人教版《物理》选择性必修第一册“第一章 动量守恒定律”编写说明

孙新

摘 要：针对第一章“动量守恒定律”的编写意图进行梳理、说明.全章概述中明确指出章结构的设计特点.展现教科书编写的逻辑线索，明确教科书对“守恒思想”的渗透.深入挖掘教科书中关于学科核心素养目标的落实，以整章内容为载体，说明科学探究素养培养的设计思路.在具体说明中，围绕本章的6节课内容逐节细致说明动量、动量守恒定律及其应用的设计意图和教学建议.

关键词：碰撞;动量;动量守恒定律;学科核心素养;反冲

文章编号：1008-4134（2020）11-0007中图分类号：G633.7文献标识码：B

1 全章概述

高中物理必修课程中力学、电学的内容，为学生初步形成物质观、运动与相互作用观和能量观的认识奠定了重要的基础，应该说，教科书在为学生形成“运动与相互作用观”方面已有相对完整的设计.本章动量和动量守恒定律的设计，同样也会为学生进一步形成运动与相互作用观念提供帮助.动量和动量守恒定律的普适性知识在高中物理教学中占有重要地位.

从章结构设计方面考虑，本章结构设计与以往教科书相比有所调整，在强调知识传授的同时，其核心是要强调物理学中的“守恒思想”.教科书编写的逻辑线索如下.

本章知识内容共6节，大致可以划分为三个单元.

第一单元包括第1、2节，即“动量”“动量定理”，这部分内容侧重动量概念的引入，引导学生理解冲量、动量和动量定理，能用其解释生产生活中的有关现象;第二单元包括第3、4节，即“动量守恒定律”“实验：验证动量守恒定律”，这部分内容侧重动量守恒定律的建立过程，并要求学生能用其解释生产生活中的有关现象;第三单元包括第5、6节，即“弹性碰撞和非弹性碰撞”“反冲运动 火箭”，这部分内容是从动量守恒定律的应用角度展开的.

1.1 物理观念

本章动量及其守恒定律都是围绕形成运动与相互作用观念的线索来设计的.该内容也是学生形成运动与相互作用观念的基础.教科书帮助学生形成这一物理观念的作法主要体现在章结构的设计上，从上述教科书编写的逻辑线索所反映的章结构特点，可以使学生有效地运用“动量”的概念认识“相互作用”.

1.2 科学思维

在中学物理教学中，如何引入动量的概念是需要研究的一个问题.本章在处理这个问题上，关注的不仅仅是它的定义，而是更关注引导学生在“寻求碰撞中的不变量”标题下的实验设计，深化动量概念的形成过程.同时教科书以动量概念的建立过程为例，通过“科学方法”栏目，给出了“抽象与概括”的科学方法问题.

任何科学概念的形成、规律的建立都不会是简单拼凑得出的，它需要严格的科学归纳、推理和论证等过程.

1.3 科学探究

科学探究素养的培养要做到不失时机.本章教科书虽然没有冠以“探究”字样的探究性实验呈现，但是科学探究思想的渗透是贯穿整章设计的.从图1框图展示的设计思路，可以反映教科书是如何引导学生经历科学探究过程，完成动量守恒定律的学习的.

1.4 科学态度与责任

本章教科书的设计，力求学生能运用动量守恒定律解释生产生活中的有关现象，加深对科学本质的认识，增强社会责任感.例如，“STSE”栏目中的“汽车碰撞试验”“科学漫步”栏目中的“历史上关于运动量度的争论”以及第5、6节内容的设计，集中反映科学态度与责任的核心素养培养.

2 具体说明

2.1 第1节 动量

本节的设计从观察“问题”栏目的实验现象（两个相同钢球的碰撞）入手，随后围绕该问题展开讨论，在此基础上设计了条件与上述实验相对应的演示实验，即“质量不同小球的碰撞”问题，引导学生进一步寻求碰撞中的“不变量”.这样处理的目的，一方面为动量概念的引入提供实验基础;另一方面，引导学生亲身经历和体验科学探究过程.应该看到，学生在观察实验现象的过程中，发现问题并引发猜想，感悟自然界的和谐与统一.

本章教科书针对动量概念形成的历史过程没有展开说明，而是以旁批“物理学家始终在寻求自然界万物运动的规律，其中包括在多变的世界里找出某些不变量”的形式给出.还有，关于守恒的思想方法对学生来说并不陌生，他们在高中物理必修课程中已经学习了“机械能守恒定律”“电荷守恒定律”“能量守恒定律”等，对教科书设计的“寻求碰撞中的不变量”的要求会有较深入的认识，在此基础上动量概念的引入也就变得自然、合理.

不过应该清楚，教科书中设计的寻求碰撞中的“不变量”并不是“守恒量”，但是“不变量”的结果会给我们一个强烈的提示：两个物体在碰撞过程中很可能存在“守恒量”，这个猜测是具有实验基础的.教学中应该引导学生认识到，规律的建立，不可能简单得出，只有当从结论推导出的很多新结果都与事实一致时，它才能成为规律.尽管这样的过程学生不能独立完成，但是，他们在寻求“不变量”的探究过程中亲身体验，发现问题、猜想和挖掘证据等方面具有十分重要的教育价值.

另外，需要引导学生注意，动量是矢量，学生对此必须有清楚的理解，这里再次涉及对矢量运算的认识问题.

2.2 第2节 动量定理

教科书通过物体在恒力作用下做匀变速直线运动的情况下，推导出动量定理.这是从特殊推广到一般的科学方法的运用.动量定理不仅适用于恒力，而且适用于变力，正因为适用于变力，它们才有广泛的应用.不过，因其理论推导较难，在中学阶段不宜要求过高，教科书用积分的思想（在物理必修课程中曾有所渗透）进行了定性的说明.

我们从教科书推导动量定理的过程可以看出，物体动量的变化率等于它所受的力.这表明动量定理的物理实质与牛顿第二定律是相同的.应该引导学生尝试用动量概念表示牛顿第二定律，这有助于学生对动量概念以及描述運动与相互作用关系问题的深入理解.

2.3 第3节 动量守恒定律

本章教科书通过动量定理和牛顿第三定律，并运用科学演绎方法推导出动量守恒定律.教科书引导学生在理解动量和动量定理的基础上，引入系统、内力、外力的概念.为使学生深入理解动量守恒定律，理解运动与相互作用的关系，教科书将动量守恒定律与牛顿运动定律密切结合，通过实例揭示牛顿运动定律从“力”的角度反映物体间的相互作用，动量守恒定律从“动量”的角度描述物体间的相互作用的本质.

动量守恒定律不仅适用于碰撞，也适用于任何形式的相互作用.动量守恒定律的普适性，为学生深层次认识自然界的和谐与统一提供了很好的例证.同时，它也为解决力学问题开辟了新的途径.教科书通过例题，展示了动量守恒定律解决碰撞问题的优势所在.

2.4 第4节 实验：验证动量守恒定律

本节教科书围绕“实验思路”“物理量的测量”“数据分析”的设计，引导学生选取实验方案进行实验操作.本节给出了两个参考案例，“研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒”和“研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒”验证动量守恒定律.在本节实验中，应该引导学生认识到，验证性实验是一种重要的实验形式，也是科学探究的一種有效方式，教科书在努力展现验证性实验中科学探究精神的渗透，例如参考案例中要求设计获取多种相关证据的方法等.应该把本节验证性实验放到整章科学探究素养培养之中去考虑.

2.5 第5节 弹性碰撞和非弹性碰撞

本节设计不是为了让学生提高对碰撞知识的理解，而是把它作为载体，深入细致地贯彻学科核心素养中的科学思维和科学探究的要素，在真实、典型的情境中应用动量守恒定律.

教师应关注学生是否能够灵活地运用动量守恒定律和机械能守恒定律，去解决典型的碰撞问题.实际上，用本节习题课来处理习题的结论无需记忆，不应让学生以这些结论为前提去解新的题目.

教科书在得到碰撞后两个小球速度的关系式后讨论，当m1=m2、m1≥m2、m1≤m2三种特例情形下两个小球碰撞后速度的关系.目的是向师生传递一个信息：通过公式可以看出，不同物理量之间的依存关系，以及某些物理量的变化趋势，从中可以得出很多定性的结论.这种能力对于学生学好物理课程是非常重要的.

本节课为学生营造出经历科学探究过程的真实情境.学生通过生活经验已经对于这几类碰撞的结果有了自己的预期，应用物理知识和数学知识进行分析后，看结论是否与生活经验一致，这是在探究问题过程中获取“证据”并对问题给予合理的“解释”.

2.6 第6节 反冲运动 火箭

本节的设计从如何解释“问题”栏目中章鱼的游动入手，随后围绕发射炮弹的炮身后退现象引出反冲运动.教科书引导学生应用动量守恒定律解释反冲运动.与此同时，教科书通过生产生活中的实例介绍反冲运动，并通过演示实验加深对反冲运动的理解，最后介绍了火箭的飞行原理.

其中教科书“思考与讨论”栏目的设计，目的是引导学生能根据动量守恒定律，完成书上的推导，从理论上明确：火箭获得的最终速度主要取决于两个条件，一个是喷气速度，一个是质量比，即火箭起飞时的质量与燃料烧尽时的质量之比.喷气速度越大，质量比越大，火箭的最终速度也越大（忽略重力的影响）.最后，教科书以“科学漫步”栏目的形式介绍了“三级火箭”的内容，要求对火箭知识拓展的同时，进一步介绍我国在航空、航天事业中的进步，激发学生的爱国热情.

（收稿日期：2020-04-20）