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        基于核心素養(yǎng)的高三物理一輪復(fù)習(xí)教學(xué)探討
        ——以“碰撞中動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用”為例

        2019-06-29 07:08:30汪小明魯小東
        物理通報(bào) 2019年7期
        關(guān)鍵詞:物理學(xué)生

        汪小明 魯小東

        (深圳市寶安第一外國語學(xué)校 廣東 深圳 518128) (深圳市第二實(shí)驗(yàn)學(xué)校 廣東 深圳 518021)

        《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的基本理念強(qiáng)調(diào),高中物理課程注重體現(xiàn)物理學(xué)科的本質(zhì),著力培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等核心素養(yǎng),突出物理學(xué)科的育人價(jià)值[1].根據(jù)新高考改革精神,《課程標(biāo)準(zhǔn)》將會(huì)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(fù)習(xí)課教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng)?本文以“碰撞中動(dòng)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(fù)習(xí)課的教學(xué).

        1 實(shí)驗(yàn)引入重演物理概念的形成過程

        演示實(shí)驗(yàn):籃球與網(wǎng)球的“彈弓效應(yīng)”.讓籃球與網(wǎng)球同時(shí)下落,如圖1所示.觀察落地后兩球的運(yùn)動(dòng)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?yàn)榛@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(dòng)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(xué)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(xué)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(shí)是中子.

        圖2 中子的發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)子對撞機(jī),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(shí)際生活中的碰撞現(xiàn)象往往能產(chǎn)生強(qiáng)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(gè)層面舉例,能讓學(xué)生對碰撞概念有更全面的理解.

        設(shè)計(jì)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(dǎo)學(xué)生體會(huì)碰撞的物理含義,再次認(rèn)識碰撞的特點(diǎn),重演了物理概念的形成過程.既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,開拓了學(xué)生的視野,同時(shí)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(yàn)科學(xué)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jìn)行分類,形象地闡釋了正碰與斜碰兩個(gè)物理概念,學(xué)生用運(yùn)動(dòng)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(dòng)量守恒,機(jī)械能守恒.

        非彈性碰撞:碰撞過程中動(dòng)量守恒,機(jī)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(yùn)動(dòng).這種情況動(dòng)量守恒,損失的機(jī)械能最大.

        教師組織學(xué)生對碰撞中的能量變化進(jìn)行分類討論,讓學(xué)生學(xué)會(huì)用能量的觀念區(qū)分兩種不同的碰撞模型,加深學(xué)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(gè)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(jī)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(yùn)動(dòng),且有一部分機(jī)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(yùn)動(dòng),則屬于什么碰撞?

        生:完全非彈性碰撞.

        教師通過動(dòng)態(tài)場景圖將碰撞過程進(jìn)行慢鏡頭演示,引導(dǎo)學(xué)生對不同狀態(tài)進(jìn)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(jì)意圖:在教師的指導(dǎo)下,讓學(xué)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(xué)習(xí)成為學(xué)生“亞研究”“再創(chuàng)造”的過程.教師從不同的角度對碰撞進(jìn)行分類、歸納、演繹,不僅有助于學(xué)生理解碰撞,而且讓學(xué)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(fù)習(xí)課對學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的培養(yǎng)作用.

        3 問題討論開展科學(xué)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(yùn)動(dòng),球A動(dòng)量是6 kg·m/s,B球動(dòng)量是6 kg·m/s,當(dāng)球A追上球B時(shí)發(fā)生碰撞,則碰撞后A,B兩球的動(dòng)量會(huì)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(dòng)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?yàn)?,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(dāng)兩球碰撞時(shí),由動(dòng)量定理可知,球A的動(dòng)量會(huì)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(jī)械能不會(huì)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(jī)械能不會(huì)增加 ,即

        (5)

        (6)

        得到結(jié)論3:

        (7)

        師:綜合以上3組同學(xué)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(jì)意圖:學(xué)生在教師精心設(shè)置的問題下進(jìn)行探究思考,思維逐層進(jìn)階.通過分析、概括、討論,得出正確的結(jié)論,既經(jīng)歷了科學(xué)的探究過程,又體驗(yàn)了科學(xué)推理的嚴(yán)密,在回歸物理學(xué)習(xí)的本真中,有效提高了思辨能力和科學(xué)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(gè)物理過程分析

        碰撞中的3個(gè)物理過程如表1所示.

        表1 碰撞問題的3個(gè)物理過程

        4.2 碰撞問題也可以從3個(gè)物理觀念分析

        (1)動(dòng)量觀念(動(dòng)量約束):所有的碰撞都要遵循(或近似遵循)動(dòng)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(jī)械能不會(huì)增加.

        (9)

        (3)運(yùn)動(dòng)觀念(運(yùn)動(dòng)約束):

        1)若物體碰前沿同一方向運(yùn)動(dòng),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(yùn)動(dòng),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(yùn)動(dòng)(無其他障礙物時(shí)).

        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(shí)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(jì)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(gè)維度進(jìn)行歸納總結(jié),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思考.既深化了學(xué)生對碰撞模型的理解,同時(shí)也凸顯分析物理過程和物理觀念在解決實(shí)際問題中的重要作用,培養(yǎng)了學(xué)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(shí)的小實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng),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(yuǎn)大于它們受到的重力和空氣阻力,故可認(rèn)為籃球與網(wǎng)球所組成的系統(tǒng)在碰撞中動(dòng)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(jī)械能守恒.

        設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生在疑問與答疑中理解物理過程蘊(yùn)含的科學(xué)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)能定理建立方程

        (10)

        對籃球與網(wǎng)球的碰撞過程,可以由動(dòng)量守恒定律和機(jī)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(dòng)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(dāng)?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(xùn)練】(2014年高考新課標(biāo)全國卷Ⅰ)如圖13所示,質(zhì)量分別為mA,mB的兩個(gè)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(shí)間后再將球A釋放.當(dāng)球A下落t=0.3 s時(shí),剛好與球B在地面上方的P點(diǎn)處相碰,碰撞時(shí)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(dòng)能損失.求:

        (1)球B第一次到達(dá)地面時(shí)的速度;

        (2)P點(diǎn)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(xué)生發(fā)出了“哇”的驚嘆聲!更有部分學(xué)生情不自禁地鼓起掌來,以表達(dá)自己內(nèi)心的激動(dòng)之情.

        設(shè)計(jì)意圖:高三物理一輪復(fù)習(xí)是對高考考點(diǎn)全面、系統(tǒng)地展開復(fù)習(xí),在復(fù)習(xí)中應(yīng)加強(qiáng)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(shí)驗(yàn)提取出兩球的碰撞模型,再設(shè)置適當(dāng)?shù)那榫澈蜅l件,逐步變式升華成一道高考試題.讓學(xué)生體會(huì)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(xué)思維的魅力,提升高考的“五項(xiàng)”關(guān)鍵能力.

        7 拓展應(yīng)用科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

        【例2】(1930年)科學(xué)家在用放射性物質(zhì)中產(chǎn)生的α粒子轟擊鈹原子時(shí),產(chǎn)生了一種看不見的、貫穿能力很強(qiáng)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(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒.

        師:我們可以分別由動(dòng)量守恒定律和機(jī)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(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒有

        mv0=mv1+mHvH

        可得

        v0+v1=vH

        與氮原子核碰撞,由動(dòng)量守恒和機(jī)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(huì)怎樣呢?

        生:如果發(fā)生的是完全非彈性碰撞,則只滿足動(dòng)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(dòng)量守恒有

        mv0=(m+mH)vH

        與氮原子核碰撞,由動(dòng)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(dá)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(fēng)格迥異的碰撞現(xiàn)象,雖然它們的個(gè)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(xué)探尋未知世界基本的思想方法

        設(shè)計(jì)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(dòng)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(xué)內(nèi)容設(shè)置嚴(yán)謹(jǐn),教學(xué)環(huán)節(jié)層層遞進(jìn).從實(shí)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(rèn)識客觀世界的普遍規(guī)律:觀察發(fā)現(xiàn) → 實(shí)驗(yàn)探究 → 規(guī)律提煉 → 科學(xué)觀念 → 應(yīng)用實(shí)踐 → 發(fā)現(xiàn)未知.讓學(xué)生在經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)未知的過程中,感受科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)和物理學(xué)對社會(huì)的巨大貢獻(xiàn),培養(yǎng)學(xué)生崇尚科學(xué)、熱愛科學(xué)的態(tài)度以及探索未知世界的責(zé)任意識與擔(dān)當(dāng)精神.

        8 結(jié)束語

        新課程改革強(qiáng)調(diào)物理學(xué)科應(yīng)回歸物理本質(zhì),突出物理學(xué)科特色,通過物理課程的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究以及科學(xué)態(tài)度和責(zé)任意識等素養(yǎng).本節(jié)課“碰撞中動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用”是基于核心素養(yǎng)理念設(shè)計(jì)的一節(jié)高三物理復(fù)習(xí)課,從實(shí)驗(yàn)到高考真題再現(xiàn),再到應(yīng)用動(dòng)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(xué)習(xí),高效率地復(fù)習(xí)了碰撞中的動(dòng)量守恒定律,將物理學(xué)科的核心素養(yǎng)培養(yǎng)真正落在了實(shí)處.

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