摘 要：高中物理碰撞問(wèn)題是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力的重要載體.為了有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，筆者探討了碰撞實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象、物理量變化、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，并圍繞碰撞實(shí)驗(yàn)建構(gòu)了物理模型和數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步探索了三維碰撞、變質(zhì)量系統(tǒng)、微觀粒子碰撞及現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用等拓展模型，為高中物理教學(xué)提供了新的視角和思路.

關(guān)鍵詞：高中物理；科學(xué)思維；模型；典型問(wèn)題

中圖分類號(hào)：G632"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"" 文章編號(hào)：1008-0333（2024）34-0101-03

收稿日期：2024-09-05

作者簡(jiǎn)介：許妙杰（1988.4—），男，福建省南平人，本科，中學(xué)二級(jí)教師，從事高中物理教學(xué)研究.

在高中物理課程中，碰撞問(wèn)題是力學(xué)部分的核心內(nèi)容，也是培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)的主要途徑.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，碰撞問(wèn)題的研究已深入到微觀領(lǐng)域，對(duì)物理模型的建構(gòu)和求解方法也提出了更高要求.本文深入分析高中物理中的碰撞類型及其典型問(wèn)題，探討科學(xué)思維的培養(yǎng)與模型建構(gòu)策略，有助于提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

1 碰撞的類型及典型問(wèn)題

碰撞描述的是兩個(gè)或多個(gè)物體在極短時(shí)間內(nèi)的相互作用下，速度、動(dòng)量或能量發(fā)生顯著變化的過(guò)程.碰撞根據(jù)能量損失的不同，可以劃分為彈性碰撞、非彈性碰撞和完全非彈性碰撞三種類型.彈性碰撞是指碰撞過(guò)程中系統(tǒng)總動(dòng)能保持不變，即碰撞前后各物體的動(dòng)能之和相等，且碰撞后物體能夠恢復(fù)到原來(lái)的形狀，不產(chǎn)生永久形變.在彈性碰撞中，動(dòng)量守恒定律和機(jī)械能守恒定律同時(shí)成立，是研究碰撞問(wèn)題的基礎(chǔ).與彈性碰撞相對(duì)的是非彈性碰撞，其系統(tǒng)總動(dòng)能會(huì)有所損失，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能或其他形式的能量，導(dǎo)致碰撞后物體的速度減小，且碰撞后物體發(fā)生形變[1].在非彈性碰撞中，動(dòng)量仍然守恒，但機(jī)械能不再守恒，這是區(qū)分彈性碰撞與非彈性碰撞的關(guān)鍵.兩個(gè)物體碰撞后黏合在一起，并以共同速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的非彈性碰撞，被稱為完全非彈性碰撞.完全非彈性碰撞中的系統(tǒng)動(dòng)能損失最大，碰撞后的速度可以通過(guò)動(dòng)量守恒定律直接求出.

碰撞問(wèn)題中蘊(yùn)含的典型問(wèn)題包括：兩球正碰后的速度計(jì)算、斜碰中的動(dòng)量分配、不同質(zhì)量物體碰撞后的動(dòng)能變化，以及完全非彈性碰撞中的能量損失等.不僅考查學(xué)生對(duì)動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律的理解和應(yīng)用能力，還要求學(xué)生具備將實(shí)際問(wèn)題抽象為物理模型的能力，以及運(yùn)用數(shù)學(xué)工具求解問(wèn)題的能力.

2 基于碰撞典型問(wèn)題的科學(xué)思維培養(yǎng)策略

2.1 觀察碰撞實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)證精神

學(xué)生在仔細(xì)觀察碰撞實(shí)驗(yàn)中前后物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整個(gè)過(guò)程中，能夠深刻體會(huì)到科學(xué)結(jié)論需基于大量實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)分析得出.為了有效利用碰撞實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)證精神，教師應(yīng)精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全可控且可清晰地展示碰撞現(xiàn)象的關(guān)鍵特征，并向?qū)W生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、步驟和注意事項(xiàng)，引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出自己的假設(shè).在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生仔細(xì)觀察，指導(dǎo)學(xué)生正確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)其數(shù)據(jù)意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度[2].當(dāng)學(xué)生遇到困惑或疑問(wèn)時(shí)，教師應(yīng)耐心解答，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)進(jìn)一步的觀察和分析尋找答案.在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師可組織學(xué)生討論總結(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生分享自己的觀察結(jié)果和實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，并嘗試運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而幫助學(xué)生深入理解碰撞現(xiàn)象，形成科學(xué)實(shí)驗(yàn)的意識(shí).

2.2 利用物理量變化，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維

物理量變化可直接反映物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，是培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力的良好素材.碰撞實(shí)驗(yàn)作為物理學(xué)中的一個(gè)經(jīng)典案例，其內(nèi)在的物理規(guī)律與物理量之間的相互作用，為學(xué)生提供了一個(gè)復(fù)雜而有序的邏輯推理框架.通過(guò)分析碰撞前后速度、動(dòng)量、動(dòng)能等物理量的變化，學(xué)生不僅能夠深入理解物理定律的實(shí)質(zhì)，還能在解決問(wèn)題的過(guò)程中鍛煉自己的邏輯思維能力.為了有效利用碰撞實(shí)驗(yàn)中的物理量變化培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，教師應(yīng)精心選擇物理量變化明顯的碰撞實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)生觀察和記錄.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注碰撞前后各個(gè)物理量的具體數(shù)值及其變化趨勢(shì).此外，教師可以讓學(xué)生探討在不同條件下（如不同質(zhì)量比、不同初速度等）碰撞結(jié)果的差異，并嘗試用物理定律和數(shù)學(xué)工具解釋和預(yù)測(cè)碰撞結(jié)果，促使學(xué)生深入思考物理現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，進(jìn)一步提升邏輯思維能力.

2.3 對(duì)比不同解法，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維

不同解法的出現(xiàn)源于對(duì)問(wèn)題不同角度的審視和假設(shè).不同解法之間的對(duì)比與評(píng)估，能夠促使學(xué)生跳出常規(guī)思維框架，采用質(zhì)疑、分析和評(píng)價(jià)的方式，關(guān)注不同解法得出的結(jié)論是否一致，深入剖析不同解法背后的假設(shè)的合理性以及可能存在的局限性，進(jìn)而逐漸形成批判性思維能力.這種能力不僅對(duì)學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)大有裨益，還能為其未來(lái)的科學(xué)探究提供強(qiáng)大的智力支持.碰撞實(shí)驗(yàn)中問(wèn)題的多樣性和復(fù)雜性，催生了多種解法，為學(xué)生的批判性思維培養(yǎng)提供了肥沃的土壤，因此，教師可充分利用不同碰撞實(shí)驗(yàn)中的不同解法培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力.教師可以依托碰撞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一系列具有層次性和挑戰(zhàn)性的教學(xué)活動(dòng).例如，選擇兩球一維彈性碰撞實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生探索動(dòng)量守恒法、動(dòng)能守恒法、速度分解法、相對(duì)運(yùn)動(dòng)法等解決這一實(shí)驗(yàn)的方法，并要求學(xué)生清晰闡述上述各種解法的步驟和結(jié)果，深入分析其背后的物理意義和假設(shè)條件[3].接下來(lái)，教師可以組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，引導(dǎo)學(xué)生就各種解法的合理性、簡(jiǎn)潔性、適用范圍等方面展開(kāi)辯論，通過(guò)相互質(zhì)疑、反駁和補(bǔ)充，不斷完善自己的認(rèn)識(shí)和理解.

2.4 鼓勵(lì)提出創(chuàng)新方案，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

創(chuàng)新思維是推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)發(fā)展的核心動(dòng)力，其核心在于敢于突破常規(guī)，勇于嘗試新路徑，善于從不同角度審視問(wèn)題.在碰撞問(wèn)題的探索中，鼓勵(lì)學(xué)生跳出既定框架，提出新的假設(shè)和解決方案，不僅能夠加深學(xué)生對(duì)物理原理的理解，更能激發(fā)他們的創(chuàng)造力和想象力.以“兩球一維非彈性碰撞”這一經(jīng)典碰撞實(shí)驗(yàn)為例，常規(guī)實(shí)驗(yàn)方案主要是通過(guò)測(cè)量碰撞前后兩球的速度變化驗(yàn)證理論.在常規(guī)方案的基礎(chǔ)上，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考：如何改變實(shí)驗(yàn)條件（如球的材質(zhì)、大小、初始速度等），探究材料屬性對(duì)碰撞結(jié)果的影響？能否設(shè)計(jì)一種裝置，使碰撞過(guò)程可視化，實(shí)時(shí)記錄碰撞過(guò)程中的力、速度、加速度等物理量，進(jìn)而更直觀地理解能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程？

3 關(guān)于碰撞問(wèn)題的模型建構(gòu)

3.1 物理模型

物理模型可提取碰撞系統(tǒng)的關(guān)鍵特征，不僅可幫助學(xué)生簡(jiǎn)化復(fù)雜的物理現(xiàn)象，還可助學(xué)生更加精確地分析和預(yù)測(cè)碰撞過(guò)程中的各種動(dòng)態(tài)變化，有效解決碰撞問(wèn)題.在教學(xué)實(shí)踐中，教師應(yīng)根據(jù)碰撞問(wèn)題的不同特性和教學(xué)目標(biāo)，靈活構(gòu)建多種物理模型.首先，質(zhì)點(diǎn)模型是一種極為基礎(chǔ)且廣泛應(yīng)用的模型，其忽略了物體的大小和形狀，將其視為具有質(zhì)量的點(diǎn).這一模型在處理不涉及物體形狀變化和內(nèi)部應(yīng)力分布的問(wèn)題時(shí)尤為有效，如兩個(gè)小球在光滑水平面上的正碰或斜碰.通過(guò)質(zhì)點(diǎn)模型，學(xué)生能夠直觀地理解動(dòng)量守恒定律在碰撞中的應(yīng)用，以及碰撞前后的速度變化關(guān)系.其次，剛體模型是另一種重要的物理模型，其假設(shè)物體在碰撞過(guò)程中形狀和大小保持不變，且內(nèi)部各點(diǎn)間的相對(duì)位置不發(fā)生變化.這一模型適用于描述那些形變極小或可以忽略不計(jì)的碰撞過(guò)程，如金屬塊之間的撞擊.剛體模型不僅保留了物體質(zhì)量分布的信息，還可支持學(xué)生分析碰撞時(shí)的角動(dòng)量守恒問(wèn)題，進(jìn)一步豐富了碰撞問(wèn)題的研究維度.

3.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型的核心在于運(yùn)用動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律等物理規(guī)律，結(jié)合碰撞系統(tǒng)的初始條件，構(gòu)建出能夠反映碰撞過(guò)程動(dòng)態(tài)變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式.這無(wú)論是代數(shù)方程、微分方程還是其他形式的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，都是學(xué)生求解碰撞問(wèn)題的有效工具.在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)根據(jù)碰撞問(wèn)題的具體類型，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.例如，在處理一維彈性碰撞問(wèn)題時(shí)，可以構(gòu)建基于動(dòng)量守恒和動(dòng)能守恒的方程組，通過(guò)求解該方程組得到碰撞后物體的速度.對(duì)于更為復(fù)雜的碰撞問(wèn)題，如涉及多物體、多維空間或非彈性碰撞的情況，數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建將更加復(fù)雜，但也更加有趣和富有挑戰(zhàn)性.教師可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用向量分析、微積分等高級(jí)數(shù)學(xué)工具，建立能夠描述碰撞過(guò)程中物體位置、速度、加速度等物理量變化的數(shù)學(xué)模型，幫助學(xué)生解決碰撞實(shí)驗(yàn)中具體問(wèn)題的同時(shí)，還能使學(xué)生深入理解物理現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律[4].

3.3 拓展模型

建構(gòu)拓展模型能夠幫助學(xué)生應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的碰撞場(chǎng)景，更加全面、深入地探索碰撞現(xiàn)象的本質(zhì)，為解決碰撞實(shí)驗(yàn)中的典型問(wèn)題提供更為豐富和有效的手段.首先，構(gòu)建三維碰撞模型.在現(xiàn)實(shí)世界中，多數(shù)碰撞發(fā)生在三維空間中，因此，將碰撞問(wèn)題拓展到三維空間，不僅使模型更加接近實(shí)際情況，還能揭示出更多在二維或一維模型中難以觀察到的物理現(xiàn)象.教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生理解三維空間中的向量運(yùn)算和動(dòng)量守恒、角動(dòng)量守恒等物理規(guī)律，構(gòu)建出能夠描述三維碰撞過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，解決諸如球體間非正碰、旋轉(zhuǎn)物體碰撞等復(fù)雜問(wèn)題，提升學(xué)生對(duì)三維空間中物理現(xiàn)象的認(rèn)知能力[5].其次，建構(gòu)變質(zhì)量系統(tǒng).在某些碰撞過(guò)程中，系統(tǒng)的質(zhì)量可能會(huì)發(fā)生變化，如爆炸、燃燒等過(guò)程導(dǎo)致的質(zhì)量損失或增加，這類問(wèn)題在航天、軍事等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值.教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析變質(zhì)量系統(tǒng)下的動(dòng)量守恒和能量守恒關(guān)系，構(gòu)建出能夠描述變質(zhì)量碰撞過(guò)程的模型，幫助學(xué)生理解質(zhì)量變化對(duì)碰撞過(guò)程的影響.再次，構(gòu)建微觀粒子碰撞模型.微觀粒子間的碰撞不僅遵循動(dòng)量守恒和能量守恒等基本物理規(guī)律，還受到量子力學(xué)、相對(duì)論等高級(jí)物理理論的影響.教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生了解微觀粒子碰撞的特點(diǎn)和規(guī)律，構(gòu)建出能夠描述微觀粒子碰撞過(guò)程的模型，培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代物理思維.最后，建構(gòu)現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用模型.教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)、實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)手段的基本原理和應(yīng)用方法，如利用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行碰撞模擬實(shí)驗(yàn)、利用高精度測(cè)量設(shè)備測(cè)量碰撞參數(shù)，以提高碰撞問(wèn)題研究的效率和準(zhǔn)確性.

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章對(duì)高中物理中的碰撞類型及其典型問(wèn)題進(jìn)行了探討與分析，并通過(guò)科學(xué)思維的培養(yǎng)與模型建構(gòu)的策略，為學(xué)生和教師提供了有效的方法.

模型建構(gòu)能夠豐富學(xué)生的知識(shí)體系，并為學(xué)生提供有效的問(wèn)題解決工具.未來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和教學(xué)理念的不斷變化，教師應(yīng)該探索更多有效的教學(xué)策略，以進(jìn)一步提升高中物理教學(xué)的質(zhì)量和效果，為學(xué)生的全面發(fā)展提供有力的支撐.

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［責(zé)任編輯：李 璟］