θ2，）的平衡位置兩側(cè)同時釋放，觀察并記錄小球碰后各自擺動的角度改變擺角至少6次（從小到大），探究動量守恒.記錄球1的擺線在半圓刻度盤上對應(yīng)的最大刻度α，和球2的擺線在半圓刻度盤上對應(yīng)的最大刻度β.可以通過測量兩小球碰前被拉起的角度來計算各自下落到最低點的速度，測量兩球碰撞后各自的速度來計算各自被撞后的速度.通過對于實驗數(shù)據(jù)的分析、定量計算，物理思維比較好的學(xué)生可以得出系統(tǒng)碰撞前后動量守恒.

34?實驗四，問題拓展：兩個質(zhì)量不等小球從擺角相等、不相等（θ1=θ2、θ1<θ2或θ1>θ2，）的平衡位置兩側(cè)同時釋放，相碰的過程中是否遵循動量守恒？

本實驗可以分為3個環(huán)節(jié)：

（1）先對實驗一、實驗二進行解釋，由于要通過實驗，要探究碰撞、碰撞過程中動量守恒，物理實驗的基本原則是從簡單到復(fù)雜，先研究最簡單的碰撞情況，即一維動碰靜的情況.實際生活中運動物體撞到另一個靜止物體的經(jīng)驗告訴我們，碰撞前后系統(tǒng)的動量可能不變，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析研討可以得出結(jié)論，碰撞前后兩球構(gòu)成系統(tǒng)的動量守恒.這樣就實現(xiàn)了實驗前的猜想、設(shè)計實驗、觀察現(xiàn)象、最后分析實驗現(xiàn)象、得出結(jié)論.實現(xiàn)了知識方面的提升、認(rèn)知方面的升華.

（2）在實驗三中，老師提出問題：兩個質(zhì)量相等的運動小球相碰的過程中是否遵循動量守恒？有同學(xué)提出當(dāng)兩球質(zhì)量相同時碰撞兩球系統(tǒng)動量會守恒，若兩球的質(zhì)量不同，則相撞過程中系統(tǒng)的動量不守恒.本環(huán)節(jié)，教師可以提出問題：若兩球到達最低的動量大小恰好相等方向相反，兩球碰后的狀態(tài)是怎樣的，讓學(xué)生對這個情景進行預(yù)測、分析，并通過兩球的質(zhì)量大小關(guān)系，得出兩球的速度大小關(guān)系，然后實驗驗證.教師演示的過程中，可以通過兩球下落的速度大小分別求出兩球下落前的擺角.然后讓兩球分別從對應(yīng)的擺角處同時落下，學(xué)生很容易觀察到碰后兩球均處于靜止?fàn)顟B(tài).實驗過程中可以提前在半圓形刻度盤兩側(cè)對應(yīng)的角度位置做一個小的標(biāo)記，實驗效果會比較好，這是一個小的技巧.

（3）教師進一步引導(dǎo)學(xué)生分組研討、提出猜想并設(shè)計實驗方案進行探究活動.上課過程中，學(xué)生設(shè)計了一組實驗方案：質(zhì)量不相等的兩球相向碰撞（動碰動）從擺角不相等（α<β或α>β）的平衡位置兩側(cè)同時釋放，觀察并記錄小球碰后各自擺動的角度，改變擺角至少6次（從小到大），探究動量守恒.記錄球1的擺線在半圓刻度盤上對應(yīng)的最大刻度α，和球2的擺線在半圓刻度盤上對應(yīng)的最大刻度β.可以通過測量兩小球碰前被拉起的角度來計算各自下落到最低點的速度，測量兩球碰撞后各自擺動的最大角度來計算兩球各自碰撞后的速度.通過對實驗數(shù)據(jù)的分析、定量計算從而驗證碰撞過程中動量守恒定律的普適性.

4?實驗反思

（1）筆者對人教版教材所提供實驗2的改進，不但沒有弱化對學(xué)生思維訓(xùn)練，而且簡化并放大了實驗器材，主要通過螺母來調(diào)節(jié)雙擺線的長度，方便調(diào)節(jié)擺線長度的同時也能確保碰撞球發(fā)生對心碰撞;安裝的半圓刻度盤中央刻度線位于兩碰撞球中間，使擺的對稱性更為直觀，同時增強了擺球最高點對應(yīng)半圓盤刻度的可視，方便測量擺動的角度.使學(xué)生的注意力更專注于對實驗現(xiàn)象的分析、對實驗結(jié)論的歸納上.

（2）實驗從學(xué)生實際生活中物體相碰的認(rèn)知人手，通過四個實驗，使學(xué)生體驗科學(xué)探究的過程，激發(fā)學(xué)生探究興趣，再擴展學(xué)生認(rèn)知，繼而用所學(xué)知識來重新審視生活中運動物體碰撞的現(xiàn)象，既培養(yǎng)了學(xué)生物理探究過程中的思維嚴(yán)謹(jǐn)性，又重視了知識形成過程，同時學(xué)生能力得以提升.

（3）在實驗過程中，塑料擺球在碰撞的過程中雙擺線振動較為明顯，能量損失較大，對于實驗數(shù)據(jù)的測量有一定的影響，如何把人教版提供的實驗和自己重新設(shè)計的實驗相結(jié)合，仍是筆者下一步研究的內(nèi)容.

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（收稿日期：2020-10-02）