神奇的碰撞

◆杭州市临平职业高级中学 倪志强

碰撞是自然界中的普遍现象，台球桌上出色的一击、冰壶场上绝妙的“双飞”等碰撞现象都令人叫绝。观察与思考碰撞现象有助于培养学生的创新思维，提升学生的核心素养。

物理学是以实验为基础的自然科学，实验在培养学生的探究能力、创新能力，提升学科核心素养方面起着重要的作用。我利用常见的硬币设计简单的实验，带领学生探究一维的弹性碰撞规律，使学生从硬币的碰撞现象中理解物理规律。

实验一

实验目的：通过创设情境，在实践中体验弹性正碰的神奇现象，在思考中了解碰撞遵守的基本物理规律，用课堂学到的知识解释实验现象。

图1 学生积极参与实验

实验过程：将两枚相同币值的硬币相邻并排，静置在实验台面上，用一枚等值硬币迅速冲击第一枚硬币，使它快速与第二枚硬币发生碰撞。

实验现象：第一枚硬币停止，第二枚硬币沿第一枚硬币的运动方向前行（交换速度）。

实验总结：刚开始操作时，学生忽略了“两枚硬币应‘正面’撞击”这个实验条件，所以在实验过程中出现了不同的实验现象。

实验二

实验目的：通过与实验一的情境对比，总结规律。明确研究对象，体验基于事实构建物理模型的抽象概括过程，培养学生的科学思维能力。

实验过程：将多枚币值相等的硬币放在实验台面上，排成一行（硬币之间不留空隙）。用一枚等值硬币迅速冲击第一枚硬币，使它快速与相邻的硬币发生碰撞。

实验现象：第一枚硬币撞击相邻硬币的同时，行末的硬币迅速地“飞”出去。

实验总结：通过几次练习，学生很容易掌握操作要领。本实验与牛顿碰撞球实验类似，实验现象明显。部分学生认为该实验现象属于偶然现象，于是减少硬币的数量继续开展类似的实验。实验结果表明，这并非偶然现象。

图2 将几枚相同币值的硬币排成一行

实验三

实验目的：进一步引入其他力的作用，虽有外力作用但远小于内力，且碰撞时间极短，外力在碰撞中属于次要因素。体会理想化模型是为了便于研究问题而忽略次要因素建立的一种高度抽象的理想客体。

实验过程：将多枚币值相等的硬币放在实验台面上，排成一行（硬币之间不留空隙）。用手按压住其中一枚硬币，用一枚等值硬币迅速冲击第一枚硬币，使它快速与相邻的硬币发生碰撞。让学生猜测会出现怎样的实验现象，再与实验过程中观察到的实验现象进行对比。

实验现象：几乎在第一枚硬币撞击相邻的硬币的同时，行末的硬币迅速“飞”出去。

实验总结：绝大部分学生猜测，按压着的硬币及其后方的硬币会静止。然而实验现象与实验一的现象一致，与是否按压硬币无关。这让学生感到很意外。

实验收获：通过一系列实验使学生形成物理观念——物理规律应确认其适用条件，并在不断修正下使其更具普遍性。

图3 按住其中一枚硬币

实验四

图4 学生参与实验

实验过程：

操作一：将几枚币值相等的硬币排成一行，在其中间放入一枚不同币值的硬币，用一枚硬币（币值与排成行的硬币相同）迅速冲击第一枚硬币，使它快速与相邻的硬币发生碰撞。

操作二：将几枚币值相等的硬币排成一行，在其中间放入一块橡皮，用一枚硬币（币值与排成行的硬币相同）迅速冲击第一枚硬币，使它快速与相邻的硬币发生碰撞。

操作三：用手指按住橡皮，用一枚硬币（币值与排成行的硬币相同）迅速冲击第一枚硬币，使它快速与相邻的硬币发生碰撞。

实验现象：操作一完成后，后放入的硬币及其两侧相邻的硬币散开。操作二完成后，后放入的橡皮及其两侧相邻的硬币散开。操作三完成后，橡皮的位置未发生变化，左侧相邻的硬币散开，右侧相邻硬币的位置几乎没有变化。

实验总结：经过前面的探究实验，学生开始猜测实验现象，不再轻信、崇拜“权威”。当实验现象的猜测意见难以统一时，便通过实验进行论证。

表1 学生对实验现象的猜测与观察到的实际现象记录表

通过以上实验，可对能量如何传播、怎样有效传播的规律进行归纳：两枚硬币在碰撞瞬间发生弹性形变产生弹力，当它们的相对速度为零时，形变达到最大值，弹性势能最大。在弹力的作用下，前（后）方的硬币做加（减）速运动，动能锐增（减），前方的硬币加速向前。后方硬币的动能转化为前方硬币的动能。当硬币恢复原状即弹力为零时，前方的硬币动能达到最大值。若是规格（质量）一样的硬币，由牛顿运动定律及对称性原则可知，当弹力为零时，后方硬币速度恰好为零，反之亦然。

学生通过神奇的碰撞实验，拓宽了知识面，加深了对课堂所学知识的理解，增强了理论与实践结合的意识，提升了解决实际问题的能力，培养了创新能力和实际操作能力。