孫新

摘?要：針對第一章“動(dòng)量守恒定律”的編寫意圖進(jìn)行梳理、說明.全章概述中明確指出章結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn).展現(xiàn)教科書編寫的邏輯線索，明確教科書對“守恒思想”的滲透.深入挖掘教科書中關(guān)于學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)的落實(shí)，以整章內(nèi)容為載體，說明科學(xué)探究素養(yǎng)培養(yǎng)的設(shè)計(jì)思路.在具體說明中，圍繞本章的6節(jié)課內(nèi)容逐節(jié)細(xì)致說明動(dòng)量、動(dòng)量守恒定律及其應(yīng)用的設(shè)計(jì)意圖和教學(xué)建議.

關(guān)鍵詞：碰撞;動(dòng)量;動(dòng)量守恒定律;學(xué)科核心素養(yǎng);反沖

文章編號：1008-4134（2020）11-0007中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1?全章概述

高中物理必修課程中力學(xué)、電學(xué)的內(nèi)容，為學(xué)生初步形成物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀和能量觀的認(rèn)識奠定了重要的基礎(chǔ)，應(yīng)該說，教科書在為學(xué)生形成“運(yùn)動(dòng)與相互作用觀”方面已有相對完整的設(shè)計(jì).本章動(dòng)量和動(dòng)量守恒定律的設(shè)計(jì)，同樣也會(huì)為學(xué)生進(jìn)一步形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念提供幫助.動(dòng)量和動(dòng)量守恒定律的普適性知識在高中物理教學(xué)中占有重要地位.

從章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮，本章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與以往教科書相比有所調(diào)整，在強(qiáng)調(diào)知識傳授的同時(shí)，其核心是要強(qiáng)調(diào)物理學(xué)中的“守恒思想”.教科書編寫的邏輯線索如下.

本章知識內(nèi)容共6節(jié)，大致可以劃分為三個(gè)單元.

第一單元包括第1、2節(jié)，即“動(dòng)量”“動(dòng)量定理”，這部分內(nèi)容側(cè)重動(dòng)量概念的引入，引導(dǎo)學(xué)生理解沖量、動(dòng)量和動(dòng)量定理，能用其解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象;第二單元包括第3、4節(jié)，即“動(dòng)量守恒定律”“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”，這部分內(nèi)容側(cè)重動(dòng)量守恒定律的建立過程，并要求學(xué)生能用其解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象;第三單元包括第5、6節(jié)，即“彈性碰撞和非彈性碰撞”“反沖運(yùn)動(dòng)?火箭”，這部分內(nèi)容是從動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用角度展開的.

1.1?物理觀念

本章動(dòng)量及其守恒定律都是圍繞形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念的線索來設(shè)計(jì)的.該內(nèi)容也是學(xué)生形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念的基礎(chǔ).教科書幫助學(xué)生形成這一物理觀念的作法主要體現(xiàn)在章結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，從上述教科書編寫的邏輯線索所反映的章結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以使學(xué)生有效地運(yùn)用“動(dòng)量”的概念認(rèn)識“相互作用”.

1.2?科學(xué)思維

在中學(xué)物理教學(xué)中，如何引入動(dòng)量的概念是需要研究的一個(gè)問題.本章在處理這個(gè)問題上，關(guān)注的不僅僅是它的定義，而是更關(guān)注引導(dǎo)學(xué)生在“尋求碰撞中的不變量”標(biāo)題下的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，深化動(dòng)量概念的形成過程.同時(shí)教科書以動(dòng)量概念的建立過程為例，通過“科學(xué)方法”欄目，給出了“抽象與概括”的科學(xué)方法問題.

任何科學(xué)概念的形成、規(guī)律的建立都不會(huì)是簡單拼湊得出的，它需要嚴(yán)格的科學(xué)歸納、推理和論證等過程.

1.3?科學(xué)探究

科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)要做到不失時(shí)機(jī).本章教科書雖然沒有冠以“探究”字樣的探究性實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)，但是科學(xué)探究思想的滲透是貫穿整章設(shè)計(jì)的.從圖1框圖展示的設(shè)計(jì)思路，可以反映教科書是如何引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，完成動(dòng)量守恒定律的學(xué)習(xí)的.

1.4?科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

本章教科書的設(shè)計(jì)，力求學(xué)生能運(yùn)用動(dòng)量守恒定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象，加深對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感.例如，“STSE”欄目中的“汽車碰撞試驗(yàn)”“科學(xué)漫步”欄目中的“歷史上關(guān)于運(yùn)動(dòng)量度的爭論”以及第5、6節(jié)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，集中反映科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的核心素養(yǎng)培養(yǎng).

2?具體說明

2.1?第1節(jié)?動(dòng)量

本節(jié)的設(shè)計(jì)從觀察“問題”欄目的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（兩個(gè)相同鋼球的碰撞）入手，隨后圍繞該問題展開討論，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了條件與上述實(shí)驗(yàn)相對應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)，即“質(zhì)量不同小球的碰撞”問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步尋求碰撞中的“不變量”.這樣處理的目的，一方面為動(dòng)量概念的引入提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ);另一方面，引導(dǎo)學(xué)生親身經(jīng)歷和體驗(yàn)科學(xué)探究過程.應(yīng)該看到，學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程中，發(fā)現(xiàn)問題并引發(fā)猜想，感悟自然界的和諧與統(tǒng)一.

本章教科書針對動(dòng)量概念形成的歷史過程沒有展開說明，而是以旁批“物理學(xué)家始終在尋求自然界萬物運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，其中包括在多變的世界里找出某些不變量”的形式給出.還有，關(guān)于守恒的思想方法對學(xué)生來說并不陌生，他們在高中物理必修課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)了“機(jī)械能守恒定律”“電荷守恒定律”“能量守恒定律”等，對教科書設(shè)計(jì)的“尋求碰撞中的不變量”的要求會(huì)有較深入的認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上動(dòng)量概念的引入也就變得自然、合理.

不過應(yīng)該清楚，教科書中設(shè)計(jì)的尋求碰撞中的“不變量”并不是“守恒量”，但是“不變量”的結(jié)果會(huì)給我們一個(gè)強(qiáng)烈的提示：兩個(gè)物體在碰撞過程中很可能存在“守恒量”，這個(gè)猜測是具有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的.教學(xué)中應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到，規(guī)律的建立，不可能簡單得出，只有當(dāng)從結(jié)論推導(dǎo)出的很多新結(jié)果都與事實(shí)一致時(shí)，它才能成為規(guī)律.盡管這樣的過程學(xué)生不能獨(dú)立完成，但是，他們在尋求“不變量”的探究過程中親身體驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題、猜想和挖掘證據(jù)等方面具有十分重要的教育價(jià)值.

另外，需要引導(dǎo)學(xué)生注意，動(dòng)量是矢量，學(xué)生對此必須有清楚的理解，這里再次涉及對矢量運(yùn)算的認(rèn)識問題.

2.2?第2節(jié)?動(dòng)量定理

教科書通過物體在恒力作用下做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的情況下，推導(dǎo)出動(dòng)量定理.這是從特殊推廣到一般的科學(xué)方法的運(yùn)用.動(dòng)量定理不僅適用于恒力，而且適用于變力，正因?yàn)檫m用于變力，它們才有廣泛的應(yīng)用.不過，因其理論推導(dǎo)較難，在中學(xué)階段不宜要求過高，教科書用積分的思想（在物理必修課程中曾有所滲透）進(jìn)行了定性的說明.

我們從教科書推導(dǎo)動(dòng)量定理的過程可以看出，物體動(dòng)量的變化率等于它所受的力.這表明動(dòng)量定理的物理實(shí)質(zhì)與牛頓第二定律是相同的.應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生嘗試用動(dòng)量概念表示牛頓第二定律，這有助于學(xué)生對動(dòng)量概念以及描述運(yùn)動(dòng)與相互作用關(guān)系問題的深入理解.

2.3?第3節(jié)?動(dòng)量守恒定律

本章教科書通過動(dòng)量定理和牛頓第三定律，并運(yùn)用科學(xué)演繹方法推導(dǎo)出動(dòng)量守恒定律.教科書引導(dǎo)學(xué)生在理解動(dòng)量和動(dòng)量定理的基礎(chǔ)上，引入系統(tǒng)、內(nèi)力、外力的概念.為使學(xué)生深入理解動(dòng)量守恒定律，理解運(yùn)動(dòng)與相互作用的關(guān)系，教科書將動(dòng)量守恒定律與牛頓運(yùn)動(dòng)定律密切結(jié)合，通過實(shí)例揭示牛頓運(yùn)動(dòng)定律從“力”的角度反映物體間的相互作用，動(dòng)量守恒定律從“動(dòng)量”的角度描述物體間的相互作用的本質(zhì).

動(dòng)量守恒定律不僅適用于碰撞，也適用于任何形式的相互作用.動(dòng)量守恒定律的普適性，為學(xué)生深層次認(rèn)識自然界的和諧與統(tǒng)一提供了很好的例證.同時(shí)，它也為解決力學(xué)問題開辟了新的途徑.教科書通過例題，展示了動(dòng)量守恒定律解決碰撞問題的優(yōu)勢所在.

2.4?第4節(jié)?實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律

本節(jié)教科書圍繞“實(shí)驗(yàn)思路”“物理量的測量”“數(shù)據(jù)分析”的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生選取實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作.本節(jié)給出了兩個(gè)參考案例，“研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒”和“研究斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒”驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律.在本節(jié)實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是一種重要的實(shí)驗(yàn)形式，也是科學(xué)探究的一種有效方式，教科書在努力展現(xiàn)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中科學(xué)探究精神的滲透，例如參考案例中要求設(shè)計(jì)獲取多種相關(guān)證據(jù)的方法等.應(yīng)該把本節(jié)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)放到整章科學(xué)探究素養(yǎng)培養(yǎng)之中去考慮.

2.5?第5節(jié)?彈性碰撞和非彈性碰撞

本節(jié)設(shè)計(jì)不是為了讓學(xué)生提高對碰撞知識的理解，而是把它作為載體，深入細(xì)致地貫徹學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維和科學(xué)探究的要素，在真實(shí)、典型的情境中應(yīng)用動(dòng)量守恒定律.

教師應(yīng)關(guān)注學(xué)生是否能夠靈活地運(yùn)用動(dòng)量守恒定律和機(jī)械能守恒定律，去解決典型的碰撞問題.實(shí)際上，用本節(jié)習(xí)題課來處理習(xí)題的結(jié)論無需記憶，不應(yīng)讓學(xué)生以這些結(jié)論為前提去解新的題目.

教科書在得到碰撞后兩個(gè)小球速度的關(guān)系式后討論，當(dāng)m1=m2、m1≥m2、m1≤m2三種特例情形下兩個(gè)小球碰撞后速度的關(guān)系.目的是向師生傳遞一個(gè)信息：通過公式可以看出，不同物理量之間的依存關(guān)系，以及某些物理量的變化趨勢，從中可以得出很多定性的結(jié)論.這種能力對于學(xué)生學(xué)好物理課程是非常重要的.

本節(jié)課為學(xué)生營造出經(jīng)歷科學(xué)探究過程的真實(shí)情境.學(xué)生通過生活經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)對于這幾類碰撞的結(jié)果有了自己的預(yù)期，應(yīng)用物理知識和數(shù)學(xué)知識進(jìn)行分析后，看結(jié)論是否與生活經(jīng)驗(yàn)一致，這是在探究問題過程中獲取“證據(jù)”并對問題給予合理的“解釋”.

2.6?第6節(jié)?反沖運(yùn)動(dòng)?火箭

本節(jié)的設(shè)計(jì)從如何解釋“問題”欄目中章魚的游動(dòng)入手，隨后圍繞發(fā)射炮彈的炮身后退現(xiàn)象引出反沖運(yùn)動(dòng).教科書引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用動(dòng)量守恒定律解釋反沖運(yùn)動(dòng).與此同時(shí)，教科書通過生產(chǎn)生活中的實(shí)例介紹反沖運(yùn)動(dòng)，并通過演示實(shí)驗(yàn)加深對反沖運(yùn)動(dòng)的理解，最后介紹了火箭的飛行原理.

其中教科書“思考與討論”欄目的設(shè)計(jì)，目的是引導(dǎo)學(xué)生能根據(jù)動(dòng)量守恒定律，完成書上的推導(dǎo)，從理論上明確：火箭獲得的最終速度主要取決于兩個(gè)條件，一個(gè)是噴氣速度，一個(gè)是質(zhì)量比，即火箭起飛時(shí)的質(zhì)量與燃料燒盡時(shí)的質(zhì)量之比.噴氣速度越大，質(zhì)量比越大，火箭的最終速度也越大（忽略重力的影響）.最后，教科書以“科學(xué)漫步”欄目的形式介紹了“三級火箭”的內(nèi)容，要求對火箭知識拓展的同時(shí)，進(jìn)一步介紹我國在航空、航天事業(yè)中的進(jìn)步，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情.

（收稿日期：2020-04-20）