人教版《物理》選擇性必修第一冊“第一章 動量守恒定律”編寫說明

孫新

摘?要：針對第一章“動量守恒定律”的編寫意圖進行梳理、說明.全章概述中明確指出章結構的設計特點.展現教科書編寫的邏輯線索，明確教科書對“守恒思想”的滲透.深入挖掘教科書中關于學科核心素養(yǎng)目標的落實，以整章內容為載體，說明科學探究素養(yǎng)培養(yǎng)的設計思路.在具體說明中，圍繞本章的6節(jié)課內容逐節(jié)細致說明動量、動量守恒定律及其應用的設計意圖和教學建議.

關鍵詞：碰撞;動量;動量守恒定律;學科核心素養(yǎng);反沖

文章編號：1008-4134（2020）11-0007中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

1?全章概述

高中物理必修課程中力學、電學的內容，為學生初步形成物質觀、運動與相互作用觀和能量觀的認識奠定了重要的基礎，應該說，教科書在為學生形成“運動與相互作用觀”方面已有相對完整的設計.本章動量和動量守恒定律的設計，同樣也會為學生進一步形成運動與相互作用觀念提供幫助.動量和動量守恒定律的普適性知識在高中物理教學中占有重要地位.

從章結構設計方面考慮，本章結構設計與以往教科書相比有所調整，在強調知識傳授的同時，其核心是要強調物理學中的“守恒思想”.教科書編寫的邏輯線索如下.

本章知識內容共6節(jié)，大致可以劃分為三個單元.

第一單元包括第1、2節(jié)，即“動量”“動量定理”，這部分內容側重動量概念的引入，引導學生理解沖量、動量和動量定理，能用其解釋生產生活中的有關現象;第二單元包括第3、4節(jié)，即“動量守恒定律”“實驗：驗證動量守恒定律”，這部分內容側重動量守恒定律的建立過程，并要求學生能用其解釋生產生活中的有關現象;第三單元包括第5、6節(jié)，即“彈性碰撞和非彈性碰撞”“反沖運動?火箭”，這部分內容是從動量守恒定律的應用角度展開的.

1.1?物理觀念

本章動量及其守恒定律都是圍繞形成運動與相互作用觀念的線索來設計的.該內容也是學生形成運動與相互作用觀念的基礎.教科書幫助學生形成這一物理觀念的作法主要體現在章結構的設計上，從上述教科書編寫的邏輯線索所反映的章結構特點，可以使學生有效地運用“動量”的概念認識“相互作用”.

1.2?科學思維

在中學物理教學中，如何引入動量的概念是需要研究的一個問題.本章在處理這個問題上，關注的不僅僅是它的定義，而是更關注引導學生在“尋求碰撞中的不變量”標題下的實驗設計，深化動量概念的形成過程.同時教科書以動量概念的建立過程為例，通過“科學方法”欄目，給出了“抽象與概括”的科學方法問題.

任何科學概念的形成、規(guī)律的建立都不會是簡單拼湊得出的，它需要嚴格的科學歸納、推理和論證等過程.

1.3?科學探究

科學探究素養(yǎng)的培養(yǎng)要做到不失時機.本章教科書雖然沒有冠以“探究”字樣的探究性實驗呈現，但是科學探究思想的滲透是貫穿整章設計的.從圖1框圖展示的設計思路，可以反映教科書是如何引導學生經歷科學探究過程，完成動量守恒定律的學習的.

1.4?科學態(tài)度與責任

本章教科書的設計，力求學生能運用動量守恒定律解釋生產生活中的有關現象，加深對科學本質的認識，增強社會責任感.例如，“STSE”欄目中的“汽車碰撞試驗”“科學漫步”欄目中的“歷史上關于運動量度的爭論”以及第5、6節(jié)內容的設計，集中反映科學態(tài)度與責任的核心素養(yǎng)培養(yǎng).

2?具體說明

2.1?第1節(jié)?動量

本節(jié)的設計從觀察“問題”欄目的實驗現象（兩個相同鋼球的碰撞）入手，隨后圍繞該問題展開討論，在此基礎上設計了條件與上述實驗相對應的演示實驗，即“質量不同小球的碰撞”問題，引導學生進一步尋求碰撞中的“不變量”.這樣處理的目的，一方面為動量概念的引入提供實驗基礎;另一方面，引導學生親身經歷和體驗科學探究過程.應該看到，學生在觀察實驗現象的過程中，發(fā)現問題并引發(fā)猜想，感悟自然界的和諧與統一.

本章教科書針對動量概念形成的歷史過程沒有展開說明，而是以旁批“物理學家始終在尋求自然界萬物運動的規(guī)律，其中包括在多變的世界里找出某些不變量”的形式給出.還有，關于守恒的思想方法對學生來說并不陌生，他們在高中物理必修課程中已經學習了“機械能守恒定律”“電荷守恒定律”“能量守恒定律”等，對教科書設計的“尋求碰撞中的不變量”的要求會有較深入的認識，在此基礎上動量概念的引入也就變得自然、合理.

不過應該清楚，教科書中設計的尋求碰撞中的“不變量”并不是“守恒量”，但是“不變量”的結果會給我們一個強烈的提示：兩個物體在碰撞過程中很可能存在“守恒量”，這個猜測是具有實驗基礎的.教學中應該引導學生認識到，規(guī)律的建立，不可能簡單得出，只有當從結論推導出的很多新結果都與事實一致時，它才能成為規(guī)律.盡管這樣的過程學生不能獨立完成，但是，他們在尋求“不變量”的探究過程中親身體驗，發(fā)現問題、猜想和挖掘證據等方面具有十分重要的教育價值.

另外，需要引導學生注意，動量是矢量，學生對此必須有清楚的理解，這里再次涉及對矢量運算的認識問題.

2.2?第2節(jié)?動量定理

教科書通過物體在恒力作用下做勻變速直線運動的情況下，推導出動量定理.這是從特殊推廣到一般的科學方法的運用.動量定理不僅適用于恒力，而且適用于變力，正因為適用于變力，它們才有廣泛的應用.不過，因其理論推導較難，在中學階段不宜要求過高，教科書用積分的思想（在物理必修課程中曾有所滲透）進行了定性的說明.

我們從教科書推導動量定理的過程可以看出，物體動量的變化率等于它所受的力.這表明動量定理的物理實質與牛頓第二定律是相同的.應該引導學生嘗試用動量概念表示牛頓第二定律，這有助于學生對動量概念以及描述運動與相互作用關系問題的深入理解.

2.3?第3節(jié)?動量守恒定律

本章教科書通過動量定理和牛頓第三定律，并運用科學演繹方法推導出動量守恒定律.教科書引導學生在理解動量和動量定理的基礎上，引入系統、內力、外力的概念.為使學生深入理解動量守恒定律，理解運動與相互作用的關系，教科書將動量守恒定律與牛頓運動定律密切結合，通過實例揭示牛頓運動定律從“力”的角度反映物體間的相互作用，動量守恒定律從“動量”的角度描述物體間的相互作用的本質.

動量守恒定律不僅適用于碰撞，也適用于任何形式的相互作用.動量守恒定律的普適性，為學生深層次認識自然界的和諧與統一提供了很好的例證.同時，它也為解決力學問題開辟了新的途徑.教科書通過例題，展示了動量守恒定律解決碰撞問題的優(yōu)勢所在.

2.4?第4節(jié)?實驗：驗證動量守恒定律

本節(jié)教科書圍繞“實驗思路”“物理量的測量”“數據分析”的設計，引導學生選取實驗方案進行實驗操作.本節(jié)給出了兩個參考案例，“研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒”和“研究斜槽末端小球碰撞時的動量守恒”驗證動量守恒定律.在本節(jié)實驗中，應該引導學生認識到，驗證性實驗是一種重要的實驗形式，也是科學探究的一種有效方式，教科書在努力展現驗證性實驗中科學探究精神的滲透，例如參考案例中要求設計獲取多種相關證據的方法等.應該把本節(jié)驗證性實驗放到整章科學探究素養(yǎng)培養(yǎng)之中去考慮.

2.5?第5節(jié)?彈性碰撞和非彈性碰撞

本節(jié)設計不是為了讓學生提高對碰撞知識的理解，而是把它作為載體，深入細致地貫徹學科核心素養(yǎng)中的科學思維和科學探究的要素，在真實、典型的情境中應用動量守恒定律.

教師應關注學生是否能夠靈活地運用動量守恒定律和機械能守恒定律，去解決典型的碰撞問題.實際上，用本節(jié)習題課來處理習題的結論無需記憶，不應讓學生以這些結論為前提去解新的題目.

教科書在得到碰撞后兩個小球速度的關系式后討論，當m1=m2、m1≥m2、m1≤m2三種特例情形下兩個小球碰撞后速度的關系.目的是向師生傳遞一個信息：通過公式可以看出，不同物理量之間的依存關系，以及某些物理量的變化趨勢，從中可以得出很多定性的結論.這種能力對于學生學好物理課程是非常重要的.

本節(jié)課為學生營造出經歷科學探究過程的真實情境.學生通過生活經驗已經對于這幾類碰撞的結果有了自己的預期，應用物理知識和數學知識進行分析后，看結論是否與生活經驗一致，這是在探究問題過程中獲取“證據”并對問題給予合理的“解釋”.

2.6?第6節(jié)?反沖運動?火箭

本節(jié)的設計從如何解釋“問題”欄目中章魚的游動入手，隨后圍繞發(fā)射炮彈的炮身后退現象引出反沖運動.教科書引導學生應用動量守恒定律解釋反沖運動.與此同時，教科書通過生產生活中的實例介紹反沖運動，并通過演示實驗加深對反沖運動的理解，最后介紹了火箭的飛行原理.

其中教科書“思考與討論”欄目的設計，目的是引導學生能根據動量守恒定律，完成書上的推導，從理論上明確：火箭獲得的最終速度主要取決于兩個條件，一個是噴氣速度，一個是質量比，即火箭起飛時的質量與燃料燒盡時的質量之比.噴氣速度越大，質量比越大，火箭的最終速度也越大（忽略重力的影響）.最后，教科書以“科學漫步”欄目的形式介紹了“三級火箭”的內容，要求對火箭知識拓展的同時，進一步介紹我國在航空、航天事業(yè)中的進步，激發(fā)學生的愛國熱情.

（收稿日期：2020-04-20）