让物理概念教学更简捷有效——关于“动量”概念教学的设计

王治国

（南京市雨花台中学，江苏 南京 210012）

动量是物理学中的一个重要的概念，最早是1638年伽利略在研究碰撞问题时引入的，历史上围绕“动量”概念的争论历经半个世纪之久，它是许多著名的科学家经过曲折的研究而得出的.在中学物理教学中，如何科学、简捷、有效地引入“动量”的概念，一直是广大物理教师研究的重要课题之一.

过去的教科书多是通过具体实例，得出Ft＝mv，直接引入“动量”的概念；现行人教版教材对动量引入的处理是在追寻“不变量”的实验基础上，由碰撞前后的mv矢量和保持不变的启示来引出“动量”概念的.笔者认为后者处理方式较前者更注重了认知规律，关注到“动量”概念的形成的历史过程，体现了在注重知识和技能目标的同时，更关注情感、态度和价值观方面的教育意义.但在引入“动量”概念时却显得浮光掠影，过于生硬，仅仅由实验结果“mv保持不变”就直接引入动量概念，缺乏相应的逻辑性，以致于学生对“动量”的概念的认识过于片面和肤浅，对为什么引入“动量”概念？“动量”是描述什么的？为什么用mv来表示动量，而不是用mv2、mv3…来表示动量？等问题会产生一些概念质疑.鉴于对上述问题的深入思考以及对教材的分析，根据物理教学的逻辑和学生的认知规律，以培养学生逻辑思维能力为突破口，笔者对“动量”概念的教学进行了如下尝试.

1 为什么引入“动量”

问：上节课我们研究了两个物体的碰撞问题，下面请同学们说说，在这类问题中物体间的相互作用有什么特征？

学生：力的作用时间短且是变化的.

引导：很好，这种特征我们可以用“瞬息万变”来描述，你能测出这种作用力的大小吗？

学生讨论.

学生1：由于瞬息万变，所以用牛顿运动定律无法测量.

学生2：虽然力无法直接测量，但我们可以从碰撞中的物体的运动状态的变化来研究.

问：你是怎么想到用研究物体运动状态变化来研究这个问题的？

学生：前面我们在研究一些复杂的物理过程的时候，如研究变力做功的时候，我们常常是研究这个过程的始末状态.

设计意图：在“探究碰撞中的不变量”的基础上提出问题，起到了承上启下的作用，一方面是为了让学生理解引入“动量”概念的必要性，另一方面又可以培养学生知识和方法的迁移能力，学会从多个角度认识物理现象，激发学生学习动机.

2 “动量”是描述什么的？

引导：这是一个很好的方法，可以把对变力的研究转化成对状态的研究，下面的问题是：我们是如何描述物体的运动状态的？

学生：用速度来描述物体运动状态的，速度变了，就说物体运动状态变了.

质疑：说的好，今天请大家结合上节课的实验，重新审视一下：速度真的能全面地描述物体的运动状态吗？

学生讨论.

有的学生会提出实验中发现：质量不同的物体以相同速度碰撞时产生的效果不同.此时教师提出问题：（让学生讨论）

（1）以10m/s的速度运动的球，能不能用头去顶？

（2）往木板里钉钉子，一位同学是把质量较大的铁锤放在钉子上，另一同学是挥动同样的铁锤敲钉子，它们产生的作用效果相同吗？

学生讨论后总结.

要更科学全面地描述物体的运动状态只看质量或只看速度大小是不够的，必须同时考虑质量和速度.

设计意图：由观察得到的实验结果和生活中熟知的典型事例，通过分析、综合、比较、归纳等思维活动，营造积极的探究情境，实现隐性概念、前科学概念向物理概念的转化.学生对运动物体作用效果的相关因素的共同属性（与质量和速度有关）的问题也就迎刃而解，动量概念的引入也就水到渠成了.这样做的好处是，一方面为定义“动量”的概念打下基础，另一方面也能使学生感到物理概念就在生活中，从而培养学生善于观察，勤于思考的习惯.

3 为什么定义“p＝m ”？

问：既然描述物体的运动状态不仅要看速度还要看质量，那么这个完整地描述运动状态的量应当与质量和速度之间存在什么关系呢？

学生讨论.

引导：学习了牛顿运动定律后，我们知道了力是改变物体运动状态的原因，因此要了解描述物体运动状态的量与质量和速度的具体关系，我们可以从力的研究开始，请同学们从前面所学的力的知识来探究这个物理量到底与质量和速度之间存在什么关系？

学生活动：讨论交流、推导.

在牛顿第二定律、运动学速度公式的基础上，推导出：Ft＝mvt－mv0.

问：上式说明了什么？

学生：由于力的作用，使得mv这个量发生的改变，mv应当就是比较全面描述物体运动的状态的量.

引导：对，上节课的实验结果“碰撞中的物体mv矢量和是不变的”清楚地表明，mv具有一定意义，所以为了表征运动物体的这一特性，引入一个新的物理量——动量，且定义：运动物体的质量和速度的乘积叫动量，即p＝mv，单位为kg·m/s.

设计意图：根据牛顿运动定律，运用演绎推理的方法得出了动量定义，再结合上节课实验的结果.让学生对“动量”概念的认识从感性上升到理性，不仅能知其然，而且还能知其所以然.学生在亲身经历并体验 “动量”定义的探索过程中，能够发现其中的方法要素，感悟其中的科学思想，进而促进知识的内化和智能的提高.同时学生通过探究、体验、感悟，也能够充分体验到探究过程的艰辛和乐趣，享受到合作学习的愉悦和创造的幸福.

4 如何理解“动量”

思考讨论1：谁来说说用动量和速度描述物理的运动状态不同之处在哪里？

学生讨论交流.

归纳：（1）动量包含了“参与运动的物质”与“运动速度”两方面信息，反映了由这两方面共同决定物体运动的状态，具有瞬时性，是状态量（举例）.

（2）动量是矢量，它的方向与速度方向相同.

思考讨论2：动量和动能都是反映物体机械运动的物理量，谁来说说它们的不同之处在哪里？

学生讨论交流.

归纳：（1）动量和动能都是描述物体运动状态的物理量，动量是反映物体运动量的大小，它只能在机械运动和机械运动之间转移；动能是反映物体由于运动所具有的一种做功的本领，它既可以通过做功来转移机械运动，也可以通过做功把机械运动转化为其他形式的运动，如热运动等.（2）动能是标量，动量是矢量.动量的方向就是物体运动速度的方向.（3）动能的变化（转移或转化）是通过做功来量度，而动量的变化（转移）是通过力的时间累积来量度.

总结：综上所述，我们用动量来描述物体运动状态是比较全面的，动量反映了运动物体所能产生的机械效果强弱及这个效果发生的方向.动量的大小等于质量与速度的乘积，动量的方向与速度的方向一致.

设计意图：通过学生讨论交流，帮助学生进一步深化对动量概念的理解.在教师的引导下，把动量概念的定义、物理意义、运算规则及与其他概念的联系等要素综合起来，形成关于动量的概念体系，从而真正地掌握动量的内涵和外延，同时培养学生思维的广阔性和深刻性.

以上是笔者在处理“动量”概念时的一些做法.通过把动量概念的认知过程充分、合理地展示出来，引导学生从中体会“为什么提出动量概念、怎样提出、从什么角度、用什么方法、如何进一步引伸等科学方法”.在具体实施后，笔者感觉到采用这种方法简捷有效，以前那些思维断层没有了，学生对动量概念的理解更自然顺畅.学生不仅构建了完整的“动量”概念的体系，也学到了认识和理解物理概念的方法，体验了学习的乐趣，感悟了探究学习中的科学方法和科学思想.