视频简介：
视频标签：探究碰撞中,不变量
所属栏目：高中物理优质课视频
视频课题：实验课《探究碰撞中的不变量》江苏省外国语学校
教学设计、课堂实录及教案：实验课《探究碰撞中的不变量》江苏省外国语学校
教学目标
一、知识与技能
1．了解生产、生活中的碰撞现象，掌握碰撞及一维碰撞模型
2．理解教材所提供的实验方案原理，比较各方案的优劣，能够设计出新的可行的方案。
4．能够掌握碰撞实验测量速度的技巧及操作技能，控制实验过程和测量。
5．能够通过处理实验数据进行实验数据分析预想的猜想是否成立。
二、过程与方法
1．规范在探究过程中根据观察的实验现象进行科学猜想的方法。
2．通过分析教材提供的实验方案，学习测量碰撞前后瞬间速度的特殊实验方法。
三、情感态度与价值观
1．体会科学研究过程的艰辛与乐趣，培养学生主动探究、乐于探究的品质。
2．通过设计实验培养学生的创新精神，通过实验培养学生实事求是的科学态度及分工合作的团队精神。
2学情分析
本节是新课标人教版《物理·选修3—5》第十六章《动量守恒定律》的第一节内容。教材从生产、生活及科学实验的多种碰撞现象中提出研究的问题，接着提出猜想，进而为了证实猜想而提出多种实验方案，最后让学生亲自动手体验科学探究。教材的核心是引导学生经历对碰撞问题的探究过程，进行科学探究方法的教育。
本节学习的对象是高二有理科倾向的学生，他们在高一时知道了利用光电门和打点计时器测速度，知道了平抛运动和机械能守恒等知识。为设计实验方案提供了知识基础。
3重点难点
【教学重点】
1．根据简单的实验现象进行科学猜想
2．实验方案设计、理解、创新。
3．实验的实施过程及数据分析。
【教学难点】
根据简单的实验现象进行科学猜想；实验方案的设计；实验数据的采集与处理。
4教学过程
4.1 第一学时
4.1.1教学设计已撰文发表（详细内容见“教学活动”）
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4.1.2教学活动
活动1【导入】原始问题引入，实现问题模型的有效建构
（本环节教学流程如图1所示）
视频1：丁俊辉一杆接一杆连续把球打进．
问题：球与球之间发生了怎样的物理现象？
学生：碰撞．
老师：丁俊辉一杆接一杆连续把球打进，球与球间的碰撞必定存在一定的规律，经过几代科学家的研究发现：碰撞前后有一个物理量总是保持不变．那么我们这节课通过实验的方法来探究这个不变量．
视频2：开球、斜碰球、正碰球（定杆球如图2）．
问题：哪一杆球的碰撞形式最为简单？为什么？
学生：最后一杆，碰撞前后速度方向在同一条直线上．
老师：我们把这种碰撞前后速度在一条直线上的碰撞称作一维碰撞，今天我们就从最简单的一维碰撞入手进行探究．
环节评估：探究的核心是问题的解决过程，问题源于特定情境而又激发思维活动．运用刚刚结束的斯诺克世锦赛作为情景引入，能够激发学生探究的热情，运用精彩镜头集锦容易启发学生对碰撞具有规律的思考（原始问题），从而引入课题，确立探究思维活动的起点和归宿，巧妙利用台球碰撞中最简单的情形（定杆球），使学生自然建构一维碰撞的问题模型，确定探究思维活动的基石和载体．
活动2【讲授】变式定性实验，实现科学猜想活动的有效建构
（本环节教学流程如图3所示）
学生实验1：学生利用小车在导轨上模拟最后一杆球的碰撞情形，观察到速度交换现象．
演示实验1：等质量摆球一动碰一静，也观察到速度交换现象．（反问这种碰撞是一维碰撞模型吗？突出碰撞的瞬间作用特征，为创新设计实验方案埋下伏笔）
演示实验2（变化被碰摆球质量）：一小摆球碰一大摆球（铅球），观察到小球被反弹，大球几乎不动，否定猜想1．
演示实验3（变化碰前摆球速度）：在演示实验1两小球上分别套上尼龙拉扣，把它们拉开同样角度放下，碰撞后粘合在一起，否定猜想2．
老师：经过刚才这个环节，我们不仅体验了观察现象进行科学猜想的过程，还学会运用定性实验现象否定片面猜想的简单论证方法．否定的本身还意味着与正确猜想走进了一步．只所以猜想不同，主要因为碰撞的情形不同，碰撞情形的不同又主要由于碰撞小球的质量和碰撞前速度不同造成的，这个不变量会不会就是m和v新的组合形式呢？如果是，它们最简单的组合形式有哪些呢？
环节评估：面对确定的问题（碰撞中的不变量），学生需要运用自己原有的知识（速度、动能等），将当前的问题情境（变式定性实验现象）同化或顺应到已有的经验结构（猜想结果）中，通过系列实验不断形成新的认知冲突而又不断的通过归纳的方法建构起新的原理性知识（新猜想），最终受到“变中求不变”的辩证思想启发创造性提出猜想3及猜想4等．
活动3【active.type.pj】方案对比优化，实现创新实验模型的有效建构
（本环节教学流程如图4所示）
问题：质量用天平来测量，碰撞前后的瞬时速度如何测量呢？
学生：测量摆球摆动的最大高度，根据机械能守恒
来算速度（方案1）、频闪照片法计算速度（方案2）、打点计时器根据纸带计算速度（方案3）、光电门测挡光时间计算速度（方案4）．
评价：方案1中准确测量摆球高度较为困难，方案2中实验技术手段及数据处理难度较高，方案3是比较传统的测速度的方法，但有两个缺点：增加额外摩擦、只能测单向运动速度，方案4测量速度时既不增加额外阻力等干扰因素也比较容易获取时间从而容易计算出瞬时速度，同时又能测量反向速度．
图5
问题：如何利用光电门计时器完善一维碰撞实验模型？
学生：（可以借鉴教材）利用两滑块在气垫导轨上实现一维碰撞（如图5），这样可以尽量减少摩擦带来的负面影响．
表1
图6
老师：能否用我们熟悉的普通小车在普通导轨上完成这个实验呢？
学生：……
老师：由于碰撞发生在瞬间（演示实验1中已讨论），我们可以运用学生实验1的碰撞模型进行分析，若让两个光电门尽量靠近碰撞发生位置外侧（如图6，配以碰撞过程频闪照片分解演示），就可以比较准确得出碰撞发生前小车1的速度及碰撞后小车2的速度．
环节评估：方案的设计要符合科学性→安全性→可行性→简约性的设计原则．实验方案的设计是创新能力培养的契机，也是教学的难点，可以铺设恰当的认知阶梯，逐渐实现创新设计的突破．
本实验方案设计的起点从学生比较熟悉的“速度测量”问题着手，结合碰撞实验中速度具有两个特点：碰撞前后瞬时速度容易被摩擦阻力等因素改变、碰撞前后速度可能反向，通过比较确定方案4更为合理．根据学生已有经验及课本提示，比较容易想到气垫导轨实验模型．但从课堂教学的实际需要及方案简约性的角度，采取“光电门尽量靠近碰撞发生位置”的措施，运用小车和普通导轨的实验模型，不仅测量效果理想，而且较好的培养了学生的创新精神及处理实际问题的能力．
活动4【练习】搭建实验支架，实现操作技能及规律总结的有效建构
（本环节教学流程如图7所示）
演示实验4：同质量小车一动碰一静后弹开（学生实验1），时间在误差允许范围内近似相等（验证1），说明碰撞前后速度交换，猜想均成立．
演示实验5：同质量小车一动碰一静后粘合，这种碰撞情形时间之比接近1：2的关系，利用excel数据表格处理数据，学生利用这个时间模仿做一做这个实验（学生实验也得出如此数据，同时通过模仿锻炼了学生的操作技能）．
老师：数据处理（验证2）也表明猜想3、4均成立．
学生实验3：各小组根据表格中对应改变各小组小车的质量进行分组实验，数据处理（如表1、验证3）后发现猜想3在实验误差允许范围内成立，猜想4有显著性差异不成立．（若数据偏差较大，进行必要的误差分析）
老师：受大家的启发我再来改变演示实验4中小车质量试试看，为了更准确的测出小车1碰撞后的速度，需要——再加一个光电门（如图8）．
图8
演示实验5：不同质量小车一动碰一静后弹开，数据处理（验证4）表明与验证3结论相同，是否就可以说碰撞前后mv之和保持不变了呢？
学生：可以．
老师：其实还远远不够，从碰撞前速度角度来分，除一动碰一静的碰撞形式外还有两个均有初速度的碰撞等，比如对碰的情形，我们可以用这套仪器来做吗？
学生：可以（不可以，两光电门很近，因碰前均有速度很难把控碰撞位置）．
老师：这种碰撞最好用气垫导轨来做更为合适，因为气垫导轨可以有效减小摩擦带来的影响，光电门就可以离得远一点．课前我用气垫导轨做了一些对碰（演示实验7）实验，数据处理（如表2、验证5）后与大家分享，（速度故意未带入方向）这些数据得不到刚才的结论啊？
学生：速度是矢量，应该利用excel公式带入正负号运算（如表3、验证6、结论与验证3同）．
老师：从理论分析角度来看，质量是标量，速度是矢量，其乘积mv这个新的物理量也应是个矢量．
老师：到此我们应该可以放心说碰撞中的不变量（mv之和）彻底的被我们找到了吧？
学生：不可以，我们这节课仅仅是对一维碰撞进行探究的，还有更为复杂的其它非一维碰撞情形．
老师：是的，但是我们今天的实验数据为我们的猜想增添了几分把握，经过几代科学家的研究发现今天我们得到的mv之和保持不变满足于一切碰撞情形，大到天体碰撞，小到微观粒子的碰撞，远到卫星发射，近到我们家用汽车的碰撞实验．
环节评估：复杂的操作技能是由一些已熟悉的简单技能构成的，因此，教师可以采用媒体定格、演示实验、由浅入深螺旋式上升的设计策略进行连贯性和整体性的铺垫活动，使学生在一次次活动中形成技能和知识内在的逻辑联系，增强学生知识经验的积累和建构．
表2
学生实验是本节课的教学难点，实验操作技能掌握的好坏及快慢决定了数据得出的成败．本案例采取以下的措施来克服这个难点的：方案设计环节讲清实验原理，从简单碰撞模型着手演示（演示实验4、5）引导学生注意观察、模仿、变式实验（学生实验3），为了丰富碰撞类型而再设计出演示实验6、7（让学生结合原有技能对新技能进行尝试性再设计），利用数据制造认知冲突（验证5）加强新物理量（mv）矢量属性的认识，最终通过若干类型碰撞实验数据进行不完全归纳得出规律，这也是物理学中研究问题建构物理规律的重要方法．
活动5【active.type.pj】教学反思
原有认知（速度动能等基本概念、牛顿第二定律实验、测速方法等已有程序性知识）不是太丰富，要珍惜并唤醒这些原有认知，在此基础上进行知识技能的生长，每个环节内及环节间通过巧妙设计教学序线（实验），实现知识技能序线的建立，最终实现学生认知的有效建构．
本节课的实验主线起源于生活模型（台球），抽象出一维碰撞模型，通过传统实验（摆球）变式定性演示进行科学猜想，借助现代传感器技术手段运用熟悉器材（小车、导轨等）逐步变化碰撞类型进行定量验证，最终再回归到生活中来．从认知角度先从定性实验形成感性认识并猜想，再定量实验理性归纳总结规律．这样的设计不仅使实验成为本堂课的重要教学内容，又成为探究教学的主线，进而成为知识技能建构的方法和手段．这种设计符合物理教学特点，又凸显了认知建构的规律，使探究教学与有效建构浑然一体．但在有限的课堂教学时间如何兼顾学生实验能力培养和思维有序发展仍值得教者反思！
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