激疑 探究 验证 应用——关于“动量和动量定理”的教学设计

刘万强 覃祥学

(1. 湖北省松滋市第一中学,湖北 荆州 434200;2. 湖北省松滋市第二中学,湖北 荆州 434215)

激疑 探究 验证 应用
——关于“动量和动量定理”的教学设计

刘万强1覃祥学2

(1. 湖北省松滋市第一中学,湖北 荆州 434200;2. 湖北省松滋市第二中学,湖北 荆州 434215)

动量定理反映了外力对物体的冲量与动量变化之间的关系，笔者采用“情景激疑、理论探究、实验验证、拓展应用”四步开展教学,使理论探究与实验验证两种研究方式都得到体现,整个教学过程体现了情景与问题、理论与实际的有机结合,教学效果较好.

动量定理;理论推导;实验验证;联系实际

动量定理是高中物理的重要知识,是解决力学问题的三条重要途径之一,而且与我们的生活和科学技术的发展有着密切的联系.传统的教学往往直接从理论推导入手,得到数学表达式,再进行理解层面的讲解,最后联系实际、拓展应用,这种纯讲授式的教学会导致定理的导入突然、物理真实情景缺失、知识理解不深刻、拓展应用不顺畅等问题.笔者在2016年“一师一优课”活动中,采用“情景激疑、理论探究、实验验证、拓展应用”四步开展教学,得到了学生和同行的好评.

1 创设情景,激疑引入——蹦极绳的思考

图1

教师展示蹦极的图片让学生思考:蹦极运动员身上绑的安全带是有弹性的橡皮绳，还是不易伸长的麻绳？带着疑问,不要求学生立即回答,教师做了一个模拟的对比实验(如图1),即用细线和橡皮筋各悬挂一个重物,把重物拿到同一高度,由静止释放后重物下落,观察实验结果，发现细线被瞬间拉断,橡皮筋未断.引导学生思考,为什么橡皮筋不断？在两种情况下,重物以相同的速度绷直细绳,速度最后都减为0,力的作用有何区别呢？原来橡皮筋伸长延长了作用时间,可见力与时间影响了物体的运动状态变化.从而引导学生从力和时间的角度研究物体运动状态的变化,为下面的理论探究作铺垫.

2 理论推导,有效探究——引出两个概念、一个定理

2.1 理论探究

引导学生推导F、t和速度变化(v2-v1)的关系.

(1) 情景创设:如图2所示,假设一个物体在恒定的合外力F作用下,做匀变速直线运动,经时间t物体的速度由v1变为v2,试推导合外力F与速度变化(v2-v1)的关系式.

图2

(2) 学生用牛顿第二定律F=ma以及匀变速直线运动的公式推导，教师巡回指导,及时点拨、提示.

2.2 引出概念

教师利用表1引出动量、冲量的概念并讲解.

表1

2.3 得出动量定理

教师提问：动能的变化是由于力的位移积累即力做功的结果,那么,动量的变化又是什么原因引起的呢？引导学生分析表达式Ft=mv2-mv1,从而归纳得到力的时间积累效应,即物体所受合外力的冲量等于物体动量的变化量,这个结论叫作动量定理.

3 实验验证,深化理解——用落体检验,解释蹦极绳的选取

3.1 实验验证

请同学们设计一个简单的实验来验证动量定理.

3.2 实验方案设计

让学生先设计、讨论,再展示方案,最后分组实验.实验方案与过程如下:如图3所示，将打点计时器固定在铁架台上,重锤上固定一条纸带,让纸带穿过打点计时器的限位孔,接通电源,释放重锤,由静止下落,在纸带上打出一系列的点.在纸带上找两个有一定间距的清晰点A和B,计算出A到B的时间间隔t,测量A或B作为中间时刻点的一段距离y1、y2.

图3

3.3 数据记录与分析

表2

3.4 实验结论

在误差允许的范围内,重力的冲量等于重物动量的变化量,从而验证了动量定理.

3.5 理解应用

学生在完成理论推导和实验验证两个环节后,教师引导学生回到课堂开始时的模拟小实验，为什么橡皮绳不断？这是对动量定理的直接应用,首尾呼应,同时引出缓冲效应.为了联系实际,要求学生讨论交流,生活中还有哪些缓冲的例子？如体育运动中沙坑和海绵垫等,以深化理解力的时间积累效应对物体动量的影响.

4 应用拓展,学以致用——创意作业“鸡蛋撞地球”

在新课结束之前,教师布置课外作业:“鸡蛋撞地球”设计比赛，设计一个缓冲装置,要求参赛者将置于缓冲装置内的鸡蛋从四楼扔下,保证鸡蛋不破碎,一周之后进行展示,评选重量最轻、理念最先进、落点最精准的设计，图4展示了部分优秀作品.

图4

按照“情景激疑、理论探究、实验验证、拓展应用”四步开展教学,学生经历了从发现问题到探究、验证、再应用的完整过程,像科学家做研究，充分体现了物理的学科特点;注重物理情景创设、联系实际,学以致用,激发了学生的兴趣;整体设计由浅入深、自动生成,学生的思维流畅,教学效果较好.

黎娇娥,刘万强.恒定与变化同证,推导与实验相成[J].物理教学探讨,2016,(5).