◆杭州市臨平職業(yè)高級(jí)中學(xué) 倪志強(qiáng)

碰撞是自然界中的普遍現(xiàn)象，臺(tái)球桌上出色的一擊、冰壺場(chǎng)上絕妙的“雙飛”等碰撞現(xiàn)象都令人叫絕。觀察與思考碰撞現(xiàn)象有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、創(chuàng)新能力，提升學(xué)科核心素養(yǎng)方面起著重要的作用。我利用常見(jiàn)的硬幣設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，帶領(lǐng)學(xué)生探究一維的彈性碰撞規(guī)律，使學(xué)生從硬幣的碰撞現(xiàn)象中理解物理規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)創(chuàng)設(shè)情境，在實(shí)踐中體驗(yàn)彈性正碰的神奇現(xiàn)象，在思考中了解碰撞遵守的基本物理規(guī)律，用課堂學(xué)到的知識(shí)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖1 學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：將兩枚相同幣值的硬幣相鄰并排，靜置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上，用一枚等值硬幣迅速?zèng)_擊第一枚硬幣，使它快速與第二枚硬幣發(fā)生碰撞。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：第一枚硬幣停止，第二枚硬幣沿第一枚硬幣的運(yùn)動(dòng)方向前行（交換速度）。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)：剛開(kāi)始操作時(shí)，學(xué)生忽略了“兩枚硬幣應(yīng)‘正面’撞擊”這個(gè)實(shí)驗(yàn)條件，所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)與實(shí)驗(yàn)一的情境對(duì)比，總結(jié)規(guī)律。明確研究對(duì)象，體驗(yàn)基于事實(shí)構(gòu)建物理模型的抽象概括過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：將多枚幣值相等的硬幣放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上，排成一行（硬幣之間不留空隙）。用一枚等值硬幣迅速?zèng)_擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發(fā)生碰撞。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：第一枚硬幣撞擊相鄰硬幣的同時(shí)，行末的硬幣迅速地“飛”出去。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)：通過(guò)幾次練習(xí)，學(xué)生很容易掌握操作要領(lǐng)。本實(shí)驗(yàn)與牛頓碰撞球?qū)嶒?yàn)類似，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。部分學(xué)生認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象屬于偶然現(xiàn)象，于是減少硬幣的數(shù)量繼續(xù)開(kāi)展類似的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這并非偶然現(xiàn)象。

圖2 將幾枚相同幣值的硬幣排成一行

實(shí)驗(yàn)三

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模哼M(jìn)一步引入其他力的作用，雖有外力作用但遠(yuǎn)小于內(nèi)力，且碰撞時(shí)間極短，外力在碰撞中屬于次要因素。體會(huì)理想化模型是為了便于研究問(wèn)題而忽略次要因素建立的一種高度抽象的理想客體。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：將多枚幣值相等的硬幣放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上，排成一行（硬幣之間不留空隙）。用手按壓住其中一枚硬幣，用一枚等值硬幣迅速?zèng)_擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發(fā)生碰撞。讓學(xué)生猜測(cè)會(huì)出現(xiàn)怎樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：幾乎在第一枚硬幣撞擊相鄰的硬幣的同時(shí)，行末的硬幣迅速“飛”出去。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)：絕大部分學(xué)生猜測(cè)，按壓著的硬幣及其后方的硬幣會(huì)靜止。然而實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)一的現(xiàn)象一致，與是否按壓硬幣無(wú)關(guān)。這讓學(xué)生感到很意外。

實(shí)驗(yàn)收獲：通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)使學(xué)生形成物理觀念——物理規(guī)律應(yīng)確認(rèn)其適用條件，并在不斷修正下使其更具普遍性。

圖3 按住其中一枚硬幣

實(shí)驗(yàn)四

圖4 學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

操作一：將幾枚幣值相等的硬幣排成一行，在其中間放入一枚不同幣值的硬幣，用一枚硬幣（幣值與排成行的硬幣相同）迅速?zèng)_擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發(fā)生碰撞。

操作二：將幾枚幣值相等的硬幣排成一行，在其中間放入一塊橡皮，用一枚硬幣（幣值與排成行的硬幣相同）迅速?zèng)_擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發(fā)生碰撞。

操作三：用手指按住橡皮，用一枚硬幣（幣值與排成行的硬幣相同）迅速?zèng)_擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發(fā)生碰撞。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：操作一完成后，后放入的硬幣及其兩側(cè)相鄰的硬幣散開(kāi)。操作二完成后，后放入的橡皮及其兩側(cè)相鄰的硬幣散開(kāi)。操作三完成后，橡皮的位置未發(fā)生變化，左側(cè)相鄰的硬幣散開(kāi)，右側(cè)相鄰硬幣的位置幾乎沒(méi)有變化。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)：經(jīng)過(guò)前面的探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生開(kāi)始猜測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不再輕信、崇拜“權(quán)威”。當(dāng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的猜測(cè)意見(jiàn)難以統(tǒng)一時(shí)，便通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證。

表1 學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的猜測(cè)與觀察到的實(shí)際現(xiàn)象記錄表

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，可對(duì)能量如何傳播、怎樣有效傳播的規(guī)律進(jìn)行歸納：兩枚硬幣在碰撞瞬間發(fā)生彈性形變產(chǎn)生彈力，當(dāng)它們的相對(duì)速度為零時(shí)，形變達(dá)到最大值，彈性勢(shì)能最大。在彈力的作用下，前（后）方的硬幣做加（減）速運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能銳增（減），前方的硬幣加速向前。后方硬幣的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為前方硬幣的動(dòng)能。當(dāng)硬幣恢復(fù)原狀即彈力為零時(shí)，前方的硬幣動(dòng)能達(dá)到最大值。若是規(guī)格（質(zhì)量）一樣的硬幣，由牛頓運(yùn)動(dòng)定律及對(duì)稱性原則可知，當(dāng)彈力為零時(shí)，后方硬幣速度恰好為零，反之亦然。

學(xué)生通過(guò)神奇的碰撞實(shí)驗(yàn)，拓寬了知識(shí)面，加深了對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的理解，增強(qiáng)了理論與實(shí)踐結(jié)合的意識(shí)，提升了解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和實(shí)際操作能力。