探讨：反冲之“反”

熊雨薇

摘   要：反冲是动量守恒定律的重要应用之一，对于“什么是反冲”这个问题，容易得出答案，但是不好解释。新教材在旧教材的基础上做了修改，在思考教材改编原因的过程中，逐渐明晰反冲的本质是“力的反”，理解了为何火箭是本节的重要应用情境，深刻感受到牛顿运动定律在宏观世界的“霸主地位”，并设计了本节的习题课，希望通过三个核心问题设置认知冲突、引导学生自主挖掘反冲的本质，体会物理学的和谐与统一。

关键词：反冲现象;火箭;牛顿运动定律;本质与表象

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）11-0006-3

基于核心素养背景下的高考改革早已拉开帷幕，教育工作者们对课程标准、核心素养等的研究工作正如火如荼地进行着。教材是第一手教学资源，也是国家教育方针和指导意见最直接的传递材料。对教材进行对比研究，可以帮助我们明确教育改革方向，理解物理学科培养要求。

“反冲”是动量守恒定律的重要应用之一，在人教版普通高中教科书《物理》[1]（以下简称“新教材”）和普通高中课程标准实验教科书《物理》[2]（以下简称“旧教材”）中，该部分内容变动不太大，但是每一处变动都是有据可循、值得深思的。本文通过对比新、旧教材，深入思考新教材改编的原因和意图，挖掘反冲中“反”的深层含义，明晰新课程改革的目标，体会物理学的魅力所在。

1    新、旧教材对比中的疑惑

1.1    标题与定义的变化

旧教材的标题是“反冲运动 火箭”，新教材的标题是“反冲现象 火箭”，“反冲”从“运动”变为了“现象”，这两者有何区别？

另外，我们知道旧教材中对反冲的定义是存在一定问题的，而新教材并未在旧教材的基础上进行修改，而是以炮弹为例，阐释什么是反冲，“炮弹射出后以很大的速度向前运动，根据动量守恒定律，炮身必将向后运动。只是由于炮身的质量远大于炮弹的质量，所以炮身向后的速度很小。炮身的这种后退运动叫作反冲。”[1]为何新教材避开对反冲下定义？

1.2    课后练习题的变化

旧教材中课后“问题与练习”包含3个题目[2]，如图1所示。

新教材中，将旧教材第1、2题的顺序交换，并增加了一个以火箭为背景的题目（图2中第3题）[1]。

可以看到，新教材中第1题的重要性得以凸显，该题的设置是否具有特殊目的？

1.3    “火箭”的重要性

反冲是动量守恒定律的重要应用之一，在生活中有很多反冲现象的例子，例如章鱼的运动、炮弹发射、喷气式飞机飞行、火箭发射等。但是，不论新、旧教材，标题中都含有“火箭”，教学内容都以火箭为主体进行了大量的分析和研究，新、旧课标均对火箭的认识作出要求，且新教材新增了一个与火箭相关的题目，种种事实充分体现了火箭的重要性。为何反冲现象最重要的应用是火箭？

2    寻找反冲中“反”的本质

针对以上发现，笔者重点研究新教材课后练习题中的第1题（图3）[1]，通过分析该题，揣摩教材编者的改编意图，解答新、旧教材对比过程中产生的疑惑。

根据旧教材必修一的同步教师教学用书，设置本题的目的是“为了说明应用动量守恒定律时，各物体的速度必须是相对同一惯性参考系的速度”。笔者认为，本题最大的亮点是在不同参考系中，火箭与气体的速度方向不一定都相反，会使人产生疑问“这是反冲吗？到底什么是反冲？”从而进行深入思考，以便更加透彻地认识反沖现象。笔者浅见，本题的目的应是引发学生的认知冲突，深入思考反冲的本质，破除反冲现象中两物体的速度方向一定相反的错误认识。反冲现象中分离的两部分不一定“速度反向”，那么反冲中“反”的本质是什么呢？

首先，思考反冲现象中还有哪些物理量的方向是相反的？罗列如下：相互作用力、加速度、速度变化量、动量变化量、动量变化率、冲量。

这些物理量中哪个是最为关键的？显然是“力”。通过运用牛顿第二定律、动量定理等物理规律，可将所有物理量的“反”与“力的反”联系起来，物理规律之间是如此和谐统一。究其根本，力是改变物体运动状态的原因，反向的力不一定导致反向的速度。速度及其他物理量都仅仅是表象，这也是前文讨论的不能根据速度方向判断是否为反冲现象的原因。

由此可见，尽管反冲是动量守恒定律的重要应用之一，但反冲现象产生的根本仍是“力”。经典力学在宏观世界的“霸主地位”不言而喻，牛顿运动定律的指挥棒在反冲现象中体现得淋漓尽致。

3    释   疑

3.1    反冲对“火箭”为何如此重要？

日常生活中，我们通过推、拉、扔等方式对其他物体施加力的作用从而改变物体的运动状态;车辆借助地面的摩擦力前行，游船借助水的作用加速，飞机借助空气的浮力上升。仰望星空，浩瀚的宇宙空空如也，我们又可以借助什么获得作用力来改变运动状态呢？只有借助反冲现象。通过向某一方向以一定速度排除自身部分物质获得相反方向的作用力，从而改变自身的运动状态。

凭借反冲，火箭通过喷气获得作用力不断加速，直到将各种航天器送入太空中，航天器继续利用反冲自如地改变运动状态，实现变轨、降落、返航等复杂操作，人类的科技和文明得以大踏步地迈向宇宙空间，迈向星辰大海。

3.2    “运动”是什么？

在旧教材必修一的同步教师教学用书中，对运动的解释是这样的：按照辩证法的观点，运动就是在任一时刻物体（质点）既在某处又不在某处，“在某处”指质点在该时刻有确定的位置，“不在某处”指质点有离开所在位置的趋向，这一对矛盾的不断产生和解决的过程就是运动。更简洁的解释是“物体的空间位置随时间的变化”。

初、高中物理的学习中，我们认识了很多运动状态，如静止、匀速直线运动、匀变速直线运动、平抛运动、圆周运动，等等。如果对这些运动进行分类，最直观的方式是根据运动轨迹分为直线运动与曲线运动，区别是力与速度是否共线;也可以按照合外力是否恒定分为匀变速运动和非匀变速运动。分类方式有多种，但是都与力有关，这是因为力是改变物体运动状态的原因。实际上，运动状态不同的原因是“力”不同，而运动状态仅仅是表象。根据前面的分析，反冲实际上也是一种表象，因此采用“反冲现象”的表述更加合理、准确，而一种现象，又如何下得了定义呢？

4    教学案例设计

针对以上分析和感悟，笔者认为非常有必要设计一堂习题课帮助学生认识反冲的本质，感悟经典力学的魅力与物理学的和谐之美。通过设置认知冲突，利用三个核心问题引导学生自主挖掘反冲的本质。以下是教学设计的思路：

环节一：设置认知冲突

通过例题1展现符合学生常规认知的反冲，学生处于认知舒适区。

例题1 某研究小组制作火箭模型，火箭与燃料的总质量M=500 kg，当火箭以v1=1000 m/s的速度飞行时，m=100 kg的燃料点燃后生成燃气，从火箭喷口以速度v2=800 m/s在很短时间内喷出。求：火箭喷气后的速度v'1。

通过例题2让学生分组选择地面和喷气前的火箭为参考系求解，发现以地面为参考系时火箭与喷出的气体速度方向相同。

例题2 某研究小组制作火箭模型，火箭与燃料的总质量M=500 kg，当火箭以v1=1000 m/s的速度飞行时，m=100 kg的燃料点燃后生成燃气，从火箭喷口以相对喷气前火箭的速度u=800 m/s在很短时间内喷出。求：火箭喷气后的速度v'1。

核心问题1：这是反冲现象吗？

组织学生讨论，此时学生形成认知冲突，离开认知舒适区。

环节二：寻找反冲之“反”

核心问题2：还有什么物理量“反”了？

学生分组讨论，找出该情境下方向相反的物理量并说明理由。

核心问题3：哪个物理量是最关键的？

学生分组讨论，各抒己见，说明理由。最终统一观点，“力”是最关键的物理量。

教师总结：根据经典力学，力是改变物体运动状态的原因，反向的力不一定导致反向的速度，速度仅仅是表象，反冲的“反”应指“力的反”。

环节三：反冲之“反”的重要应用价值

对比地球上和太空中的运动，认识到在太空中难以依靠他物获得作用力改变自身运动状态，只能借助反冲现象，通过向某一方向以一定速度排除自身部分物质（一般是气体）获得相反方向的作用力，从而改变自身的运动状态。

播放卫星的发射、变轨、入轨视频，突出通过向某一方向喷气从而获得反方向作用力的过程，体会反冲现象对宇宙探秘的重要应用价值及物理学与生活、科技的紧密联系。

环节四：感受物理学的和谐统一

在探究还有哪些物理量“反”的过程中运用了多种物理规律，初步体会到各个物理量、物理规律之间是相互联系、相辅相成的。在此基础上，通过例题3让学生分组采用不同的物理规律解决问题，更进一步感受物理规律的和谐统一。

例题 3 某小组在探究反冲运动时，将质量为m1的一个小液化气瓶固定在质量为m2的小模具船上，利用液化气瓶向外喷射气体作为船的动力。现在整个装置静止放在平静的水面上，已知打开液化气瓶后向外喷射气体的对地速度为v1，如果在Δt的时间内向后喷射的气体的质量为Δm，忽略水的阻力，小船所受气体的平均作用力大小为F，则喷射气体后，小船的速度是多少？

5    小  结

我們常说“透过现象看本质”，但不经意间便会被现象所迷惑，而忘记寻找本质。本以为反冲很简单，却在翻看教材中感到困惑良多，在“发现问题—解决问题—实践应用”的过程中，笔者认识到自己在宽广的物理世界前是多么渺小，薄薄几页纸，寥寥数句话，却经历了漫长的思考才能领悟一二。教师为何要做终生的学习者，因为这几本基础物理学科的教材是终生思索不尽的。

参考文献：

[1]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.普通高中教科书物理选择性必修第一册[M].北京：人民教育出版社，2019.

[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.（栏目编辑    赵保钢）