关于《动量动量守恒定律》教学的反思和建议

张彬旭

在现行的物理教学改革中，已将《动量》章节作为选考内容。自然，教师或学生对此内容的重视程度会明显减弱。然而，若从培养理科学生良好的物理思维的角度出发，笔者认为关于《动量》内容的教学可不做深入讲解和训练，但可以将动量和动能两部分内容进行比对教学。

为此，不禁思考这样一个问题：动量和动能都是描述机械运动动力学的物理量，为什么要同时引入动量和动能这两个物理量呢?它们在描述机械运动中各自起到什么作用呢?也许这个问题不仅学生会心存疑虑，教师对其本质区别也不一定留意引导学生来探究，而只是顺理成章地接受物理前辈作出的概念构建。

比如，在原来的物理教学中关于动量和动能的区别和联系都是在基本定义式的基础上，结合两个物理量的矢量与标量性加以区分：(1)动量p=mv，动能Ek=1/2mv²(2)动量是矢量，不仅有大小而且还有方向；动能是标量，只有大小没有方向。

在实际应用问题中，区分这两个物理量的作用，学生只是记忆碰撞问题系统动量一定守恒，但是系统机械能不一定守恒，只有在弹性碰撞中动量和机械能才都守恒，对其中蕴涵的本质原因学生并不一定清楚。为让学生更好地解题，甚至还有“碰一碰动量守恒，摆一摆机械能守恒”的口诀让学生在形式上区分动量守恒和机械能守恒的应用。

动量和动能到底各自在物体运动中起到什么样的作用，为什么不能选其一作为描述运动的量度?不仅是我们的疑虑，其实在物理学发展的过程中也有关于动量和动能争论的记载：以法国物理学家笛卡儿为代表的学派认为动量是唯一的、正确的一种运动的量度；以莱布尼兹为代表的学派则认为动能是更加合适的描述运动的量度。这场争论僵持了将近200年，直到能量转化和守恒定律及动量守恒定律提出后，这个问题才真正得以解决。马克思主义的奠基人之一恩格斯在《自然辩证法》一书中对此也作出论述，他指出：“机械运动确实有两种量度，每一种量度适用于某个界限十分明确的范围之内”

为了在本质上比较关于动量和动能在机械运动中充当的角色，并结合高中学生的认知能力，笔者建议可设计关于“动量和动能”的实验探究课。简要设计方案如下：

一、提出问题：动量和动能在描述机械运动中各自起到什么作用?

二、碰撞实验内容及方法

让两个滑块在水平气垫导轨上发生碰撞，要探寻它们在碰撞中动量和动能的变化情况，则需要测量碰撞物体的质量和碰撞前后的速度，然后根据物体的动量p=2mv和物体的动能Ek=1/2mv²，则可以求出碰撞前、后物体的动量和动能，进而比较物体的动量、动能在碰撞前后的变化情况。

显然，物体的质量M可以直接利用天平测量，实验室可以较为准确测量物体速度的方法就是利用光电门测物体的速度。为了更快捷计算物体的动量和动能，可借助电子表格设计变量辅助计算。

课堂操作实例：

利用由教育部教学仪器研究所研制的HCPI－物理实验教学微机辅助教学系统，通过实验接口箱把模拟信号转化成数字信号输入计算机，利用计算机通过输入碰撞物体的质量参数肘、挡光片两前沿距离d及光电门采集的挡光片经过光电门的时间间隔△t，直接计算出碰撞前后物体的速度v=d△t、动量p和动能B，而且也可以计算出碰撞前后由碰撞物体组成的系统的总动量和总动能。由于整个碰撞实验是在水平气垫导轨上完成的，所以系统的动能变化也反映了系统机械能的变化。

实验分为两个部分操作：(1)通过天平测出一个质量为234，8g的滑块，我们定义它为滑块2(№)，把它放在两个光电门之间不动，即它的速度v²=0。现在让另一个滑块，它的质量为437.7g，定义为滑块1(m1)向右运动，以水平向右为正方向即v1>0，与滑块2发生碰撞。(通过实验采集实验数据如表一和表二)

(2)让滑块2依然在两个光电门之间不动，滑块1向右运动，碰撞后它们粘合在一起即v1>0，v²=0(碰粘)。(通过实验采集实验数据如表三和表四)

三、数据分析

(1)第一组实验，通过碰撞使原来静止的滑块2开始运动，是滑块1把机械运动一部分转移给滑块2，系统动量守恒说明滑块1减少的动量等于滑块2动量的增加，系统的动能守恒说明滑块1减少的动能等于滑块2动能的增加。所以这个过程仅仅是机械运动从滑块1转移到滑块2，滑块2的机械运动减少了多少，滑块2的机械运动就增加多少，这样的过程是机械运动转移的过程。在这个过程中动量和动能都守恒，所以仅有机械运动在物体间转移时，动量和动能都可以作为机械运动的量度。

(2)第二组实验，系统的动量守恒，所以动量依然可以量度碰撞过程中机械运动的转移，但是动能却明显的减少了，系统动能的减少意味着滑块1减少的动能大于滑块2动能的增加，滑块1减少的动能没有全部给滑块2，而是转化为系统的内能。所以伴随有机械运动与非机械运动转化时，动量依然可以作为机械运动转移的量度，但是在描述机械运动与非机械运动转化的能力时只有动能的变化可以作为机械运动与非机械运动转化的量度。

四、实验结论

基于上述实验的分析可以得出这样的结论，机械运动确实需要动量和动能这两种不同的量度，但在不同的范围中，它们描述的特点也有所不同：(1)仅机械运动在物体间转移时，动量和动能都可以作为机械运动的量度；(2)伴随机械运动与非机械运动转化时，只有动能的变化可以作为机械运动与非机械运动转化的量度。基于此更加深刻理解恩格斯关于动量和动能的论述：“机械运动确实有两种量度，每一种量度适用于某个界限十分明确的范围之内。动量是以机械运动来量度的机械运动；动能是以机械运动转化为一定量的其它形式运动的能力来量度的机械运动。我们已看到这两种量度互不相同，所以也并不相互矛盾。”

通过这节探究课的实际操作，不仅让学生更加深刻的了解动量和动能的本质区别，并更容易让学生们掌握在实际应用中如何利用动量守恒定律和机械能守恒定律解答相关问题，这比直接给学生列举实际例题、传授解题方法具有更加深刻的意义。此外，这节课的设计对于培养学生提出问题、设计情景和方法解决实际应用问题有一定的启发作用；对于培养学生严密的推理、逻辑思维有一定的促进作用，并让学生体会解决一个物理问题、发现一个正确的自然规律在物理学发展历程中经历的曲折和艰辛。所以，在基础教学中教师的角色不应该仅是专业知识的传授者，而更应该做一个让学生正确学习专业知识、理解专业知识的导航者，而这也正是新课程改革的思想目的之所在。