关于《实验：探究碰撞中的不变量》几个有争议的问题

金银书

【内容摘要】新课程标准下的高中物理3-5教科书关于动量的设计，与以往相比变化很大，动量守恒定律不再是牛顿定律演绎的结果。本文对于《实验：探究碰撞中的不变量》课题中不变量能否改为守恒量、通过本节课学习能否得出动量概念以及本节课的实验设计这几个有争议的地方提出了自己的见解。

【关键词】不变量 动量 实验设计

新课程标准下的高中物理3-5教科书关于动量的设计，与以往相比变化很大，动量守恒定律不再是牛顿定律演绎的结果。教材中关于《实验：探究碰撞中的不变量》的编写意图应该是遵循物理科学的发展历程，使学生对科学的本质的认识能够稍微深入一些，这节课目的不是得出动量守恒定律，而是讓学生体会物理学知识的奥秘所在。关于本节课，笔者思考了几个有争议的问题，与各位同仁探讨。

一、课题应该是探究碰撞中的不变量还是探究碰撞中的守恒量

物理学中的不变量指：第一，某些描述物理研究对象自身性质的物理量，是不随时间或空间位置变化的物理量，例如物体的质量，真空中光速等；第二，是个体状态参量不变，描述的是过程前后物体的某一状态参量不变，例如某一过程前后速度，受力，温度等不变。守恒量是指物理量在整个过程中始终保持不变。

守恒量与不变量的不同是：第一：守恒量是针对系统而言的，例如两个物体组成的系统，物体与地球构成的系统，一个封闭的物理体系如一定质量的气体，与外界没有电荷的交换的系统。第二，“不变”不能作为“守恒”的等效表达，“保持不变”才意味着“守恒”，而且守恒还包含了守恒的条件和讨论守恒的必要性，所以说“守恒”应该是包含了“不变”。

本节课中不可能研究到碰撞中的任意时刻，对任意时刻进行分析数据，只能通过碰撞前后的数据进行分析，所以课题换成探究碰撞中的守恒量是不合适的，只能先研究不变量，所以新课程教师教学用书中提到，需要让学生明确的是课文中提到的“不变量”并不是“守恒量”。

所以，笔者认为课题就应该叫探究碰撞中的不变量。

二、能否根据这节课提出动量这个概念

教材在探究碰撞中的“不变量”是以实验作为基础的，因为只有当多次试验后结论推导出的结果都与事实一致时，它才能成为规律。所以本节课应该是，学生通过教师的引导和自己的实验体验，发现物体碰撞过程中的确存在某个不变的物理量，但是经过师生共同实验探究出在碰撞前后，质量和速度乘积这一矢量和很可能是保持不变的，从而意识到这个乘积是个特殊量，具特别的意义，应该说，这个猜测是有实验基础的，不仅如此，我们还可以根据这个不变量，给了我们在两个物体在碰撞中很可能存在“守恒量”的启示。

所以，笔者认为这节课的侧重点是在教师的引导下，让学生经历科学探究的过程，潜移默化的提升学生的科学素养，感悟自然界的和谐与统一。然后下一节课是可以直接提出动量这个概念的。

三、本节课的实验应该怎么设计

书上给了3个实验的参考案例，参考案例中对实验的设计、对“不变量”的推测、实验操作、数据处理都有明确的说明，但《课程标准》没有对本节课实验的具体做法、使用的器材等做出硬性的规定，所以应该说是根据各个地区不同的教学环境，给出了因地制宜地实验教学，相比之下的参考案例一，使用气垫导轨和光电门，可以很好的保证一维碰撞，也可进行多样性的碰撞研究，实验误差较小，应该为实验的首选。

但教学的目的是使学生在探究过程中有所体验。实验步骤有的可以直接告诉学生，有些过程需要学生自己去探究，在教学中要以什么方式给出提示需要结合教学目标、教学内容的难度以及学生的基础等因素。

首先学生操作中容易出现的问题：（1）一次碰撞中获得多组数据不知道用哪一组，这是因为光电门计时器只要挡光一次就记录一组数据，学生操作时往往会让碰撞不断进行，没有及时停止。（2）对碰时有时候碰后反弹，有时候碰后沿一个方向运动，这需要学生严格的控制对碰的初始速度，因此操作难度较高。（3）碰撞发生在光电门外。（4）滑块经过光电门时还处于加速状态。

所以可以设置如下碰撞情形：（1）动碰静后分开；（2）对碰（碰后反弹）；（3）动碰静后粘合。那么实验操作中应注意的地方：（1）碰撞具有瞬时性，碰撞要在两个光电门之间完成。（2）保证碰撞前匀速直线运动，不要长时间的推着滑块，应该在经过光电门前松手，避免滑块经过光电门时处于加速状态。（3）读取速度数据时，注意速度的矢量性。

教学中让学生自己提出各种猜想，不一定就是书本上的三种，如果学生不想研究v/m之和是否不变，也可以不去研究，这样既是对学生的尊重，也是提高学生思维能力的需要。实验方案的设计需要学生明确探究的目的，需要测量的物理量，现场的实验数据的处理，让学生真实的参与到实验探究的过程中，通过一步一步的递进的探究过程，让学生去伪存真，由表及里的发现规律，培养了学生的探究能力，在问题的探究过程中，让学生真切的感受到物理的思想方法，逐步形成科学思维，特别是在出现两个貌似不变量时，教师不要急于提供结论，而是继续的引导学生开展实验检验这一科学方法，来检验自己的观点是否正确。课堂上传授的知识学生终将遗忘殆尽，但解决问题的科学思维、科学方法将在学生心里留下深深的烙印，这些知识内后的更有价值的东西有助于学生今后的学习与生活中正确面对、决策所遇到的大量非物理问题，为学生的终身发展奠定良好的基础。同时，在探究的过程中潜移默化的培养了学生对科学探究的热情以及实事求是的科学态度。

【参考文献】

[1]苗元秀.人教版普通高中物理课程标准实验教科书选修 3-5编写思想[J].中学物理教学参考，2007，36（9）：2-5.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-5[M].北京：人民教育出版社，2010：2-5.

（作者单位：江苏省丹阳市第六中学）