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        《彈性碰撞和非彈性碰撞》教學(xué)紀(jì)實(shí)與反思

        2021-10-29 05:54:08徐地虎
        黑龍江教育·小學(xué) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量實(shí)驗(yàn)分析

        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(shí)驗(yàn),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(duì)碰撞過程中動(dòng)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(duì)碰撞過程特點(diǎn)的分析,得出碰撞過程滿足動(dòng)量守恒;其次,通過實(shí)驗(yàn)研究小車碰撞前后的動(dòng)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(dòng)能減小,加深對(duì)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(duì)彈性碰撞的感性認(rèn)識(shí),同時(shí)也對(duì)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(dòng)量和動(dòng)能變化所需測(cè)量的物理量,并寫出具體的比較表達(dá)式。

        2.通過實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)測(cè)量,學(xué)生能計(jì)算得出碰撞前后的動(dòng)量變化和動(dòng)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(dòng)量變化和動(dòng)能變化特點(diǎn)。

        4.結(jié)合實(shí)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(dòng)量守恒,彈性碰撞動(dòng)能不變,非彈性碰撞動(dòng)能減小。

        5.通過真實(shí)情境分析,學(xué)生能求解一維彈性碰撞問題。

        教學(xué)設(shè)計(jì)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(yàn),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(shí)驗(yàn)探究能力。

        1.引入部分。

        通過臺(tái)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(cè)臺(tái)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(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)提出問題,形成猜想和假設(shè),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案,養(yǎng)成實(shí)驗(yàn)探究意識(shí)。

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

        師:觀察到了什么現(xiàn)象?

        生:兩個(gè)小球發(fā)生碰撞,母球碰后靜止不動(dòng)。

        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(cè)的理由?

        生:碰撞過程中動(dòng)量守恒,因?yàn)榕鲎策^程中時(shí)間很短,碰撞的力很大,動(dòng)量守恒。

        師:很好,碰撞過程中系統(tǒng)的動(dòng)能會(huì)變化嗎?

        生:碰撞過程會(huì)發(fā)熱,動(dòng)能應(yīng)該會(huì)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(dòng)能會(huì)減少。

        師:能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想呢?

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

        師:非常好,這位同學(xué)給出了驗(yàn)證猜想的實(shí)驗(yàn)方案,需要測(cè)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(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析綜合,確定實(shí)驗(yàn)過程需要測(cè)量的物理量,以及比較碰撞前后系統(tǒng)的動(dòng)量和動(dòng)能的表達(dá)式,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和把握,同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)量守恒和動(dòng)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(duì)實(shí)際生活中彈性碰撞的理解,為學(xué)生提供了利用實(shí)際情況驗(yàn)證理論結(jié)論是否正確的方法。課堂上利用牛頓擺實(shí)驗(yàn)做演示,進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的理解。通過問題:碰撞前后動(dòng)能一定不變嗎?動(dòng)量一定不變嗎?引出非彈性碰撞內(nèi)容。

        師:實(shí)驗(yàn)中利用氣墊導(dǎo)軌有什么優(yōu)勢(shì)?

        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(dòng),因此可以準(zhǔn)確測(cè)量碰撞前后物體的運(yùn)動(dòng)速度。

        師:如何通過光電門測(cè)量物體的速度?

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

        師:如何利用表達(dá)式確定物體碰撞前后動(dòng)量守恒?

        生:利用動(dòng)量公式,只要比較碰前系統(tǒng)動(dòng)量p1=m1+m2與碰后系統(tǒng)動(dòng)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(yàn)證+=+是否成立,若成立則動(dòng)量守恒,否則動(dòng)量不守恒。(實(shí)驗(yàn)利用一個(gè)滑塊碰撞另一個(gè)帶彈簧的滑塊,利用電子秤測(cè)量兩滑塊的質(zhì)量,利用光電門測(cè)量時(shí)間,具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及計(jì)算過程略。)

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

        生:這個(gè)應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)誤差。

        師:對(duì)的,嚴(yán)格上來講,一次實(shí)驗(yàn)并不能得出結(jié)論,需要重復(fù)多次實(shí)驗(yàn),最后得出結(jié)論。在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),碰撞過程動(dòng)量守恒。

        師:如何利用表達(dá)式確定物體碰撞前后的動(dòng)能變化?

        生:方法與驗(yàn)證動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程略。)

        師:通過求解碰撞前后的動(dòng)能,可以得出什么樣的結(jié)論?

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

        師:很好。從實(shí)驗(yàn)中可以看出,兩個(gè)物體碰撞前后的動(dòng)能幾乎不變。我們把系統(tǒng)在碰撞前后動(dòng)能不變的碰撞稱為彈性碰撞?,F(xiàn)實(shí)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(gè)碰撞的實(shí)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(dòng)量守恒與動(dòng)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(dòng)量守恒:m1v1=m1v'1+m2v'2;碰撞前后動(dòng)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(shí),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(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋嗎?

        生:兩個(gè)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(yàn)牛頓擺實(shí)驗(yàn),加深印象。)

        師:碰撞前后動(dòng)能一定不變嗎?動(dòng)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(duì)彈性碰撞有了基本的認(rèn)識(shí),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(dòng)量和動(dòng)能如何變化?利用實(shí)驗(yàn)對(duì)非彈性碰撞前后的動(dòng)量和動(dòng)能進(jìn)行對(duì)比,結(jié)合數(shù)據(jù)分析,得出在非彈性碰撞的過程中動(dòng)量依然守恒,而動(dòng)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(shí)的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)量守恒,同時(shí)對(duì)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(duì)碰撞有進(jìn)一步的了解,為學(xué)有余力的學(xué)生對(duì)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(cè)量通過光電門的時(shí)間以及滑塊質(zhì)量,分析計(jì)算碰撞前后系統(tǒng)的動(dòng)量與動(dòng)能變化。(具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理過程略。)

        師:從實(shí)驗(yàn)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(dòng)量基本相等,在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),動(dòng)量守恒。

        師:好的,動(dòng)能呢?

        生:碰后的動(dòng)能大約是碰前動(dòng)能的一半,碰后動(dòng)能明顯減少。

        師:非常好。我們把系統(tǒng)在碰撞后動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)我們可以做一個(gè)總結(jié),在碰撞過程中,動(dòng)量守恒,但動(dòng)能有可能不變,也可能較少。根據(jù)動(dòng)能是否減少進(jìn)行分類,動(dòng)能不變的碰撞稱為彈性碰撞,動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)量定理可知,系統(tǒng)動(dòng)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(shí)問題,讓學(xué)生對(duì)碰撞擁有一個(gè)更加全面而深刻的認(rèn)識(shí)。

        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(dòng)過程,兩小球在運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)能變化與彈性勢(shì)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(shì)能完全釋放,而非彈性碰撞是彈性勢(shì)能并未完全釋放,而當(dāng)兩小球共速時(shí),系統(tǒng)的動(dòng)能減小最多,若此時(shí)彈簧的彈性勢(shì)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(duì)物理知識(shí)實(shí)用性的認(rèn)識(shí),進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)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(jí)彈性小球的研究性學(xué)習(xí)課題。圖4所示為實(shí)驗(yàn)中可使用的各種不同大小的彈性球,同時(shí)讓學(xué)生課后做進(jìn)一步的研究,有助于學(xué)生對(duì)彈性碰撞和非彈性碰撞有更加深入的理解和認(rèn)識(shí)。

        綜上所述,我的教學(xué)思路其實(shí)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(shí),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(shí)現(xiàn)讓學(xué)生在科學(xué)探究的過程中,掌握知識(shí),領(lǐng)悟方法,完成知識(shí)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(gè)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(shí)使用的是一項(xiàng)打臺(tái)球的技術(shù)“定桿”,學(xué)生對(duì)這一情境較為熟悉,同時(shí)也對(duì)如何學(xué)會(huì)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(shí)驗(yàn)在發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的作用。物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué),因此在課程設(shè)計(jì)上重視了實(shí)驗(yàn)對(duì)于發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的作用,通過讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,分析比較物體碰撞前后動(dòng)能、動(dòng)量變化情況的表達(dá)式,確定實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的物理量,通過分析實(shí)驗(yàn)中得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)碰撞過程中的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

        3.重視模型建構(gòu),培養(yǎng)科學(xué)思維。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,更需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建合理的物理模型,比如通過碰撞實(shí)驗(yàn)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(duì)于新接觸的知識(shí)和規(guī)律,通過提升感性認(rèn)識(shí)、實(shí)際應(yīng)用有助于學(xué)生對(duì)新知識(shí)和規(guī)律的理解和把握,在知識(shí)的理解和把握中深化活化思維深度。

        與此同時(shí),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(shí)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(shí)間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí),獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析。

        編輯/魏繼軍

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