神奇的碰撞

◆杭州市臨平職業(yè)高級中學(xué) 倪志強(qiáng)

碰撞是自然界中的普遍現(xiàn)象，臺球桌上出色的一擊、冰壺場上絕妙的“雙飛”等碰撞現(xiàn)象都令人叫絕。觀察與思考碰撞現(xiàn)象有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、創(chuàng)新能力，提升學(xué)科核心素養(yǎng)方面起著重要的作用。我利用常見的硬幣設(shè)計簡單的實驗，帶領(lǐng)學(xué)生探究一維的彈性碰撞規(guī)律，使學(xué)生從硬幣的碰撞現(xiàn)象中理解物理規(guī)律。

實驗一

實驗?zāi)康模和ㄟ^創(chuàng)設(shè)情境，在實踐中體驗彈性正碰的神奇現(xiàn)象，在思考中了解碰撞遵守的基本物理規(guī)律，用課堂學(xué)到的知識解釋實驗現(xiàn)象。

圖1 學(xué)生積極參與實驗

實驗過程：將兩枚相同幣值的硬幣相鄰并排，靜置在實驗臺面上，用一枚等值硬幣迅速沖擊第一枚硬幣，使它快速與第二枚硬幣發(fā)生碰撞。

實驗現(xiàn)象：第一枚硬幣停止，第二枚硬幣沿第一枚硬幣的運動方向前行（交換速度）。

實驗總結(jié)：剛開始操作時，學(xué)生忽略了“兩枚硬幣應(yīng)‘正面’撞擊”這個實驗條件，所以在實驗過程中出現(xiàn)了不同的實驗現(xiàn)象。

實驗二

實驗?zāi)康模和ㄟ^與實驗一的情境對比，總結(jié)規(guī)律。明確研究對象，體驗基于事實構(gòu)建物理模型的抽象概括過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

實驗過程：將多枚幣值相等的硬幣放在實驗臺面上，排成一行（硬幣之間不留空隙）。用一枚等值硬幣迅速沖擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發(fā)生碰撞。

實驗現(xiàn)象：第一枚硬幣撞擊相鄰硬幣的同時，行末的硬幣迅速地“飛”出去。

實驗總結(jié)：通過幾次練習(xí)，學(xué)生很容易掌握操作要領(lǐng)。本實驗與牛頓碰撞球?qū)嶒烆愃疲瑢嶒灛F(xiàn)象明顯。部分學(xué)生認(rèn)為該實驗現(xiàn)象屬于偶然現(xiàn)象，于是減少硬幣的數(shù)量繼續(xù)開展類似的實驗。實驗結(jié)果表明，這并非偶然現(xiàn)象。

圖2 將幾枚相同幣值的硬幣排成一行

實驗三

實驗?zāi)康模哼M(jìn)一步引入其他力的作用，雖有外力作用但遠(yuǎn)小于內(nèi)力，且碰撞時間極短，外力在碰撞中屬于次要因素。體會理想化模型是為了便于研究問題而忽略次要因素建立的一種高度抽象的理想客體。

實驗過程：將多枚幣值相等的硬幣放在實驗臺面上，排成一行（硬幣之間不留空隙）。用手按壓住其中一枚硬幣，用一枚等值硬幣迅速沖擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發(fā)生碰撞。讓學(xué)生猜測會出現(xiàn)怎樣的實驗現(xiàn)象，再與實驗過程中觀察到的實驗現(xiàn)象進(jìn)行對比。

實驗現(xiàn)象：幾乎在第一枚硬幣撞擊相鄰的硬幣的同時，行末的硬幣迅速“飛”出去。

實驗總結(jié)：絕大部分學(xué)生猜測，按壓著的硬幣及其后方的硬幣會靜止。然而實驗現(xiàn)象與實驗一的現(xiàn)象一致，與是否按壓硬幣無關(guān)。這讓學(xué)生感到很意外。

實驗收獲：通過一系列實驗使學(xué)生形成物理觀念——物理規(guī)律應(yīng)確認(rèn)其適用條件，并在不斷修正下使其更具普遍性。

圖3 按住其中一枚硬幣

實驗四

圖4 學(xué)生參與實驗

實驗過程：

操作一：將幾枚幣值相等的硬幣排成一行，在其中間放入一枚不同幣值的硬幣，用一枚硬幣（幣值與排成行的硬幣相同）迅速沖擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發(fā)生碰撞。

操作二：將幾枚幣值相等的硬幣排成一行，在其中間放入一塊橡皮，用一枚硬幣（幣值與排成行的硬幣相同）迅速沖擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發(fā)生碰撞。

操作三：用手指按住橡皮，用一枚硬幣（幣值與排成行的硬幣相同）迅速沖擊第一枚硬幣，使它快速與相鄰的硬幣發(fā)生碰撞。

實驗現(xiàn)象：操作一完成后，后放入的硬幣及其兩側(cè)相鄰的硬幣散開。操作二完成后，后放入的橡皮及其兩側(cè)相鄰的硬幣散開。操作三完成后，橡皮的位置未發(fā)生變化，左側(cè)相鄰的硬幣散開，右側(cè)相鄰硬幣的位置幾乎沒有變化。

實驗總結(jié)：經(jīng)過前面的探究實驗，學(xué)生開始猜測實驗現(xiàn)象，不再輕信、崇拜“權(quán)威”。當(dāng)實驗現(xiàn)象的猜測意見難以統(tǒng)一時，便通過實驗進(jìn)行論證。

表1 學(xué)生對實驗現(xiàn)象的猜測與觀察到的實際現(xiàn)象記錄表

通過以上實驗，可對能量如何傳播、怎樣有效傳播的規(guī)律進(jìn)行歸納：兩枚硬幣在碰撞瞬間發(fā)生彈性形變產(chǎn)生彈力，當(dāng)它們的相對速度為零時，形變達(dá)到最大值，彈性勢能最大。在彈力的作用下，前（后）方的硬幣做加（減）速運動，動能銳增（減），前方的硬幣加速向前。后方硬幣的動能轉(zhuǎn)化為前方硬幣的動能。當(dāng)硬幣恢復(fù)原狀即彈力為零時，前方的硬幣動能達(dá)到最大值。若是規(guī)格（質(zhì)量）一樣的硬幣，由牛頓運動定律及對稱性原則可知，當(dāng)彈力為零時，后方硬幣速度恰好為零，反之亦然。

學(xué)生通過神奇的碰撞實驗，拓寬了知識面，加深了對課堂所學(xué)知識的理解，增強(qiáng)了理論與實踐結(jié)合的意識，提升了解決實際問題的能力，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和實際操作能力。