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研讨活动
新高考模式下选修科目优质教学构建研究
发布时间:2014-11-13 00:00:00  发布人:王希俭
江苏省第九期教研课题研究-案例

2014-2-10 发表 居津

实验探究碰撞中的不变量  教学设计
设计思想
  1.设计思想:新教科书关于动量的教学,与过去相比变化很大。突出了两点:体现学习中的探究精神;强调物理学中“不变量”的思想。通过本人对《课标》和《物理学史》的研究,本节课设计从了解部分物理学史入手,分析为什么在碰撞中找不变量,让学生体会怎样在碰撞中找不变量的过程。通过学生分组实验结合以前学习的知识,从猜想动能守恒的熟悉情境到其他情境,从探究动能守恒的过程作为启发逐步引导探究发现碰撞中的不变量,让学生在实验探究引导和实践中收获“不变量的猜想”成果,体验学习探究过程,了解碰撞前后物块速度的获得方法,发展对学科的兴趣与热情,培养实验探究能力和交流协作能力,体现到各学科之间的联系,各事物间的关联性,感悟自然界的和谐与统一。
  2.设计元素:尝试从物理学史的角度入手解决为什么在碰撞中找不变量,逐步引导学生怎样在碰撞中寻找不变量。并尝试用气垫导轨和DIS计算机辅助系统分四种不同情况下的定量探究。由学生猜想动能守恒的熟悉情境入手逐步深入展开探究。整个探究过程分两部分,第一部分由老师设计实验内容学生探究,第二部分由学生自行根据实验器材自己设计实验内容自行探究。
教材分析
  《课标》《学科教学指导意见》《教师指导用书》对本课教学内容的要求。
  基本要求:①猜想两个物体碰撞前、后可能保持不变的物理量,写出相应的表达式。②知道碰撞的不同类型,知道一维碰撞的实验方法。③知道质量改变的方法,会测量物块(小球)的质量。④知道物块(小球)碰撞前、后速度的测量方法。⑤知道使两个碰撞物块粘连在一起运动的操作方示。能合理安排操作步骤。⑥会分析实验数据,得出实验结论。
  发展要求:①理解物块弹开的情形也相当于碰撞。②了解实验误差产生的原因,知道平衡摩擦力的方法。③会设计比较完整的实验方案,知道实验需测的物理量和所需器材。④能设计实验记录表,并记录数据。
  选修3-5《动量守恒定律》与原必修加选修《动量》安排完全不一样,“动量”概念的引入与过去也不同。教学中如何引入动量概念并对动量概念的教学是需要研究的一个问题。原教材通过具体碰撞实例,得出Ft=mv,直接引入动量和冲量概念。教师一般也受束缚于此,常常设法通过学生生活中的经验和生动的实验得出:“力的作用效果”与质量有关,与速度有关。质量和速度乘积越大,作用效果越明显。揭示动量的概念正是描述“力的作用效果”的物理量。达到学生方便、快速理解动量概念的目的。而新教材显然不仅关注p=mv的定义,而是更关注遵循科学史的发展轨迹,在碰撞中的追寻“不变量”的实验基础上,由碰撞前后的mv矢量保持不变引出“动量”的概念过程。在认知逻辑上表明了“动量”的来龙去脉,从而让学生不易机械的认为物理概念,定义等好像是物理学家天才般拼凑出来的。教学在注重知识技能目标的同时,更关注物理科学的过程,科学态度和科学价值观的本身。
  可以看出,在新教科书中,动量守恒定律不再是牛顿定律演绎的结果。学生通过教师的实验引导和自己的实验体验,发现物体碰撞过程中的确存在某个不变的物理量。尽管这个想法是朦胧的,但却是非常珍贵的,这是科学家艰辛寻求规律的体会,探究精神的体现,是科学方法的教育。
  教师要体会教材中力图通过学校实验室这个小小的天地让学生体会科学的探究性和探究中的不确定性,使学生对科学的本质的认识能够稍稍深入一些,教师应为此付出努力。
【学情分析】
①         虽然学生在必修2“机械能及其守恒定律”一章中有过类似的探究经历和体验,但是探究碰撞中的不变量非常抽象,而且实验操作能力要求比“机械能守恒定律”高了许多,学生平时动手实验操作机会并不是很多,这会对本节实验探究课带来较大困难。
  ②学生可能遇到的困难:由于是本章第一节,学生不知道为什么以碰撞模型进行探讨,同时由于碰撞情况复杂多变,使得学生不知道怎样在碰撞中追寻“不变量”,虽然讨论的是一维碰撞,但思维的落脚点还是很抽象,要学生一下子就猜想到质量与速度的乘积保持不变,在不预习的条件下几乎不太可能。并且这个乘积又是一个矢量,不像追寻“机械能及其守恒定律”中动能 ,势能mgh转化中机械能守恒学生有基础,并且是标量。
  ③学生对一维实验的碰撞情境的基本认知一般是碰撞前后的速度大小之和不变,或碰撞前后的速度存在某种数学关系。没有这样的逻辑递进过程,提出物体的质量与各自速度的乘积是不是不变量的猜想?是比较困难的,而且很唐突,容易进入验证性实验的教学循环。所以可以考虑让学生猜想速度的某种数学关系后,再猜想动能守恒并实验分析,再逐步引导深入探究不变量,这样既符合学生的认知过程,又能体现方法和质疑精神。
  ④学生设计用实验方法测量碰撞前后物体的速度时会遇到大的困难,设计不出。
  ⑤学生需要的学习策略:教师设计由浅入深,设计符合学生认知水平的逻辑猜想台阶和必要情境数据,并创设悖论实验情景,让学生进行总结反思和实验探索。分组不同实验情境实验类比和归纳。
【教学目标】
一、知识与技能
1、了解生产、生活中的碰撞现象。
2、经历两个物体碰撞前后会不会有什么物理量保持不变的猜想过程。
3、明确探究碰撞中的不变量的基本思想。
4、掌握同一条直线上运动的两个物体碰撞前后的速度的测量方法。
5、培养学生实验技能,特别是数据采集和分析技能。
二、过程与方法
 1、学习根据实验要求,设计实验,完成某种规律的探究方法。
2、学习根据实验数据进行猜测、探究、发现规律的探究方法。
3、学习用DIS数字化信息系统来完成具体实验。
4、体会科学探究的过程,学习科学研究的思想和方法。体现到各学科之间的联系,各事物间的关联性,感悟自然界的和谐与统一。
三、态度情感与价值观
1、通过了解动量的物理学史,体会科学家发现一个普遍规律的艰辛。
2、在对不变量的猜测过程中,培养学生对身边的事物保持怀疑态度以提高兴趣去探究从而提高探究能力。
3、通过对实验方案的设计,培养学生积极主动思考问题的习惯,并锻炼其思维品质的全面性、准确性与逻辑性,通过分组实验培养学生组织能力和团队协作能力。
4、通过对实验数据的记录与处理,培养学生实事求是的科学态度,能使学生灵活地运用科学方法来研究问题,解决问题,提高创新意识。
5、在对现象规律的语言阐述中,提高了学生的语言表达能力。
【教学重点】  
1.猜想两个物体碰撞前、后保持不变的物理量可能的表达形式
2.如何合理测量物块碰撞前后的速度?
【教学难点】
1.如何创设从特殊到一般实验情境让学生能够猜想两个物体碰撞前、后保持不变的物理量表达形式。
2.发现质量与速度乘积的矢量性。
3、DIS实验的操作和数据处理。
【教学方法和教学手段】
1.教学方法:运用物理“科学探究”和“实验探究”相结合的教学模式实施教学。
2.教学手段:教师演示实验引导、学生分组定量自主实验相结合,多媒体辅助。
【教学用具】
1、 学生实验器材:气垫导轨、光 电门、挡光片、DIS计算机辅助系统、滑块、天平、弹簧圈、粘扣。
2、 演示器材:摆球四个(其中两个质量相等,另一个质量相差较多)
【课时安排】  1 课时
【课前准备】
1.学习清华大学出版社郭奕玲、沈慧君老师编著的《物理学史》,了解动量的发展史。
2、深入学习人民教育出版社编著的《选修3-5教师教学用书》,体会编者安排本节课的目的与要求。
3.教学环境:物理探究实验室,气垫导轨的水平调节。
【教学过程】
主要教学过程
学生活动
备注
 
 
 
引入新课
 
 
 
 
 
 
 
引入新课
 
 
问:用什么物理量来表示运动的快慢?
答:速度。
演示:钢球与木球以同样的速度碰同一小球,观察现象。
问:1、木球和钢球谁的运动更“强”?
    2、速度能用来表示运动的“强弱”吗?
3、运动的“强弱”应该与哪些因素有关?
答:质量和速度。
问:单个物体在不受外力的条件下,运动的“强弱”是否改变?
答:质量和速度都不变,所以不变。
问:如果把单个物体换成只有内部相互作用而没有外力的物体系统,运动“强弱”的总量是否改变?
答:不变。
介绍物理学史:数学家、哲学家笛卡尔认为:在物质中存在一定量的运动,它的总和在世界上永远不会增加也不会消失。
问:既然运动“强弱” 和m v与有关,那么mv以什么形式来表示运动的“强弱”呢?我们能通过什么模型来找到这个形式呢?
引入本课题:对于这个问题,历史上也有很多争论,这在我们书上第10页“科学足迹”里也有详细介绍。许多物理学家对此进行了大量的研究,其中,做的最多的是从对“碰撞”问题的研究中,寻找能保持碰撞前后“运动总量不变”的物理量,以此来表示运动的“强弱”。
今天我们就追寻这些科学家的足迹,一起来探究碰撞中的不变量。
 
观察
思考
提出看法
积极发言
 
 
思考
发言
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
聆听物理学史
 
设计意图:
层层剖析,让学生明白为什么要探究不变量,怎样想到在碰撞的模型中入手进行探究,真正明白这个不变量的物理意义,同时体会物理学家得到一个物理规律的艰辛历程!
 
 
 
 
教学过程设计
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
教学过程设计
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
教学过程设计
 
 (一)碰撞   
展示图片:碰撞在我们日常生活中随处可见,大到天体,小到微观粒子,可以说碰撞无处不在。我们所要探究的这个不变量,应该满足各种碰撞。
这么多的碰撞有些发生在一条直线上,绝大部分不在一条直线上,我们今天先来研究最简单的碰撞:一维碰撞。
问:刚才我们已经明确寻找碰撞中的不变量是为了用来表示运动的“强弱”,那么对于这个不变量,你猜想应该与哪些因素有关?
答:质量和速度
演示:质量相同的钢球,从相同高度同时释放,钢球对碰。
问:两钢球碰撞前后瞬间速度怎样变化?
答:碰撞后两球速度大小没有改变,方向与碰前相反。
问:那这里的影响因素速度我们应该考虑哪些方面?
答:大小和方向两个方面
问:这两个因素在碰撞前后有什么定量关系呢?
猜想1可能碰撞前后总动能之和保持不变。
问:能用数学表达式来表示你的猜想吗?
猜想2可能碰撞前后物体质量与速度乘积之和保持不变。
猜想3……
好,那我们就用实验来尝试探究一下碰撞前后瞬间总动能之和是否保持不变。
(二) 实验探究
1、实验探究中需要注意的几个问题
问:怎样保证一维碰撞?
答:碰撞前后在一条直线上。
问:如何测量物理质量?
答:天平。
问:如何测量物体碰撞前后的瞬时速度呢?
答:我们今天利用光电门来测量物体速度。
2、实验探究
与学生一起分析研究气垫导轨的工作原理、测速方法、数据记录、实验内容。由于时间关系,我们不可能探究各种碰撞。分为A、B、C、D四种情况。A 组探究等质量两物体碰撞交换速度(完全弹性碰撞);B组探究碰撞前一物体静止,碰撞后两物体粘在一起的运动(完全非弹性碰撞);C组探究碰撞小物体碰静止大物体;D组探究大物体碰静止小物体。
 
A组实验卡如下:
A   实验内容: 等质量的物体相碰,碰前一物体静止
 
实验操作注意事项:
1、整个实验过程中不移动气垫导轨,以保证其水平,减少实验误差
2、保持另一滑块处于静止状态,若不能完全静止,可用手在顶端轻扶;
3、每做下一次实验前将滑块从导轨外侧复位,不要在导轨上来回推动,以免光电门不停的读数;
4、做完一次实验请及时记录数据,以免数据丢失。
5、实验开始前可尝试做1~2次,观察光电门的读数记录次序再开始正式实验。实验至少做3~4次,取误差小的3组记录到数据记录表中。
 
小组分工:    组长              
操作人:                                    
记录员:                                  
数据处理员:                                
汇报员:                      
 
实验数据记录表
                                
 
碰撞前
碰撞后
速度
次数
1
 
 
 
 
2
 
 
 
 
3
 
 
 
 
 
1
 
 
2
 
 
3
 
 
 
 
 
 
 
1
 
 
2
 
 
3
 
 
 
 
 
 
1
 
 
2
 
 
3
 
 
……
……
……
计算结果小数点后保留3
 
学生汇报实验结果并作出总结,得到结论。
1、碰撞中的“不变量”是:两个物体各自的质量与自己速度的乘积之和。即:
2、碰撞中的“不变量”mv具有矢量性。
3、通过我们今天的实验初步得到一个结论:质量与速度乘积之和在碰撞前后保持不变的,实际上并不是一两次实验就能得到一个规律,只有根据实验结果推导出的许多新结论都与事实一致时,猜想才能成为一条定律。科学家经过大量实验、理论推理论证,最后才发现碰撞前后的不变量确实是质量与速度的乘积,并且在宏观天体,微观世界都是适用的。
(三)再探究
思考1:我们刚才利用气垫导轨实验时都是让运动的物体碰静止的物体,实际生活中的碰撞远比我们今天的实验要复杂。你能利用气垫导轨和光电门设计出更贴近生活中碰撞现象的实验操作吗?
答:可以让两滑块相向运动发生碰撞。……
思考2:刚才我们用光电门来测量碰撞前后的瞬时速度。你还有别的办法来测速度,从而进行实验探究吗?
答:打点计时器
答:平抛运动测速度
答:能量观点测速度
答:频闪照片
……
根据学生的回答,深入讨论实验方案与操作细节
思考3:我们今天都是从实验的角度来进行探究碰撞前后的不变量的,你能从理论的角度来进行探究寻找碰撞前后的不变量吗?
 
举例
观看碰撞图片
 
 
 
 
 
观察
思考、回答
 
 
 
 
学生猜想
回答
教师和学生一起分析,归纳猜想表达式
 
 
 
思考
回答
 
 
 
学生分析仪器原理、测速方法、聆听实验内容、注意事项
准备开始实验
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
学生实验操作
 
记录数据
 
 
老师巡视
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
实验操作
 
记录数据
 
教师巡视
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
学生回顾体会过程与方法,巩固本节课内容
 
 
 
 
 
 
 
学生讨论设计方案
 
 
 
 
 
 
 
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