“彈性碰撞與非彈性碰撞”教學(xué)設(shè)計

王黎陽

摘 要：本文對高中物理“彈性碰撞與非彈性碰撞”部分進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，激發(fā)學(xué)生對物理現(xiàn)象的探究和體驗，加深其對物理本質(zhì)的理解，并能運(yùn)用物理原理解釋生活中的現(xiàn)象，從而促進(jìn)對問題本質(zhì)的深入認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：彈性碰撞；非彈性碰撞；實驗；物理本質(zhì)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）2-0028-3

用能量的觀點分析碰撞問題是彈性碰撞與非彈性碰撞教學(xué)的重點。在處理碰撞問題時，教師往往預(yù)設(shè)好了初末狀態(tài)的速度，通過理論計算的方式比較系統(tǒng)在碰撞前后的機(jī)械能變化，最后由教師總結(jié)介紹彈性碰撞、非彈性碰撞以及完全非彈性碰撞的概念及特點。這個過程中學(xué)生會產(chǎn)生疑問：為什么非彈性碰撞過程中機(jī)械能不守恒？系統(tǒng)減少的機(jī)械能哪去了呢？產(chǎn)生這些疑問的原因主要在于，碰撞過程中物體間相互作用時間極短，碰撞前后物體本身的變化又極其微小，學(xué)生無法從物理現(xiàn)象中挖掘碰撞的本質(zhì)。本設(shè)計將此過程化抽象為具體，設(shè)計演示實驗并結(jié)合生活中碰撞的例子，有利于學(xué)生對問題本質(zhì)的深入認(rèn)識。

1 設(shè)計思想

設(shè)計在學(xué)生觀察跳球?qū)嶒灥幕A(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生從能量的角度思考碰撞的特點。通過在玻璃球之間加入海綿，將兩類碰撞進(jìn)行對比，機(jī)械能的變化轉(zhuǎn)化為可見的因素，學(xué)生對碰撞過程中機(jī)械能是否守恒就有了感性的認(rèn)識，從而引出彈性碰撞和非彈性碰撞。結(jié)合圖解的方式將碰撞的效果放慢、放大，更直接還原了碰撞的本質(zhì)。最后，通過與生活聯(lián)系，進(jìn)一步了解損失的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量，體現(xiàn)了將概念形象化、具體化的科學(xué)研究方法和從物理走向生活的教學(xué)思想。

2 教學(xué)過程

2.1 魔術(shù)導(dǎo)入，引發(fā)疑惑

師：同學(xué)們，今天老師帶來大小不同的兩個彈力球，它們都有一定的彈性。

教師演示：使兩球從一定高度分別落下，觀察到彈力球都彈了起來。

師：現(xiàn)在我讓兩個球一上一下組合，再從剛才同一高度落下，大家注意看，兩個球誰能跳得更高！

教師演示：小球在上、大球在下一起落下，觀察到小球彈起更高的高度，大球卻幾乎沒有彈起來。

師：它們的動能如何變化？你們猜一下為什么會這樣變化？

生：小球彈得更高，說明它獲得了更大的動能，而大球幾乎沒有彈起來，說明它的動能減小了?？赡苁谴笄虬炎陨淼膭幽軅鬟f給了小球。

師：兩個彈力球一上一下組合落下，大球被地面反彈后與小球之間發(fā)生了碰撞，我們知道碰撞過程中的動量可以發(fā)生傳遞，系統(tǒng)的動量守恒。既然機(jī)械能在碰撞中也能傳遞，那么系統(tǒng)的機(jī)械能又是否守恒呢？

設(shè)計意圖：跳球?qū)嶒炛行椓η虻膭幽茏兓^為明顯，既能夠吸引學(xué)生的注意，又能夠引發(fā)學(xué)生對碰撞過程中機(jī)械能是否守恒的思考。需要注意的是，為了保證實驗的成功率，兩球下落的高度應(yīng)保持在15 cm到25 cm之間較為合適，且下落前盡量使兩球的重心處于同一豎直線上。

2.2 實驗探究，挖掘本質(zhì)

（1）對比演示碰撞實驗，將碰撞現(xiàn)象分類

教師演示牛頓擺中一動一靜的彈性碰撞實驗，將一個玻璃小球拿起一定的高度，從靜止釋放，與另一個玻璃小球碰撞（如圖1a所示）。

觀察到兩個小球碰撞后，第一個小球靜止下來，而第二個小球擺起一定的高度。

師：系統(tǒng)機(jī)械能在這個過程發(fā)生了怎樣的傳遞和轉(zhuǎn)化呢？

生：第一個小球被舉高的重力勢能在下落過程中轉(zhuǎn)化為動能，碰撞后，第一個小球靜止，第二個小球獲得了動能，又在上升過程中全部轉(zhuǎn)化為重力勢能。

師：如果碰撞中第一個小球的動能全部傳遞給了第二個小球，第二個小球上升的高度與第一個小球釋放前的高度應(yīng)該有什么關(guān)系呢？此時系統(tǒng)機(jī)械能怎樣？

生：一樣高，機(jī)械能守恒。

重復(fù)實驗，觀察到幾次碰撞后小球上升的高度和下落前的高度接近相等。

接下來，教師在第一個小球與第二個小球碰撞部位粘上海綿泡沫（如圖1b所示），演示非彈性碰撞。

師：碰撞后小球擺起的高度如何？機(jī)械能傳遞過程中如何變化？系統(tǒng)機(jī)械能守恒嗎？

生：小球在碰撞后不能擺到原來的高度，說明機(jī)械能不守恒。

師：根據(jù)這個特點，我們將碰撞分為兩類。

碰撞過程中系統(tǒng)機(jī)械能守恒，這類碰撞叫做彈性碰撞；碰撞過程中系統(tǒng)機(jī)械能不守恒，這類碰撞叫做非彈性碰撞。

師：加上海綿后，機(jī)械能為什么不守恒了呢？損失的機(jī)械能去哪了？

（2）圖解碰撞的物理實質(zhì)，解釋機(jī)械能轉(zhuǎn)化問題

學(xué)生充分思考討論后，觀看兩類碰撞的動畫，進(jìn)一步讓學(xué)生思考兩類碰撞的差異。教師圖解碰撞過程中發(fā)生的形變現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生理解碰撞的物理實質(zhì)。

師：碰撞過程中兩小球會受到一對相互作用力，使得它們發(fā)生了形變。但是，在玻璃球與玻璃球碰撞后，形變會馬上消失（如圖2a所示），因此彈性碰撞時的機(jī)械能損失很小。而泡沫的形變在碰撞后不能完全恢復(fù)，碰撞時機(jī)械能損失明顯，損失的機(jī)械能用在了物體形狀的改變上（如圖2b所示）。

設(shè)計意圖：由于碰撞時間極短，所以在相互作用的過程中物體產(chǎn)生的形變很小，學(xué)生無法把握機(jī)械能損失的實質(zhì)，就無法從能量角度深入認(rèn)識碰撞現(xiàn)象，而僅僅通過理論推導(dǎo)顯然是不夠的。將兩類碰撞實驗進(jìn)行對比演示，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為可見的高度，化抽象為形象，非常直觀地對比出機(jī)械能的損失，豐富了學(xué)生的感知，經(jīng)過自己分析后，問題更加深入——損失的機(jī)械能去哪兒了？再通過構(gòu)建其物理圖像，挖掘物理實質(zhì)，最后還可以結(jié)合理論推導(dǎo)，進(jìn)行驗證，有利于促進(jìn)學(xué)生對這個問題深入有效的認(rèn)識。

2.3 聯(lián)系生活，加強(qiáng)理解

師：生活中的碰撞無處不在，同學(xué)們說說都有哪些我們熟悉的碰撞現(xiàn)象？

同學(xué)們議論紛紛，舉出很多例子。

師：這些碰撞屬于彈性碰撞還是非彈性碰撞？

生：可能是非彈性碰撞吧。

師：生活中的碰撞是非彈性碰撞，多多少少都會存在一定的能量損失。大家猜猜，視頻里碰撞中損失的機(jī)械能都轉(zhuǎn)化成什么能量了呢？

教師投影展示生活中的碰撞視頻。

師：視頻中呈現(xiàn)了打臺球、踢足球、汽車相撞、甚至是彗星撞擊行星等碰撞現(xiàn)象，這些碰撞過程中發(fā)生的發(fā)熱、發(fā)光，都是機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了熱能、光能等形式的能量。近代物理學(xué)中，經(jīng)常遇到的是微觀粒子間的碰撞，微觀粒子的碰撞幾乎沒有機(jī)械能損失，我們把它們近似地看作彈性碰撞。

設(shè)計意圖：其實生活中碰撞的現(xiàn)象十分常見，比如打臺球、踢足球、汽車相撞，這些碰撞中大部分是非彈性碰撞，撞擊過程中的損壞、發(fā)熱、發(fā)光都是機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量。如果教師能夠?qū)⑦@些生活情景引入課堂，并引導(dǎo)學(xué)生對碰撞過程中的機(jī)械能變化進(jìn)行分析，那他們對碰撞本質(zhì)的認(rèn)識也就更加清晰，也體現(xiàn)了物理與生活緊密聯(lián)系的思想。

3 教學(xué)評價

本設(shè)計通過巧妙設(shè)計實驗，將抽象的物理過程轉(zhuǎn)化為具體的物理現(xiàn)象。跳球?qū)嶒炛行椓η虻膭幽茏兓^為明顯，能夠吸引學(xué)生注意，引發(fā)學(xué)生對碰撞過程中機(jī)械能是否守恒的思考。碰撞的對比實驗將機(jī)械能置于可見的高度，直觀地對比出機(jī)械能的損失，豐富了學(xué)生的感知，并引出了彈性碰撞和非彈性碰撞。

還原物理問題的本質(zhì)需要將抽象的物理問題、物理現(xiàn)象，通過放大、放慢等各種手段，達(dá)到可視化的效果，最終化抽象為形象。這個過程需要教師運(yùn)用科學(xué)的方法設(shè)計豐富的實驗探究活動，并對學(xué)生進(jìn)行恰當(dāng)引導(dǎo)，將有利于學(xué)生抽象思維能力的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳偉孟，胡繼超.《碰撞》課程的教學(xué)設(shè)計[J].物理教學(xué)探討，2013，31（10）：76-80.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材開發(fā)中心.物理選修3-5[M].北京：人民教育出版社，2010：17-21.

[3]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材開發(fā)中心.物理選修3-5 教學(xué)參考資料[M].北京：人民教育出版社，2010：21-27.

（欄目編輯 鄧 磊）