關(guān)于《實驗：探究碰撞中的不變量》幾個有爭議的問題

金銀書

【內(nèi)容摘要】新課程標(biāo)準(zhǔn)下的高中物理3-5教科書關(guān)于動量的設(shè)計，與以往相比變化很大，動量守恒定律不再是牛頓定律演繹的結(jié)果。本文對于《實驗：探究碰撞中的不變量》課題中不變量能否改為守恒量、通過本節(jié)課學(xué)習(xí)能否得出動量概念以及本節(jié)課的實驗設(shè)計這幾個有爭議的地方提出了自己的見解。

【關(guān)鍵詞】不變量 動量 實驗設(shè)計

新課程標(biāo)準(zhǔn)下的高中物理3-5教科書關(guān)于動量的設(shè)計，與以往相比變化很大，動量守恒定律不再是牛頓定律演繹的結(jié)果。教材中關(guān)于《實驗：探究碰撞中的不變量》的編寫意圖應(yīng)該是遵循物理科學(xué)的發(fā)展歷程，使學(xué)生對科學(xué)的本質(zhì)的認識能夠稍微深入一些，這節(jié)課目的不是得出動量守恒定律，而是讓學(xué)生體會物理學(xué)知識的奧秘所在。關(guān)于本節(jié)課，筆者思考了幾個有爭議的問題，與各位同仁探討。

一、課題應(yīng)該是探究碰撞中的不變量還是探究碰撞中的守恒量

物理學(xué)中的不變量指：第一，某些描述物理研究對象自身性質(zhì)的物理量，是不隨時間或空間位置變化的物理量，例如物體的質(zhì)量，真空中光速等；第二，是個體狀態(tài)參量不變，描述的是過程前后物體的某一狀態(tài)參量不變，例如某一過程前后速度，受力，溫度等不變。守恒量是指物理量在整個過程中始終保持不變。

守恒量與不變量的不同是：第一：守恒量是針對系統(tǒng)而言的，例如兩個物體組成的系統(tǒng)，物體與地球構(gòu)成的系統(tǒng)，一個封閉的物理體系如一定質(zhì)量的氣體，與外界沒有電荷的交換的系統(tǒng)。第二，“不變”不能作為“守恒”的等效表達，“保持不變”才意味著“守恒”，而且守恒還包含了守恒的條件和討論守恒的必要性，所以說“守恒”應(yīng)該是包含了“不變”。

本節(jié)課中不可能研究到碰撞中的任意時刻，對任意時刻進行分析數(shù)據(jù)，只能通過碰撞前后的數(shù)據(jù)進行分析，所以課題換成探究碰撞中的守恒量是不合適的，只能先研究不變量，所以新課程教師教學(xué)用書中提到，需要讓學(xué)生明確的是課文中提到的“不變量”并不是“守恒量”。

所以，筆者認為課題就應(yīng)該叫探究碰撞中的不變量。

二、能否根據(jù)這節(jié)課提出動量這個概念

教材在探究碰撞中的“不變量”是以實驗作為基礎(chǔ)的，因為只有當(dāng)多次試驗后結(jié)論推導(dǎo)出的結(jié)果都與事實一致時，它才能成為規(guī)律。所以本節(jié)課應(yīng)該是，學(xué)生通過教師的引導(dǎo)和自己的實驗體驗，發(fā)現(xiàn)物體碰撞過程中的確存在某個不變的物理量，但是經(jīng)過師生共同實驗探究出在碰撞前后，質(zhì)量和速度乘積這一矢量和很可能是保持不變的，從而意識到這個乘積是個特殊量，具特別的意義，應(yīng)該說，這個猜測是有實驗基礎(chǔ)的，不僅如此，我們還可以根據(jù)這個不變量，給了我們在兩個物體在碰撞中很可能存在“守恒量”的啟示。

所以，筆者認為這節(jié)課的側(cè)重點是在教師的引導(dǎo)下，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，潛移默化的提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，感悟自然界的和諧與統(tǒng)一。然后下一節(jié)課是可以直接提出動量這個概念的。

三、本節(jié)課的實驗應(yīng)該怎么設(shè)計

書上給了3個實驗的參考案例，參考案例中對實驗的設(shè)計、對“不變量”的推測、實驗操作、數(shù)據(jù)處理都有明確的說明，但《課程標(biāo)準(zhǔn)》沒有對本節(jié)課實驗的具體做法、使用的器材等做出硬性的規(guī)定，所以應(yīng)該說是根據(jù)各個地區(qū)不同的教學(xué)環(huán)境，給出了因地制宜地實驗教學(xué)，相比之下的參考案例一，使用氣墊導(dǎo)軌和光電門，可以很好的保證一維碰撞，也可進行多樣性的碰撞研究，實驗誤差較小，應(yīng)該為實驗的首選。

但教學(xué)的目的是使學(xué)生在探究過程中有所體驗。實驗步驟有的可以直接告訴學(xué)生，有些過程需要學(xué)生自己去探究，在教學(xué)中要以什么方式給出提示需要結(jié)合教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容的難度以及學(xué)生的基礎(chǔ)等因素。

首先學(xué)生操作中容易出現(xiàn)的問題：（1）一次碰撞中獲得多組數(shù)據(jù)不知道用哪一組，這是因為光電門計時器只要擋光一次就記錄一組數(shù)據(jù)，學(xué)生操作時往往會讓碰撞不斷進行，沒有及時停止。（2）對碰時有時候碰后反彈，有時候碰后沿一個方向運動，這需要學(xué)生嚴(yán)格的控制對碰的初始速度，因此操作難度較高。（3）碰撞發(fā)生在光電門外。（4）滑塊經(jīng)過光電門時還處于加速狀態(tài)。

所以可以設(shè)置如下碰撞情形：（1）動碰靜后分開；（2）對碰（碰后反彈）；（3）動碰靜后粘合。那么實驗操作中應(yīng)注意的地方：（1）碰撞具有瞬時性，碰撞要在兩個光電門之間完成。（2）保證碰撞前勻速直線運動，不要長時間的推著滑塊，應(yīng)該在經(jīng)過光電門前松手，避免滑塊經(jīng)過光電門時處于加速狀態(tài)。（3）讀取速度數(shù)據(jù)時，注意速度的矢量性。

教學(xué)中讓學(xué)生自己提出各種猜想，不一定就是書本上的三種，如果學(xué)生不想研究v/m之和是否不變，也可以不去研究，這樣既是對學(xué)生的尊重，也是提高學(xué)生思維能力的需要。實驗方案的設(shè)計需要學(xué)生明確探究的目的，需要測量的物理量，現(xiàn)場的實驗數(shù)據(jù)的處理，讓學(xué)生真實的參與到實驗探究的過程中，通過一步一步的遞進的探究過程，讓學(xué)生去偽存真，由表及里的發(fā)現(xiàn)規(guī)律，培養(yǎng)了學(xué)生的探究能力，在問題的探究過程中，讓學(xué)生真切的感受到物理的思想方法，逐步形成科學(xué)思維，特別是在出現(xiàn)兩個貌似不變量時，教師不要急于提供結(jié)論，而是繼續(xù)的引導(dǎo)學(xué)生開展實驗檢驗這一科學(xué)方法，來檢驗自己的觀點是否正確。課堂上傳授的知識學(xué)生終將遺忘殆盡，但解決問題的科學(xué)思維、科學(xué)方法將在學(xué)生心里留下深深的烙印，這些知識內(nèi)后的更有價值的東西有助于學(xué)生今后的學(xué)習(xí)與生活中正確面對、決策所遇到的大量非物理問題，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。同時，在探究的過程中潛移默化的培養(yǎng)了學(xué)生對科學(xué)探究的熱情以及實事求是的科學(xué)態(tài)度。

【參考文獻】

[1]苗元秀.人教版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書選修 3-5編寫思想[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2007，36（9）：2-5.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理選修3-5[M].北京：人民教育出版社，2010：2-5.

（作者單位：江蘇省丹陽市第六中學(xué)）