摘 要：通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)，探究沖量的測(cè)量及緩沖原理.首先，通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)研究動(dòng)量的變化量；接著，探究沖量的數(shù)值；最后，分析沖量與動(dòng)量變化量的關(guān)系.這樣可以培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、動(dòng)手能力和論證科學(xué)探究方案合理性的能力，激發(fā)學(xué)生敢于探究、勇于創(chuàng)新的思想，重視科學(xué)探究.同時(shí)，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情景，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，引導(dǎo)他們積極參與和體驗(yàn)探究過(guò)程，有計(jì)劃、有步驟地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)方法、科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度.

關(guān)鍵詞：情景化教學(xué)；自主探究；沖量；動(dòng)量；核心素養(yǎng)；新課教學(xué)

中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-0333（2023）30-0110-03

收稿日期：2023-07-25

作者簡(jiǎn)介：

董瑞（1974-），男，黑龍江人，碩士，中學(xué)高級(jí)教師，從事中學(xué)物理教學(xué)研究；

馬耀林（1997-），男，黑龍江人，學(xué)士，中學(xué)初級(jí)教師，從事中學(xué)物理教學(xué)研究.

本探究課程內(nèi)容選自高中物理教材（人教版）選擇性必修一第一章.本章主要知識(shí)點(diǎn)是沖量、動(dòng)量的概念及動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律.方法上要求矢量式的運(yùn)算，系統(tǒng)思想的建立.由于這一章的內(nèi)容是學(xué)生第一次接觸，而且概念抽象，歷年都是教學(xué)的難點(diǎn).

為了體現(xiàn)學(xué)生在教學(xué)中的主體地位，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，并且能更好地掌握這一難點(diǎn)，我將教材做了局部調(diào)整：第一節(jié)引入動(dòng)量沖量的概念，以及引入的原由；第二節(jié)課讓學(xué)生親自參與到對(duì)沖量動(dòng)量的研究中來(lái)，使這個(gè)抽象的概念變得直觀具體，并且通過(guò)探究掌握沖量的測(cè)量、動(dòng)量的計(jì)算由此得出動(dòng)量沖量的關(guān)系^[1].

1 教學(xué)過(guò)程

第一步：首先，讓學(xué)生明確本堂探究課的目的.接著，引導(dǎo)學(xué)生思考如何設(shè)計(jì)自己的探究方案，并進(jìn)行科學(xué)探究^[2].

第二步：讓學(xué)生展示自己的探究方案，并與同學(xué)們一起討論方案的可行性^[3].在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生既能進(jìn)一步理解教學(xué)目的，也能深入了解儀器的使用.特別是學(xué)生通過(guò)彼此之間的交流和討論，可以加深對(duì)本節(jié)知識(shí)的理解.在篩選和論證的過(guò)程中，大部分方案將被證明是不可行的.然而，通過(guò)優(yōu)化組合和選擇不同方案的可行部分，學(xué)生可以設(shè)計(jì)出一個(gè)大家都能接受的方案.然后，實(shí)驗(yàn)教師再幫助學(xué)生制作出所需的儀器，從而完成前提工作.

2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)說(shuō)明

如圖1中，件1為一剛性小球（質(zhì)量為M）是本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，其裝于吊桿兒（輕質(zhì)）件2上，吊桿裝于擺架件3上，球擺可以繞擺架軸線在垂直平面內(nèi)擺動(dòng)，件4為擺球高度記憶指針，記錄擺球每次釋放前的高度，件5為光電門遮光柱，安裝在擺球中心于擺架轉(zhuǎn)軸連線的中心點(diǎn)處，其直徑為一定值（d）與光電門件8共同測(cè)量擺球下落到豎直下方時(shí)刻的速度（間接），件7為力傳感器，件6為彈簧圈（有不同彈性參數(shù)的若干種），彈簧圈安裝在力傳感器上，與力傳感器共同測(cè)量它與擺球發(fā)生碰撞時(shí)，期間的作用力及作用力與時(shí)間的關(guān)系，整個(gè)裝置安裝在一豎直布置的基板上，如圖2.

第三步：這節(jié)課采用學(xué)生和教師同時(shí)參與的探究方式，所有的操作過(guò)程均在課堂實(shí)現(xiàn).

3 引入新課

高一力學(xué)的中心課題是研究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系.我們學(xué)過(guò)的牛頓運(yùn)動(dòng)定律是從瞬時(shí)角度研究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，而功和能是從空間過(guò)程研究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系.那么，如何從時(shí)間過(guò)程研究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系？這就引出了我們定義的一個(gè)概念：沖量.動(dòng)能定理是從功改變動(dòng)能這個(gè)角度來(lái)研究力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的，那么，沖量是如何改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的？沖量與哪個(gè)狀態(tài)量變化相對(duì)應(yīng)？恒力的沖量又是如何改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的？我們可以用公式表示為：Ft=mv₂-mv₁.接下來(lái)，我們將探討變力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響.前面我們已經(jīng)通過(guò)公式推導(dǎo)了解了變力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，但目前計(jì)算變力沖量的手段還不夠成熟.因此，我們將采用實(shí)驗(yàn)探究的方式來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題.

3.1 沖量的測(cè)量、緩沖原理

在豎直面上，從一定高度釋放擺球，撞擊安裝在力傳感器上的彈簧圈.通過(guò)形變產(chǎn)生的彈力作用一段時(shí)間，使用力傳感器記錄下擺球與彈簧圈碰撞過(guò)程中的F-t圖像.利用DIS系統(tǒng)的積分功能計(jì)算出彈簧圈受到的沖量，并明確沖量是由彈簧圈產(chǎn)生的.接著更換不同軟硬度的彈簧圈，測(cè)量力的大小.發(fā)現(xiàn)小球從相同高度下落時(shí)，彈簧圈越軟，小球受到的平均力越小，說(shuō)明緩沖可以減小撞擊力.圖3展示了小球從同一高度擺下，分別與三個(gè)彈性不同的彈簧圈相碰的情況.可以看出，硬度越大，作用時(shí)間越短，力的平均值越大；而硬度越小，作用時(shí)間越長(zhǎng)，力的平均值越小^[4].

3.2 動(dòng)量變化量的測(cè)量

通過(guò)光電門測(cè)量擺架轉(zhuǎn)軸與擺球中心連線的1/2處擺桿兩次通過(guò)光電門的時(shí)間，然后使用游標(biāo)卡尺測(cè)量擺臂的直徑.根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出碰撞前后的速度，乘以2得到擺球碰撞前后的速度.使用天平稱出擺球的質(zhì)量，乘以速度得到碰撞前的動(dòng)量.同樣，測(cè)量碰撞后小球的動(dòng)量.參考表1和圖4.

3.3 動(dòng)量變化量與沖量關(guān)系的探究

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，沖量與動(dòng)量之間沒(méi)有直接關(guān)系.然而，經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究后，發(fā)現(xiàn)在誤差范圍內(nèi)，小球所受的沖量與小球動(dòng)量的變化量相等.這可以在表2和圖5中看到.

經(jīng)過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)相同的結(jié)論，這證實(shí)了動(dòng)量與沖量之間存在關(guān)系.沖量等于動(dòng)量的變化量.

4 教學(xué)流程圖

5 課堂總結(jié)

5.1 對(duì)于本節(jié)探究課的幾點(diǎn)思考

（1）在動(dòng)量定理這一節(jié)的學(xué)習(xí)中，以往的教學(xué)方法主要是通過(guò)理論推導(dǎo)得出論斷.然而，學(xué)生對(duì)動(dòng)量和沖量的關(guān)系并沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立起來(lái)，缺乏感性認(rèn)識(shí)，因此，需要教師不斷地強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn).為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們嘗試采用探究性學(xué)習(xí)的方式來(lái)開展這一節(jié)的知識(shí).

（2）本探究課程結(jié)合了實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，以及傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的可信性、微機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算的直觀性.彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和微機(jī)模擬的不足，一些快速且微小的變化實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中難以解決的問(wèn)題（例如瞬時(shí)速度的測(cè)量，撞擊力的測(cè)量）得到了解決，因此數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì).

（3）這種探究方式體現(xiàn)了當(dāng)今課改的要求：改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，激發(fā)創(chuàng)新精神，為終身發(fā)展奠定基礎(chǔ).數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了一個(gè)平臺(tái)，讓他們能充分放開思想，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用DIS系統(tǒng)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)想，無(wú)需受教師限制，教師僅提供必要環(huán)境和建議.在探究過(guò)程中，學(xué)生增強(qiáng)了動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)品質(zhì)和敢于面對(duì)失敗的頑強(qiáng)精神，體驗(yàn)創(chuàng)造與成功的快樂(lè).

5.2 本課的探究過(guò)程也存在一定問(wèn)題和不足

（1）這節(jié)課的準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，學(xué)生需要熟悉軟件并設(shè)計(jì)探究過(guò)程的形式.然而，僅在第一次時(shí)需要花費(fèi)較多時(shí)間熟悉軟件，以后就可以節(jié)省出這部分時(shí)間.此外，方案的設(shè)計(jì)時(shí)間完全可以在課下進(jìn)行，方案的論證也可以利用課間或中午時(shí)間進(jìn)行.只要教師組織有序，這個(gè)問(wèn)題就可以解決.

（2）當(dāng)學(xué)生提出設(shè)計(jì)方案時(shí)，這個(gè)論證過(guò)程可能會(huì)顯得繁瑣，因?yàn)樾枰页龇桨傅牟缓侠碇?，促使學(xué)生不斷改進(jìn).為解決這一問(wèn)題，可以將學(xué)生每四人組成一個(gè)學(xué)習(xí)小組，讓每個(gè)小組內(nèi)部先提出一個(gè)最佳方案，然后再在小組之間進(jìn)行論證.這樣一來(lái)，這個(gè)問(wèn)題就能得到一定程度的解決.

（3）儀器裝備價(jià)格較高，無(wú)法為全班配備.但通過(guò)小組學(xué)習(xí)方式，每個(gè)小組可以解決這個(gè)問(wèn)題，從而在一定程度上緩解壓力.當(dāng)學(xué)生完成設(shè)計(jì)方案時(shí)，器材制作會(huì)面臨一定的難度，需要教師的大力支持.此外，教師應(yīng)具備較強(qiáng)的自制教具能力.要解決這個(gè)問(wèn)題，可以從以下四個(gè)方面入手：首先是教師本人的參與；其次是請(qǐng)實(shí)驗(yàn)教師提供大力協(xié)助；再次是學(xué)生本人的努力；最后是請(qǐng)家長(zhǎng)提供幫助.在整個(gè)探究過(guò)程中，學(xué)生們遇到了許多困難，然而，每克服一個(gè)困難，他們都會(huì)獲得巨大的成就感，這進(jìn)一步增強(qiáng)了他們對(duì)探究的興趣和欲望.

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[責(zé)任編輯：李 璟]