《弹性碰撞和非弹性碰撞》教学纪实与反思

徐地虎

教学内容：人教版（2019版）高中物理选择性必修一第一章第5节。

教材分析：

通过实验，了解弹性碰撞和非弹性碰撞的特点。定量分析一维碰撞问题并能解释生产生活中的弹性碰撞和非弹性碰撞现象。教材中首先以自然界中的碰撞现象引入课堂，基于学生对碰撞过程中动量变化已有初步了解，通过问题形式引发学生思考：碰撞过程中的能量是如何变化的？首先，通过对碰撞过程特点的分析，得出碰撞过程满足动量守恒;其次，通过实验研究小车碰撞前后的动能变化，得出弹性碰撞和非弹性碰撞的概念;再次，通过例题形式分析两物体碰撞后粘在一起后动能减小，加深对非弹性碰撞的理解;最后，以两小球一维弹性碰撞作为例子，既给出了求解一维弹性碰撞的思路和方法，又分析了碰撞过程中的几种情况。这不仅加深了学生对弹性碰撞的感性认识，同时也对弹性碰撞有了更深的理解。

教学目标：

1.通过问题引导，学生能说出比较碰撞前后系统动量和动能变化所需测量的物理量，并写出具体的比较表达式。

2.通过实验观察和数据测量，学生能计算得出碰撞前后的动量变化和动能变化情况。

3.通过分析总结，学生能够指出弹性碰撞和非弹性碰撞过程中动量变化和动能变化特点。

4.结合实例分析，学生能说出处理碰撞问题的基本思路和方法，即碰撞过程动量守恒，弹性碰撞动能不变，非弹性碰撞动能减小。

5.通过真实情境分析，学生能求解一维弹性碰撞问题。

教学设计思路与教学片段：

本堂课注重让学生观察，让学生体验，让学生发现，让学生思考，着力培养学生的思维能力，实验探究能力。

1.引入部分。

通过台球的“定杆”引入学习主题，激发学生的学习兴趣。利用问题引导，让学生猜测台球碰撞过程满足的物理规律，进而引导学生设计实验进行实验验证。利用分析综合、推理论证的方法分析问题，提升学生科学思维能力;基于观察和实验提出问题，形成猜想和假设，设计实验与制订方案，养成实验探究意识。

师：台球运动大家都比较熟悉，让我们一起观看视频，学习台球技术：定杆。

师：观察到了什么现象？

生：两个小球发生碰撞，母球碰后静止不动。

师：很好，猜想一下碰撞过程满足什么样的规律？并说说猜测的理由？

生：碰撞过程中动量守恒，因为碰撞过程中时间很短，碰撞的力很大，动量守恒。

师：很好，碰撞过程中系统的动能会变化吗？

生：碰撞过程会发热，动能应该会减少。

师：非常好，这位同学认为在碰撞过程中内能增加，而系统的总能量应保持不变，因而动能会减少。

师：能否设计实验验证猜想呢？

生：视频中两个小球的质量基本相等，因此可以让两个质量基本相等的两物体碰撞，测量两个物体碰撞前后的速度，并用天平测量两物体的质量，计算碰前和碰后系统的动量和动能，通过比较就可以知道动量和动能的变化情况。

师：非常好，这位同学给出了验证猜想的实验方案，需要测量碰撞前后物体的速度，以及两物体的质量。这里我们利用气垫导轨与光电门研究两物体的碰撞。

2.弹性碰撞部分。

通過问题引导与分析讲解，学生能结合实验方案进行分析综合，确定实验过程需要测量的物理量，以及比较碰撞前后系统的动量和动能的表达式，并根据实验数据进行处理分析，在实验数据的基础上，结合实验可能的误差等因素，得出弹性碰撞的概念与特点。该部分既有助于学生对实验原理的理解和把握，同时通过数据采集、处理的过程提升学生分析数据的能力，并结合实验数据分析碰撞的特点，进而得出弹性碰撞的概念，提升学生获取和处理信息、基于证据得出结论，提升科学探究能力。

利用弹性碰撞的实例分析，让学生理解分析该类问题的基本思路是利用弹性碰撞过程中动量守恒和动能不变进行求解，并就碰撞后的速度进行几种情况的讨论，这既有助于学生对实际生活中弹性碰撞的理解，为学生提供了利用实际情况验证理论结论是否正确的方法。课堂上利用牛顿摆实验做演示，进一步加深学生对实验结论的理解。通过问题：碰撞前后动能一定不变吗？动量一定不变吗？引出非弹性碰撞内容。

师：实验中利用气垫导轨有什么优势？

生：气垫导轨连接气泵后，滑块在气垫导轨上可以看作没有摩擦力，物体做匀速直线运动，因此可以准确测量碰撞前后物体的运动速度。

师：如何通过光电门测量物体的速度？

生：光电门可记录挡光片的通过时间，根据v=，测量挡光片的宽度d与通过时间△t，可以测量物体速度。

师：如何利用表达式确定物体碰撞前后动量守恒？

生：利用动量公式，只要比较碰前系统动量p1=m1+m2与碰后系统动量p1=m1+m2是否相等就可以。

师：很好，如果选用的挡光片的宽度相同，则只需要验证+=+是否成立，若成立则动量守恒，否则动量不守恒。（实验利用一个滑块碰撞另一个带弹簧的滑块，利用电子秤测量两滑块的质量，利用光电门测量时间，具体的实验数据采集及计算过程略。）

师：通过实验数据采集与分析，发现碰撞前后物体的动量很接近，但不是严格相等，如何理解呢？

生：这个应该是实验误差。

师：对的，严格上来讲，一次实验并不能得出结论，需要重复多次实验，最后得出结论。在实验误差允许的范围内，碰撞过程动量守恒。

师：如何利用表达式确定物体碰撞前后的动能变化？

生：方法与验证动量守恒类似，比较碰前 Ek1=m1（）2+m2（）2与碰后 Ek2=m1（）2+m2（）2的大小即可。（具体的实验数据处理过程略。）

师：通过求解碰撞前后的动能，可以得出什么样的结论？

生：碰撞后的动能小于碰撞前的动能，有能量损失，但与原动能相比，损失动能比较小。

师：很好。从实验中可以看出，两个物体碰撞前后的动能几乎不变。我们把系统在碰撞前后动能不变的碰撞称为弹性碰撞。现实生活中钢球、玻璃球的碰撞都可以近似看成是弹性碰撞。

师：我们先来看一个碰撞的实例：.如图1所示，物体m1以速度v1与原来静止的物体m2发生弹性正碰，如何求解碰后两球的速度？

生：可以利用弹性碰撞过程中动量守恒与动能不变列方程求解。

师：非常好。设碰后m1，m2的速度为v1'，v2'，根据动量守恒：m1v1=m1v'1+m2v'2;碰撞前后动能不变：m1v21=m1v1'2+m2v2'2，解得：v'1=v1，v'2=v1。

师：我们来看看，几种结果的讨论。当m1=m2时，两物体的速度为多少？

生：v'1=0，v'2 =v1

师：m1，m2呢？

生：v'1=v1，v'2 =2v1

师：这种情况与生活中的哪种情形类似？

生：汽车与乒乓球发生碰撞。

师：例子举得很贴切，非常好。

师：若m1=m2呢？与生活中的哪种情形类似？

生：v'1=-v1，v'2 =0，可以看成是乒乓球垂直碰撞墙壁，原速反弹。

师：很好，现在能对实验现象进行解释吗？

生：两个质量相同的小球发生弹性碰撞，两球交换速度。（让学生体验牛顿摆实验，加深印象。）

师：碰撞前后动能一定不变吗？动量一定不变吗？（转接到非弹性碰撞部分。）

3.非弹性碰撞部分。

结合学生已经对弹性碰撞有了基本的认识，通过问题引导，让学生思考是否所有的碰撞都是弹性碰撞，如果不是，碰撞过程中动量和动能如何变化？利用实验对非弹性碰撞前后的动量和动能进行对比，结合数据分析，得出在非弹性碰撞的过程中动量依然守恒，而动能减小，进而给出完全非弹性碰撞的概念。让学生根据真实的实验数据分析得出结论，不仅提升数据分析能力，同时培养学生严谨的科学态度。

根据弹性碰撞和非弹性碰撞的特点，从理论上分析一般正碰过程中为什么动量守恒，同时对碰撞做了简单的分类：弹性碰撞和非弹性碰撞，正碰和斜碰，让学生对碰撞有进一步的了解，为学有余力的学生对碰撞的深入学习提供了分析思路。

将滑块与一端装有胶带的滑块碰撞，碰撞后两滑块粘连在一起，通过测量通过光电门的时间以及滑块质量，分析计算碰撞前后系统的动量与动能变化。（具体的实验数据与数据处理过程略。）

师：从实验数据分析，可以得出什么结论？

生：在该碰撞过程中，碰撞前后的动量基本相等，在实验误差允许的范围内，动量守恒。

师：好的，动能呢？

生：碰后的动能大约是碰前动能的一半，碰后动能明显减少。

师：非常好。我们把系统在碰撞后动能减少的碰撞称为非弹性碰撞。当系统在碰撞结合在一起，动能损失最大，这种碰撞称为完全非弹性碰撞。

师：根据以上的实验我们可以做一个总结，在碰撞过程中，动量守恒，但动能有可能不变，也可能较少。根据动能是否减少进行分类，动能不变的碰撞称为弹性碰撞，动能减小的碰撞称为非弹性碰撞。

师：当然，也可以根据碰撞过程速度是否与物体的连线共线，可以将碰撞分为正碰与斜碰。正碰和斜碰需要满足什么规律呢？

生：动量守恒。

师：很好，能从理论上分析原因么？

生：碰撞过程中物体间作用时间很短，相互作用的内力很大，外力往往可以忽略，根据动量定理可知，系统动量守恒。

师：分析得很好。

4.应用举例，学以致用部分。

该部分结合例题分析和模型理解，结合微观世界里中子减速的真实问题，让学生对碰撞拥有一个更加全面而深刻的认识。

例题1：通过分析A物体碰撞一带轻质弹簧的B物体的运动过程，两小球在运动过程中的动能变化与弹性势能的变化，给学生一种较容易理解弹性碰撞和非弹性碰撞的模型。弹性碰撞过程中弹簧弹性势能完全释放，而非弹性碰撞是弹性势能并未完全释放，而当两小球共速时，系统的动能减小最多，若此时弹簧的弹性势能完全不释放，此过程的碰撞可认为是完全非弹性碰撞，即两物体结合在一起共速。

例题2：如图3所示，是微观条件下中子碰撞减速问题，通过分析中子减速的过程可知，中子与原子核的碰撞可认为完全弹性碰撞，结合弹性碰撞后的速度表达式，可以分析中子与较轻的原子核碰撞能够把中子速度降下来，这也与核反应中利用重水、轻水和石墨等做中子减速剂的情形相符，增强学生对物理知识实用性的认识，进一步增强对弹性碰撞的理解。

本堂课的最后，通过提出如何让小球弹得更高的问题让学生引出超级弹性小球的研究性学习课题。图4所示为实验中可使用的各种不同大小的弹性球，同时让学生课后做进一步的研究，有助于学生对弹性碰撞和非弹性碰撞有更加深入的理解和认识。

综上所述，我的教学思路其实就是让学生带着疑问走进课堂，在课堂中解决问题的同时，又产生新的疑问，引导学生继续进行学习和探究。教学环节环环相扣，步步深入，最终实现让学生在科学探究的过程中，掌握知识，领悟方法，完成知识建构。

反思：

本堂课通过问题引导，使教学有较好的逻辑条理性，注重学生的科学思维与科学探究能力培养。总的来说有以下几个特点：

1.从生活中引入课题，激发学习物理的兴趣。引入课题时使用的是一项打台球的技术“定杆”，学生对这一情境较为熟悉，同时也对如何学会这一技术特别感兴趣。这样快速地将学生注意力转入课堂。

2.重视实验在发现物理规律的作用。物理是一门以实验为基础的自然科学，因此在课程设计上重视了实验对于发现物理规律的作用，通过让学生设计实验方案，分析比较物体碰撞前后动能、动量变化情况的表达式，确定实验中需要测量的物理量，通过分析实验中得到的实验数据，发现碰撞过程中的实验规律。

3.重视模型建构，培养科学思维。在实验数据的基础上，更需要结合实验数据构建合理的物理模型，比如通过碰撞实验数据分析，构造了弹性碰撞和非弹性碰撞的模型，促进了学生科学思维的发展。

4.注重规律的应用，深化活化思維。对于新接触的知识和规律，通过提升感性认识、实际应用有助于学生对新知识和规律的理解和把握，在知识的理解和把握中深化活化思维深度。

与此同时，本堂课还需要进一步整合优化教学内容，结合学生的学习实际适当减少教学内容，降低教学难度，让学生有更多的时间进行自主学习和合作学习，独立完成实验数据采集与分析。

编辑/魏继军