徐地虎

教學(xué)內(nèi)容：人教版（2019版）高中物理選擇性必修一第一章第5節(jié)。

教材分析：

通過實驗，了解彈性碰撞和非彈性碰撞的特點(diǎn)。定量分析一維碰撞問題并能解釋生產(chǎn)生活中的彈性碰撞和非彈性碰撞現(xiàn)象。教材中首先以自然界中的碰撞現(xiàn)象引入課堂，基于學(xué)生對碰撞過程中動量變化已有初步了解，通過問題形式引發(fā)學(xué)生思考：碰撞過程中的能量是如何變化的？首先，通過對碰撞過程特點(diǎn)的分析，得出碰撞過程滿足動量守恒;其次，通過實驗研究小車碰撞前后的動能變化，得出彈性碰撞和非彈性碰撞的概念;再次，通過例題形式分析兩物體碰撞后粘在一起后動能減小，加深對非彈性碰撞的理解;最后，以兩小球一維彈性碰撞作為例子，既給出了求解一維彈性碰撞的思路和方法，又分析了碰撞過程中的幾種情況。這不僅加深了學(xué)生對彈性碰撞的感性認(rèn)識，同時也對彈性碰撞有了更深的理解。

教學(xué)目標(biāo)：

1.通過問題引導(dǎo)，學(xué)生能說出比較碰撞前后系統(tǒng)動量和動能變化所需測量的物理量，并寫出具體的比較表達(dá)式。

2.通過實驗觀察和數(shù)據(jù)測量，學(xué)生能計算得出碰撞前后的動量變化和動能變化情況。

3.通過分析總結(jié)，學(xué)生能夠指出彈性碰撞和非彈性碰撞過程中動量變化和動能變化特點(diǎn)。

4.結(jié)合實例分析，學(xué)生能說出處理碰撞問題的基本思路和方法，即碰撞過程動量守恒，彈性碰撞動能不變，非彈性碰撞動能減小。

5.通過真實情境分析，學(xué)生能求解一維彈性碰撞問題。

教學(xué)設(shè)計思路與教學(xué)片段：

本堂課注重讓學(xué)生觀察，讓學(xué)生體驗，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生思考，著力培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，實驗探究能力。

1.引入部分。

通過臺球的“定桿”引入學(xué)習(xí)主題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。利用問題引導(dǎo)，讓學(xué)生猜測臺球碰撞過程滿足的物理規(guī)律，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗進(jìn)行實驗驗證。利用分析綜合、推理論證的方法分析問題，提升學(xué)生科學(xué)思維能力;基于觀察和實驗提出問題，形成猜想和假設(shè)，設(shè)計實驗與制訂方案，養(yǎng)成實驗探究意識。

師：臺球運(yùn)動大家都比較熟悉，讓我們一起觀看視頻，學(xué)習(xí)臺球技術(shù)：定桿。

師：觀察到了什么現(xiàn)象？

生：兩個小球發(fā)生碰撞，母球碰后靜止不動。

師：很好，猜想一下碰撞過程滿足什么樣的規(guī)律？并說說猜測的理由？

生：碰撞過程中動量守恒，因為碰撞過程中時間很短，碰撞的力很大，動量守恒。

師：很好，碰撞過程中系統(tǒng)的動能會變化嗎？

生：碰撞過程會發(fā)熱，動能應(yīng)該會減少。

師：非常好，這位同學(xué)認(rèn)為在碰撞過程中內(nèi)能增加，而系統(tǒng)的總能量應(yīng)保持不變，因而動能會減少。

師：能否設(shè)計實驗驗證猜想呢？

生：視頻中兩個小球的質(zhì)量基本相等，因此可以讓兩個質(zhì)量基本相等的兩物體碰撞，測量兩個物體碰撞前后的速度，并用天平測量兩物體的質(zhì)量，計算碰前和碰后系統(tǒng)的動量和動能，通過比較就可以知道動量和動能的變化情況。

師：非常好，這位同學(xué)給出了驗證猜想的實驗方案，需要測量碰撞前后物體的速度，以及兩物體的質(zhì)量。這里我們利用氣墊導(dǎo)軌與光電門研究兩物體的碰撞。

2.彈性碰撞部分。

通過問題引導(dǎo)與分析講解，學(xué)生能結(jié)合實驗方案進(jìn)行分析綜合，確定實驗過程需要測量的物理量，以及比較碰撞前后系統(tǒng)的動量和動能的表達(dá)式，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗可能的誤差等因素，得出彈性碰撞的概念與特點(diǎn)。該部分既有助于學(xué)生對實驗原理的理解和把握，同時通過數(shù)據(jù)采集、處理的過程提升學(xué)生分析數(shù)據(jù)的能力，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)分析碰撞的特點(diǎn)，進(jìn)而得出彈性碰撞的概念，提升學(xué)生獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論，提升科學(xué)探究能力。

利用彈性碰撞的實例分析，讓學(xué)生理解分析該類問題的基本思路是利用彈性碰撞過程中動量守恒和動能不變進(jìn)行求解，并就碰撞后的速度進(jìn)行幾種情況的討論，這既有助于學(xué)生對實際生活中彈性碰撞的理解，為學(xué)生提供了利用實際情況驗證理論結(jié)論是否正確的方法。課堂上利用牛頓擺實驗做演示，進(jìn)一步加深學(xué)生對實驗結(jié)論的理解。通過問題：碰撞前后動能一定不變嗎？動量一定不變嗎？引出非彈性碰撞內(nèi)容。

師：實驗中利用氣墊導(dǎo)軌有什么優(yōu)勢？

生：氣墊導(dǎo)軌連接氣泵后，滑塊在氣墊導(dǎo)軌上可以看作沒有摩擦力，物體做勻速直線運(yùn)動，因此可以準(zhǔn)確測量碰撞前后物體的運(yùn)動速度。

師：如何通過光電門測量物體的速度？

生：光電門可記錄擋光片的通過時間，根據(jù)v=，測量擋光片的寬度d與通過時間△t，可以測量物體速度。

師：如何利用表達(dá)式確定物體碰撞前后動量守恒？

生：利用動量公式，只要比較碰前系統(tǒng)動量p1=m1+m2與碰后系統(tǒng)動量p1=m1+m2是否相等就可以。

師：很好，如果選用的擋光片的寬度相同，則只需要驗證+=+是否成立，若成立則動量守恒，否則動量不守恒。（實驗利用一個滑塊碰撞另一個帶彈簧的滑塊，利用電子秤測量兩滑塊的質(zhì)量，利用光電門測量時間，具體的實驗數(shù)據(jù)采集及計算過程略。）

師：通過實驗數(shù)據(jù)采集與分析，發(fā)現(xiàn)碰撞前后物體的動量很接近，但不是嚴(yán)格相等，如何理解呢？

生：這個應(yīng)該是實驗誤差。

師：對的，嚴(yán)格上來講，一次實驗并不能得出結(jié)論，需要重復(fù)多次實驗，最后得出結(jié)論。在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，碰撞過程動量守恒。

師：如何利用表達(dá)式確定物體碰撞前后的動能變化？

生：方法與驗證動量守恒類似，比較碰前 Ek1=m1（）2+m2（）2與碰后 Ek2=m1（）2+m2（）2的大小即可。（具體的實驗數(shù)據(jù)處理過程略。）

師：通過求解碰撞前后的動能，可以得出什么樣的結(jié)論？

生：碰撞后的動能小于碰撞前的動能，有能量損失，但與原動能相比，損失動能比較小。

師：很好。從實驗中可以看出，兩個物體碰撞前后的動能幾乎不變。我們把系統(tǒng)在碰撞前后動能不變的碰撞稱為彈性碰撞?，F(xiàn)實生活中鋼球、玻璃球的碰撞都可以近似看成是彈性碰撞。

師：我們先來看一個碰撞的實例：.如圖1所示，物體m1以速度v1與原來靜止的物體m2發(fā)生彈性正碰，如何求解碰后兩球的速度？

生：可以利用彈性碰撞過程中動量守恒與動能不變列方程求解。

師：非常好。設(shè)碰后m1，m2的速度為v1'，v2'，根據(jù)動量守恒：m1v1=m1v'1+m2v'2;碰撞前后動能不變：m1v21=m1v1'2+m2v2'2，解得：v'1=v1，v'2=v1。

師：我們來看看，幾種結(jié)果的討論。當(dāng)m1=m2時，兩物體的速度為多少？

生：v'1=0，v'2 =v1

師：m1，m2呢？

生：v'1=v1，v'2 =2v1

師：這種情況與生活中的哪種情形類似？

生：汽車與乒乓球發(fā)生碰撞。

師：例子舉得很貼切，非常好。

師：若m1=m2呢？與生活中的哪種情形類似？

生：v'1=-v1，v'2 =0，可以看成是乒乓球垂直碰撞墻壁，原速反彈。

師：很好，現(xiàn)在能對實驗現(xiàn)象進(jìn)行解釋嗎？

生：兩個質(zhì)量相同的小球發(fā)生彈性碰撞，兩球交換速度。（讓學(xué)生體驗牛頓擺實驗，加深印象。）

師：碰撞前后動能一定不變嗎？動量一定不變嗎？（轉(zhuǎn)接到非彈性碰撞部分。）

3.非彈性碰撞部分。

結(jié)合學(xué)生已經(jīng)對彈性碰撞有了基本的認(rèn)識，通過問題引導(dǎo)，讓學(xué)生思考是否所有的碰撞都是彈性碰撞，如果不是，碰撞過程中動量和動能如何變化？利用實驗對非彈性碰撞前后的動量和動能進(jìn)行對比，結(jié)合數(shù)據(jù)分析，得出在非彈性碰撞的過程中動量依然守恒，而動能減小，進(jìn)而給出完全非彈性碰撞的概念。讓學(xué)生根據(jù)真實的實驗數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論，不僅提升數(shù)據(jù)分析能力，同時培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

根據(jù)彈性碰撞和非彈性碰撞的特點(diǎn)，從理論上分析一般正碰過程中為什么動量守恒，同時對碰撞做了簡單的分類：彈性碰撞和非彈性碰撞，正碰和斜碰，讓學(xué)生對碰撞有進(jìn)一步的了解，為學(xué)有余力的學(xué)生對碰撞的深入學(xué)習(xí)提供了分析思路。

將滑塊與一端裝有膠帶的滑塊碰撞，碰撞后兩滑塊粘連在一起，通過測量通過光電門的時間以及滑塊質(zhì)量，分析計算碰撞前后系統(tǒng)的動量與動能變化。（具體的實驗數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理過程略。）

師：從實驗數(shù)據(jù)分析，可以得出什么結(jié)論？

生：在該碰撞過程中，碰撞前后的動量基本相等，在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，動量守恒。

師：好的，動能呢？

生：碰后的動能大約是碰前動能的一半，碰后動能明顯減少。

師：非常好。我們把系統(tǒng)在碰撞后動能減少的碰撞稱為非彈性碰撞。當(dāng)系統(tǒng)在碰撞結(jié)合在一起，動能損失最大，這種碰撞稱為完全非彈性碰撞。

師：根據(jù)以上的實驗我們可以做一個總結(jié)，在碰撞過程中，動量守恒，但動能有可能不變，也可能較少。根據(jù)動能是否減少進(jìn)行分類，動能不變的碰撞稱為彈性碰撞，動能減小的碰撞稱為非彈性碰撞。

師：當(dāng)然，也可以根據(jù)碰撞過程速度是否與物體的連線共線，可以將碰撞分為正碰與斜碰。正碰和斜碰需要滿足什么規(guī)律呢？

生：動量守恒。

師：很好，能從理論上分析原因么？

生：碰撞過程中物體間作用時間很短，相互作用的內(nèi)力很大，外力往往可以忽略，根據(jù)動量定理可知，系統(tǒng)動量守恒。

師：分析得很好。

4.應(yīng)用舉例，學(xué)以致用部分。

該部分結(jié)合例題分析和模型理解，結(jié)合微觀世界里中子減速的真實問題，讓學(xué)生對碰撞擁有一個更加全面而深刻的認(rèn)識。

例題1：通過分析A物體碰撞一帶輕質(zhì)彈簧的B物體的運(yùn)動過程，兩小球在運(yùn)動過程中的動能變化與彈性勢能的變化，給學(xué)生一種較容易理解彈性碰撞和非彈性碰撞的模型。彈性碰撞過程中彈簧彈性勢能完全釋放，而非彈性碰撞是彈性勢能并未完全釋放，而當(dāng)兩小球共速時，系統(tǒng)的動能減小最多，若此時彈簧的彈性勢能完全不釋放，此過程的碰撞可認(rèn)為是完全非彈性碰撞，即兩物體結(jié)合在一起共速。

例題2：如圖3所示，是微觀條件下中子碰撞減速問題，通過分析中子減速的過程可知，中子與原子核的碰撞可認(rèn)為完全彈性碰撞，結(jié)合彈性碰撞后的速度表達(dá)式，可以分析中子與較輕的原子核碰撞能夠把中子速度降下來，這也與核反應(yīng)中利用重水、輕水和石墨等做中子減速劑的情形相符，增強(qiáng)學(xué)生對物理知識實用性的認(rèn)識，進(jìn)一步增強(qiáng)對彈性碰撞的理解。

本堂課的最后，通過提出如何讓小球彈得更高的問題讓學(xué)生引出超級彈性小球的研究性學(xué)習(xí)課題。圖4所示為實驗中可使用的各種不同大小的彈性球，同時讓學(xué)生課后做進(jìn)一步的研究，有助于學(xué)生對彈性碰撞和非彈性碰撞有更加深入的理解和認(rèn)識。

綜上所述，我的教學(xué)思路其實就是讓學(xué)生帶著疑問走進(jìn)課堂，在課堂中解決問題的同時，又產(chǎn)生新的疑問，引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究。教學(xué)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，步步深入，最終實現(xiàn)讓學(xué)生在科學(xué)探究的過程中，掌握知識，領(lǐng)悟方法，完成知識建構(gòu)。

反思：

本堂課通過問題引導(dǎo)，使教學(xué)有較好的邏輯條理性，注重學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力培養(yǎng)。總的來說有以下幾個特點(diǎn)：

1.從生活中引入課題，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的興趣。引入課題時使用的是一項打臺球的技術(shù)“定桿”，學(xué)生對這一情境較為熟悉，同時也對如何學(xué)會這一技術(shù)特別感興趣。這樣快速地將學(xué)生注意力轉(zhuǎn)入課堂。

2.重視實驗在發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的作用。物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，因此在課程設(shè)計上重視了實驗對于發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的作用，通過讓學(xué)生設(shè)計實驗方案，分析比較物體碰撞前后動能、動量變化情況的表達(dá)式，確定實驗中需要測量的物理量，通過分析實驗中得到的實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)碰撞過程中的實驗規(guī)律。

3.重視模型建構(gòu)，培養(yǎng)科學(xué)思維。在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，更需要結(jié)合實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建合理的物理模型，比如通過碰撞實驗數(shù)據(jù)分析，構(gòu)造了彈性碰撞和非彈性碰撞的模型，促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

4.注重規(guī)律的應(yīng)用，深化活化思維。對于新接觸的知識和規(guī)律，通過提升感性認(rèn)識、實際應(yīng)用有助于學(xué)生對新知識和規(guī)律的理解和把握，在知識的理解和把握中深化活化思維深度。

與此同時，本堂課還需要進(jìn)一步整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)實際適當(dāng)減少教學(xué)內(nèi)容，降低教學(xué)難度，讓學(xué)生有更多的時間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，獨(dú)立完成實驗數(shù)據(jù)采集與分析。

編輯/魏繼軍