視頻簡介：
視頻標簽：探究碰撞中,不變量
所屬欄目：高中物理優質課視頻
視頻課題：實驗課《探究碰撞中的不變量》江蘇省外國語學校
教學設計、課堂實錄及教案：實驗課《探究碰撞中的不變量》江蘇省外國語學校
教學目標
一、知識與技能
1．了解生產、生活中的碰撞現象，掌握碰撞及一維碰撞模型
2．理解教材所提供的實驗方案原理，比較各方案的優劣，能夠設計出新的可行的方案。
4．能夠掌握碰撞實驗測量速度的技巧及操作技能，控制實驗過程和測量。
5．能夠通過處理實驗數據進行實驗數據分析預想的猜想是否成立。
二、過程與方法
1．規范在探究過程中根據觀察的實驗現象進行科學猜想的方法。
2．通過分析教材提供的實驗方案，學習測量碰撞前后瞬間速度的特殊實驗方法。
三、情感態度與價值觀
1．體會科學研究過程的艱辛與樂趣，培養學生主動探究、樂于探究的品質。
2．通過設計實驗培養學生的創新精神，通過實驗培養學生實事求是的科學態度及分工合作的團隊精神。
2學情分析
本節是新課標人教版《物理·選修3—5》第十六章《動量守恒定律》的第一節內容。教材從生產、生活及科學實驗的多種碰撞現象中提出研究的問題，接著提出猜想，進而為了證實猜想而提出多種實驗方案，最后讓學生親自動手體驗科學探究。教材的核心是引導學生經歷對碰撞問題的探究過程，進行科學探究方法的教育。
本節學習的對象是高二有理科傾向的學生，他們在高一時知道了利用光電門和打點計時器測速度，知道了平拋運動和機械能守恒等知識。為設計實驗方案提供了知識基礎。
3重點難點
【教學重點】
1．根據簡單的實驗現象進行科學猜想
2．實驗方案設計、理解、創新。
3．實驗的實施過程及數據分析。
【教學難點】
根據簡單的實驗現象進行科學猜想；實驗方案的設計；實驗數據的采集與處理。
4教學過程
4.1 第一學時
4.1.1教學設計已撰文發表（詳細內容見“教學活動”）
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4.1.2教學活動
活動1【導入】原始問題引入，實現問題模型的有效建構
（本環節教學流程如圖1所示）
視頻1：丁俊輝一桿接一桿連續把球打進．
問題：球與球之間發生了怎樣的物理現象？
學生：碰撞．
老師：丁俊輝一桿接一桿連續把球打進，球與球間的碰撞必定存在一定的規律，經過幾代科學家的研究發現：碰撞前后有一個物理量總是保持不變．那么我們這節課通過實驗的方法來探究這個不變量．
視頻2：開球、斜碰球、正碰球（定桿球如圖2）．
問題：哪一桿球的碰撞形式最為簡單？為什么？
學生：最后一桿，碰撞前后速度方向在同一條直線上．
老師：我們把這種碰撞前后速度在一條直線上的碰撞稱作一維碰撞，今天我們就從最簡單的一維碰撞入手進行探究．
環節評估：探究的核心是問題的解決過程，問題源于特定情境而又激發思維活動．運用剛剛結束的斯諾克世錦賽作為情景引入，能夠激發學生探究的熱情，運用精彩鏡頭集錦容易啟發學生對碰撞具有規律的思考（原始問題），從而引入課題，確立探究思維活動的起點和歸宿，巧妙利用臺球碰撞中最簡單的情形（定桿球），使學生自然建構一維碰撞的問題模型，確定探究思維活動的基石和載體．
活動2【講授】變式定性實驗，實現科學猜想活動的有效建構
（本環節教學流程如圖3所示）
學生實驗1：學生利用小車在導軌上模擬最后一桿球的碰撞情形，觀察到速度交換現象．
演示實驗1：等質量擺球一動碰一靜，也觀察到速度交換現象．（反問這種碰撞是一維碰撞模型嗎？突出碰撞的瞬間作用特征，為創新設計實驗方案埋下伏筆）
演示實驗2（變化被碰擺球質量）：一小擺球碰一大擺球（鉛球），觀察到小球被反彈，大球幾乎不動，否定猜想1．
演示實驗3（變化碰前擺球速度）：在演示實驗1兩小球上分別套上尼龍拉扣，把它們拉開同樣角度放下，碰撞后粘合在一起，否定猜想2．
老師：經過剛才這個環節，我們不僅體驗了觀察現象進行科學猜想的過程，還學會運用定性實驗現象否定片面猜想的簡單論證方法．否定的本身還意味著與正確猜想走進了一步．只所以猜想不同，主要因為碰撞的情形不同，碰撞情形的不同又主要由于碰撞小球的質量和碰撞前速度不同造成的，這個不變量會不會就是m和v新的組合形式呢？如果是，它們最簡單的組合形式有哪些呢？
環節評估：面對確定的問題（碰撞中的不變量），學生需要運用自己原有的知識（速度、動能等），將當前的問題情境（變式定性實驗現象）同化或順應到已有的經驗結構（猜想結果）中，通過系列實驗不斷形成新的認知沖突而又不斷的通過歸納的方法建構起新的原理性知識（新猜想），最終受到“變中求不變”的辯證思想啟發創造性提出猜想3及猜想4等．
活動3【active.type.pj】方案對比優化，實現創新實驗模型的有效建構
（本環節教學流程如圖4所示）
問題：質量用天平來測量，碰撞前后的瞬時速度如何測量呢？
學生：測量擺球擺動的最大高度，根據機械能守恒
來算速度（方案1）、頻閃照片法計算速度（方案2）、打點計時器根據紙帶計算速度（方案3）、光電門測擋光時間計算速度（方案4）．
評價：方案1中準確測量擺球高度較為困難，方案2中實驗技術手段及數據處理難度較高，方案3是比較傳統的測速度的方法，但有兩個缺點：增加額外摩擦、只能測單向運動速度，方案4測量速度時既不增加額外阻力等干擾因素也比較容易獲取時間從而容易計算出瞬時速度，同時又能測量反向速度．
圖5
問題：如何利用光電門計時器完善一維碰撞實驗模型？
學生：（可以借鑒教材）利用兩滑塊在氣墊導軌上實現一維碰撞（如圖5），這樣可以盡量減少摩擦帶來的負面影響．
表1
圖6
老師：能否用我們熟悉的普通小車在普通導軌上完成這個實驗呢？
學生：……
老師：由于碰撞發生在瞬間（演示實驗1中已討論），我們可以運用學生實驗1的碰撞模型進行分析，若讓兩個光電門盡量靠近碰撞發生位置外側（如圖6，配以碰撞過程頻閃照片分解演示），就可以比較準確得出碰撞發生前小車1的速度及碰撞后小車2的速度．
環節評估：方案的設計要符合科學性→安全性→可行性→簡約性的設計原則．實驗方案的設計是創新能力培養的契機，也是教學的難點，可以鋪設恰當的認知階梯，逐漸實現創新設計的突破．
本實驗方案設計的起點從學生比較熟悉的“速度測量”問題著手，結合碰撞實驗中速度具有兩個特點：碰撞前后瞬時速度容易被摩擦阻力等因素改變、碰撞前后速度可能反向，通過比較確定方案4更為合理．根據學生已有經驗及課本提示，比較容易想到氣墊導軌實驗模型．但從課堂教學的實際需要及方案簡約性的角度，采取“光電門盡量靠近碰撞發生位置”的措施，運用小車和普通導軌的實驗模型，不僅測量效果理想，而且較好的培養了學生的創新精神及處理實際問題的能力．
活動4【練習】搭建實驗支架，實現操作技能及規律總結的有效建構
（本環節教學流程如圖7所示）
演示實驗4：同質量小車一動碰一靜后彈開（學生實驗1），時間在誤差允許范圍內近似相等（驗證1），說明碰撞前后速度交換，猜想均成立．
演示實驗5：同質量小車一動碰一靜后粘合，這種碰撞情形時間之比接近1：2的關系，利用excel數據表格處理數據，學生利用這個時間模仿做一做這個實驗（學生實驗也得出如此數據，同時通過模仿鍛煉了學生的操作技能）．
老師：數據處理（驗證2）也表明猜想3、4均成立．
學生實驗3：各小組根據表格中對應改變各小組小車的質量進行分組實驗，數據處理（如表1、驗證3）后發現猜想3在實驗誤差允許范圍內成立，猜想4有顯著性差異不成立．（若數據偏差較大，進行必要的誤差分析）
老師：受大家的啟發我再來改變演示實驗4中小車質量試試看，為了更準確的測出小車1碰撞后的速度，需要——再加一個光電門（如圖8）．
圖8
演示實驗5：不同質量小車一動碰一靜后彈開，數據處理（驗證4）表明與驗證3結論相同，是否就可以說碰撞前后mv之和保持不變了呢？
學生：可以．
老師：其實還遠遠不夠，從碰撞前速度角度來分，除一動碰一靜的碰撞形式外還有兩個均有初速度的碰撞等，比如對碰的情形，我們可以用這套儀器來做嗎？
學生：可以（不可以，兩光電門很近，因碰前均有速度很難把控碰撞位置）．
老師：這種碰撞最好用氣墊導軌來做更為合適，因為氣墊導軌可以有效減小摩擦帶來的影響，光電門就可以離得遠一點．課前我用氣墊導軌做了一些對碰（演示實驗7）實驗，數據處理（如表2、驗證5）后與大家分享，（速度故意未帶入方向）這些數據得不到剛才的結論啊？
學生：速度是矢量，應該利用excel公式帶入正負號運算（如表3、驗證6、結論與驗證3同）．
老師：從理論分析角度來看，質量是標量，速度是矢量，其乘積mv這個新的物理量也應是個矢量．
老師：到此我們應該可以放心說碰撞中的不變量（mv之和）徹底的被我們找到了吧？
學生：不可以，我們這節課僅僅是對一維碰撞進行探究的，還有更為復雜的其它非一維碰撞情形．
老師：是的，但是我們今天的實驗數據為我們的猜想增添了幾分把握，經過幾代科學家的研究發現今天我們得到的mv之和保持不變滿足于一切碰撞情形，大到天體碰撞，小到微觀粒子的碰撞，遠到衛星發射，近到我們家用汽車的碰撞實驗．
環節評估：復雜的操作技能是由一些已熟悉的簡單技能構成的，因此，教師可以采用媒體定格、演示實驗、由淺入深螺旋式上升的設計策略進行連貫性和整體性的鋪墊活動，使學生在一次次活動中形成技能和知識內在的邏輯聯系，增強學生知識經驗的積累和建構．
表2
學生實驗是本節課的教學難點，實驗操作技能掌握的好壞及快慢決定了數據得出的成敗．本案例采取以下的措施來克服這個難點的：方案設計環節講清實驗原理，從簡單碰撞模型著手演示（演示實驗4、5）引導學生注意觀察、模仿、變式實驗（學生實驗3），為了豐富碰撞類型而再設計出演示實驗6、7（讓學生結合原有技能對新技能進行嘗試性再設計），利用數據制造認知沖突（驗證5）加強新物理量（mv）矢量屬性的認識，最終通過若干類型碰撞實驗數據進行不完全歸納得出規律，這也是物理學中研究問題建構物理規律的重要方法．
活動5【active.type.pj】教學反思
原有認知（速度動能等基本概念、牛頓第二定律實驗、測速方法等已有程序性知識）不是太豐富，要珍惜并喚醒這些原有認知，在此基礎上進行知識技能的生長，每個環節內及環節間通過巧妙設計教學序線（實驗），實現知識技能序線的建立，最終實現學生認知的有效建構．
本節課的實驗主線起源于生活模型（臺球），抽象出一維碰撞模型，通過傳統實驗（擺球）變式定性演示進行科學猜想，借助現代傳感器技術手段運用熟悉器材（小車、導軌等）逐步變化碰撞類型進行定量驗證，最終再回歸到生活中來．從認知角度先從定性實驗形成感性認識并猜想，再定量實驗理性歸納總結規律．這樣的設計不僅使實驗成為本堂課的重要教學內容，又成為探究教學的主線，進而成為知識技能建構的方法和手段．這種設計符合物理教學特點，又凸顯了認知建構的規律，使探究教學與有效建構渾然一體．但在有限的課堂教學時間如何兼顧學生實驗能力培養和思維有序發展仍值得教者反思！
視頻來源：優質課網 www.jjlqy.cn
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