關(guān)于《動量動量守恒定律》教學(xué)的反思和建議

張彬旭

在現(xiàn)行的物理教學(xué)改革中，已將《動量》章節(jié)作為選考內(nèi)容。自然，教師或?qū)W生對此內(nèi)容的重視程度會明顯減弱。然而，若從培養(yǎng)理科學(xué)生良好的物理思維的角度出發(fā)，筆者認(rèn)為關(guān)于《動量》內(nèi)容的教學(xué)可不做深入講解和訓(xùn)練，但可以將動量和動能兩部分內(nèi)容進(jìn)行比對教學(xué)。

為此，不禁思考這樣一個問題：動量和動能都是描述機(jī)械運動動力學(xué)的物理量，為什么要同時引入動量和動能這兩個物理量呢?它們在描述機(jī)械運動中各自起到什么作用呢?也許這個問題不僅學(xué)生會心存疑慮，教師對其本質(zhì)區(qū)別也不一定留意引導(dǎo)學(xué)生來探究，而只是順理成章地接受物理前輩作出的概念構(gòu)建。

比如，在原來的物理教學(xué)中關(guān)于動量和動能的區(qū)別和聯(lián)系都是在基本定義式的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩個物理量的矢量與標(biāo)量性加以區(qū)分：(1)動量p=mv，動能Ek=1/2mv²(2)動量是矢量，不僅有大小而且還有方向；動能是標(biāo)量，只有大小沒有方向。

在實際應(yīng)用問題中，區(qū)分這兩個物理量的作用，學(xué)生只是記憶碰撞問題系統(tǒng)動量一定守恒，但是系統(tǒng)機(jī)械能不一定守恒，只有在彈性碰撞中動量和機(jī)械能才都守恒，對其中蘊(yùn)涵的本質(zhì)原因?qū)W生并不一定清楚。為讓學(xué)生更好地解題，甚至還有“碰一碰動量守恒，擺一擺機(jī)械能守恒”的口訣讓學(xué)生在形式上區(qū)分動量守恒和機(jī)械能守恒的應(yīng)用。

動量和動能到底各自在物體運動中起到什么樣的作用，為什么不能選其一作為描述運動的量度?不僅是我們的疑慮，其實在物理學(xué)發(fā)展的過程中也有關(guān)于動量和動能爭論的記載：以法國物理學(xué)家笛卡兒為代表的學(xué)派認(rèn)為動量是唯一的、正確的一種運動的量度；以萊布尼茲為代表的學(xué)派則認(rèn)為動能是更加合適的描述運動的量度。這場爭論僵持了將近200年，直到能量轉(zhuǎn)化和守恒定律及動量守恒定律提出后，這個問題才真正得以解決。馬克思主義的奠基人之一恩格斯在《自然辯證法》一書中對此也作出論述，他指出：“機(jī)械運動確實有兩種量度，每一種量度適用于某個界限十分明確的范圍之內(nèi)”

為了在本質(zhì)上比較關(guān)于動量和動能在機(jī)械運動中充當(dāng)?shù)慕巧?，并結(jié)合高中學(xué)生的認(rèn)知能力，筆者建議可設(shè)計關(guān)于“動量和動能”的實驗探究課。簡要設(shè)計方案如下：

一、提出問題：動量和動能在描述機(jī)械運動中各自起到什么作用?

二、碰撞實驗內(nèi)容及方法

讓兩個滑塊在水平氣墊導(dǎo)軌上發(fā)生碰撞，要探尋它們在碰撞中動量和動能的變化情況，則需要測量碰撞物體的質(zhì)量和碰撞前后的速度，然后根據(jù)物體的動量p=2mv和物體的動能Ek=1/2mv²，則可以求出碰撞前、后物體的動量和動能，進(jìn)而比較物體的動量、動能在碰撞前后的變化情況。

顯然，物體的質(zhì)量M可以直接利用天平測量，實驗室可以較為準(zhǔn)確測量物體速度的方法就是利用光電門測物體的速度。為了更快捷計算物體的動量和動能，可借助電子表格設(shè)計變量輔助計算。

課堂操作實例：

利用由教育部教學(xué)儀器研究所研制的HCPI－物理實驗教學(xué)微機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)，通過實驗接口箱把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸入計算機(jī)，利用計算機(jī)通過輸入碰撞物體的質(zhì)量參數(shù)肘、擋光片兩前沿距離d及光電門采集的擋光片經(jīng)過光電門的時間間隔△t，直接計算出碰撞前后物體的速度v=d△t、動量p和動能B，而且也可以計算出碰撞前后由碰撞物體組成的系統(tǒng)的總動量和總動能。由于整個碰撞實驗是在水平氣墊導(dǎo)軌上完成的，所以系統(tǒng)的動能變化也反映了系統(tǒng)機(jī)械能的變化。

實驗分為兩個部分操作：(1)通過天平測出一個質(zhì)量為234，8g的滑塊，我們定義它為滑塊2(№)，把它放在兩個光電門之間不動，即它的速度v²=0。現(xiàn)在讓另一個滑塊，它的質(zhì)量為437.7g，定義為滑塊1(m1)向右運動，以水平向右為正方向即v1>0，與滑塊2發(fā)生碰撞。(通過實驗采集實驗數(shù)據(jù)如表一和表二)

(2)讓滑塊2依然在兩個光電門之間不動，滑塊1向右運動，碰撞后它們粘合在一起即v1>0，v²=0(碰粘)。(通過實驗采集實驗數(shù)據(jù)如表三和表四)

三、數(shù)據(jù)分析

(1)第一組實驗，通過碰撞使原來靜止的滑塊2開始運動，是滑塊1把機(jī)械運動一部分轉(zhuǎn)移給滑塊2，系統(tǒng)動量守恒說明滑塊1減少的動量等于滑塊2動量的增加，系統(tǒng)的動能守恒說明滑塊1減少的動能等于滑塊2動能的增加。所以這個過程僅僅是機(jī)械運動從滑塊1轉(zhuǎn)移到滑塊2，滑塊2的機(jī)械運動減少了多少，滑塊2的機(jī)械運動就增加多少，這樣的過程是機(jī)械運動轉(zhuǎn)移的過程。在這個過程中動量和動能都守恒，所以僅有機(jī)械運動在物體間轉(zhuǎn)移時，動量和動能都可以作為機(jī)械運動的量度。

(2)第二組實驗，系統(tǒng)的動量守恒，所以動量依然可以量度碰撞過程中機(jī)械運動的轉(zhuǎn)移，但是動能卻明顯的減少了，系統(tǒng)動能的減少意味著滑塊1減少的動能大于滑塊2動能的增加，滑塊1減少的動能沒有全部給滑塊2，而是轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能。所以伴隨有機(jī)械運動與非機(jī)械運動轉(zhuǎn)化時，動量依然可以作為機(jī)械運動轉(zhuǎn)移的量度，但是在描述機(jī)械運動與非機(jī)械運動轉(zhuǎn)化的能力時只有動能的變化可以作為機(jī)械運動與非機(jī)械運動轉(zhuǎn)化的量度。

四、實驗結(jié)論

基于上述實驗的分析可以得出這樣的結(jié)論，機(jī)械運動確實需要動量和動能這兩種不同的量度，但在不同的范圍中，它們描述的特點也有所不同：(1)僅機(jī)械運動在物體間轉(zhuǎn)移時，動量和動能都可以作為機(jī)械運動的量度；(2)伴隨機(jī)械運動與非機(jī)械運動轉(zhuǎn)化時，只有動能的變化可以作為機(jī)械運動與非機(jī)械運動轉(zhuǎn)化的量度?；诖烁由羁汤斫舛鞲袼龟P(guān)于動量和動能的論述：“機(jī)械運動確實有兩種量度，每一種量度適用于某個界限十分明確的范圍之內(nèi)。動量是以機(jī)械運動來量度的機(jī)械運動；動能是以機(jī)械運動轉(zhuǎn)化為一定量的其它形式運動的能力來量度的機(jī)械運動。我們已看到這兩種量度互不相同，所以也并不相互矛盾?！?/p>

通過這節(jié)探究課的實際操作，不僅讓學(xué)生更加深刻的了解動量和動能的本質(zhì)區(qū)別，并更容易讓學(xué)生們掌握在實際應(yīng)用中如何利用動量守恒定律和機(jī)械能守恒定律解答相關(guān)問題，這比直接給學(xué)生列舉實際例題、傳授解題方法具有更加深刻的意義。此外，這節(jié)課的設(shè)計對于培養(yǎng)學(xué)生提出問題、設(shè)計情景和方法解決實際應(yīng)用問題有一定的啟發(fā)作用；對于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)密的推理、邏輯思維有一定的促進(jìn)作用，并讓學(xué)生體會解決一個物理問題、發(fā)現(xiàn)一個正確的自然規(guī)律在物理學(xué)發(fā)展歷程中經(jīng)歷的曲折和艱辛。所以，在基礎(chǔ)教學(xué)中教師的角色不應(yīng)該僅是專業(yè)知識的傳授者，而更應(yīng)該做一個讓學(xué)生正確學(xué)習(xí)專業(yè)知識、理解專業(yè)知識的導(dǎo)航者，而這也正是新課程改革的思想目的之所在。