基于學(xué)科核心素養(yǎng)的“動(dòng)量守恒定律”教學(xué)設(shè)計(jì)

邱小彬

鄭州市實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué)，鄭州 450045

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面，這四個(gè)方面是彼此聯(lián)系、共同發(fā)展的。學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是該學(xué)科在落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)中所作出的獨(dú)特貢獻(xiàn)，是個(gè)體在信息化、全球化、學(xué)習(xí)型社會(huì)，面對(duì)復(fù)雜的不確定情境時(shí)，綜合運(yùn)用本學(xué)科所學(xué)的知識(shí)、觀念、方法解決實(shí)際問(wèn)題所表現(xiàn)出來(lái)的價(jià)值觀念、必備品格與關(guān)鍵能力［1-2］。課堂是教學(xué)的主陣地，也是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要場(chǎng)所。因此，教師應(yīng)基于學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，開(kāi)展課堂教學(xué)。本文以“動(dòng)量守恒定律”為例，討論基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。

1 教材分析

動(dòng)量守恒定律是自然界中最重要、最普遍的守恒定律之一。本節(jié)課是普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理》選修3-5第16章“動(dòng)量守恒定律”的第3節(jié)，編排在“實(shí)驗(yàn)：探究碰撞中的不變量”和“動(dòng)量和動(dòng)量定理”之后，“碰撞”和“反沖運(yùn)動(dòng)火箭”之前，具有承上啟下的作用。同時(shí)，本節(jié)課也是這一章的核心內(nèi)容，對(duì)于學(xué)生理解本章知識(shí)、理解運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念意義重大。本節(jié)課是一節(jié)概念規(guī)律課，學(xué)生在理解動(dòng)量守恒定律的內(nèi)涵后，會(huì)對(duì)物體間相互作用的規(guī)律認(rèn)識(shí)得更加深刻和完整，對(duì)于后續(xù)學(xué)習(xí)“碰撞”“反沖運(yùn)動(dòng) 火箭”等動(dòng)量守恒的應(yīng)用模型大有裨益。

2 學(xué)情分析

學(xué)生通過(guò)本章第1節(jié)“實(shí)驗(yàn)：探究碰撞中的不變量”與第2節(jié)“動(dòng)量和動(dòng)量定理”的學(xué)習(xí)，已經(jīng)初步建立相關(guān)概念，并意識(shí)到碰撞前后總動(dòng)量很有可能是相等的，但又不能完全確定。而這節(jié)課則需要學(xué)生明確動(dòng)量守恒的條件，理解動(dòng)量守恒定律的內(nèi)涵，思維跨度比較大，這是教學(xué)難點(diǎn)所在。因而，本節(jié)課的設(shè)計(jì)思路是，引導(dǎo)學(xué)生在規(guī)律的認(rèn)知過(guò)程之中，逐步深化對(duì)動(dòng)量守恒的理解。通過(guò)鋪設(shè)3個(gè)臺(tái)階（臺(tái)階1：碰撞前后這兩個(gè)時(shí)刻，物體的總動(dòng)量的確相等；臺(tái)階2：在碰撞過(guò)程中，物體的總動(dòng)量是守恒的；臺(tái)階3：系統(tǒng)動(dòng)量守恒是需要一定條件的），放緩學(xué)生對(duì)規(guī)律的認(rèn)知進(jìn)程，減小思維跨度，以突破重難點(diǎn)?？紤]到物理規(guī)律的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性，筆者在探究動(dòng)量守恒規(guī)律以及尋找守恒條件的過(guò)程中，還從實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)兩個(gè)維度進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以期進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科思維，提高其科學(xué)探究的能力。

3 教學(xué)目標(biāo)

3.1 物理觀念

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，引導(dǎo)學(xué)生明確相等和守恒的區(qū)別，理解動(dòng)量守恒的內(nèi)涵，形成守恒的物理觀念。

（2）通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生用動(dòng)量和動(dòng)量守恒的語(yǔ)言解釋生活中碰撞的現(xiàn)象，深化其運(yùn)動(dòng)與相互作用的物理觀念。

3.2 科學(xué)思維

（1）通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生利用提供的實(shí)驗(yàn)器材，自主設(shè)計(jì)分組碰撞實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)的能力。

（2）通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，觀察碰撞中的動(dòng)量-時(shí)間圖像，得出動(dòng)量守恒結(jié)論，提升學(xué)生在科學(xué)探究中的分析綜合、推理論證能力。

（3）通過(guò)導(dǎo)軌傾斜系統(tǒng)所受合外力不為0時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)量是否守恒的提問(wèn)和檢驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生養(yǎng)成質(zhì)疑、批判以及對(duì)結(jié)論進(jìn)行檢驗(yàn)的習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力和品格。

3.3 科學(xué)探究

（1）引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題，提出猜想和假設(shè)。

（2）指導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過(guò)程：制訂實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、收集并分析處理數(shù)據(jù)、得到探究結(jié)果、分享交流探究過(guò)程和探究結(jié)果。

3.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

（1）通過(guò)小組討論與合作，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)意識(shí)與合作精神。

（2）通過(guò)回顧動(dòng)量及其守恒定律建立的歷史過(guò)程，體會(huì)物理概念和規(guī)律建立過(guò)程中的曲折與艱辛，激發(fā)學(xué)生探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，引導(dǎo)學(xué)生逐漸養(yǎng)成持之以恒的科學(xué)態(tài)度。

（3）通過(guò)觀看動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用短片，深化運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念，體會(huì)物質(zhì)世界的多樣性與統(tǒng)一性，感受動(dòng)量守恒定律的簡(jiǎn)潔性與普適性。

4 教學(xué)重難點(diǎn)

動(dòng)量守恒定律的得出過(guò)程和對(duì)其內(nèi)涵的理解。

5 教學(xué)資源

輪滑鞋、體重秤、有色膠帶、氣墊導(dǎo)軌及配套小車、光電門及DIS數(shù)字化傳感器設(shè)備、電子秤、智能手機(jī)、Tracker視頻追蹤軟件、彈性繩、橡皮筋、剪刀、墊塊、電磁鐵、PPT多媒體設(shè)備、課堂探究記錄單。

6 教學(xué)過(guò)程

6.1 課堂導(dǎo)入，引入新課

教師安排一較重的男同學(xué)和一較輕的女同學(xué)穿上相同的輪滑鞋，站在標(biāo)有刻度線的地面上（沿刻度線方向站立）。女生向前用力推開(kāi)男生，觀察推開(kāi)后兩位同學(xué)在刻度線上運(yùn)動(dòng)的距離。

師：我們發(fā)現(xiàn)女生的位移比男生大，這說(shuō)明推開(kāi)后女生獲得的速度大。

為什么質(zhì)量大的男生向前運(yùn)動(dòng)，獲得的速度小，質(zhì)量小的女生向后運(yùn)動(dòng)，獲得的速度大呢？這里面蘊(yùn)藏著怎樣的物理原理呢？今天就讓我們來(lái)一探究竟。

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)觀察體重不同的男、女生相互推開(kāi)后運(yùn)動(dòng)的距離大小，創(chuàng)設(shè)情境，引入新課。

6.2 課堂探究：碰撞中的不變量

（1）知識(shí)回顧，喚醒舊知

師：前兩節(jié)課，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了兩個(gè)物體的碰撞過(guò)程，我們意識(shí)到在碰撞前后這兩個(gè)時(shí)刻，兩物體的總動(dòng)量很有可能是相等的。這多少帶有一些猜想的性質(zhì)。

下面我們先通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)上節(jié)課中這個(gè)猜想的正確性進(jìn)行檢驗(yàn)。請(qǐng)大家利用桌面上提供的器材自主確定實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

（2）分組實(shí)驗(yàn)，展示交流

學(xué)生分小組借助桌面上提供的實(shí)驗(yàn)器材自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)完畢進(jìn)行小組展示交流。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案1：在水平氣墊導(dǎo)軌上用一個(gè)運(yùn)動(dòng)的小車碰撞另一個(gè)靜止的小車。小組4人分工合作，2人操作實(shí)驗(yàn)，1人操作電腦，1人進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案2：水平的氣墊導(dǎo)軌上放置兩輛靜止的小車。小車上的彈射器在橡皮筋的作用下處于壓縮狀態(tài)，剪斷橡皮筋，兩小車同時(shí)反方向彈開(kāi)。小組4人分工合作，2人操作實(shí)驗(yàn)，1人操作電腦，1人進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

兩個(gè)小組分別選取代表介紹各自的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)論（圖 1、圖 2）。

圖1 第1組學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄處理表

圖2 第2組學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄處理表

教師總結(jié)發(fā)言。

師：以上的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)情境不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)論卻相同。至此，我們完全可以確定，碰撞前后這兩個(gè)時(shí)刻，兩物體的總動(dòng)量確實(shí)是相等的。

板書(shū)：碰撞中總動(dòng)量前后相等。

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)讓學(xué)生利用提供的實(shí)驗(yàn)器材，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)合數(shù)據(jù)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，進(jìn)一步消除第1節(jié)“實(shí)驗(yàn)：探究碰撞中的不變量”中碰撞前后總動(dòng)量是否相等的疑惑，為本節(jié)課后續(xù)動(dòng)量不但相等而且守恒創(chuàng)設(shè)思維上的接口。

6.3 課堂探究：碰撞過(guò)程中的守恒量

師：然而，我們知道碰撞是一個(gè)相互作用的過(guò)程，那在作用過(guò)程中的任意時(shí)刻，兩物體總動(dòng)量是否都等于作用前的總動(dòng)量呢？為此，我們就需要研究碰撞的具體過(guò)程，想辦法測(cè)量碰撞中任意時(shí)刻兩個(gè)物體的動(dòng)量值。

（1）實(shí)驗(yàn)探究：碰撞中的守恒量

教師介紹實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)原理。

如圖3所示，這是兩個(gè)中間固定有彈性繩的小車。將小車放置在氣墊導(dǎo)軌上，拉伸彈性繩到適當(dāng)遠(yuǎn)的距離后靜止釋放，小車就在彈力的作用下相向運(yùn)動(dòng)。我們就用這個(gè)較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)模擬碰撞的短暫作用。這就解決了碰撞過(guò)程很短暫，難以捕捉和測(cè)量的難題。為了控制小車同時(shí)釋放，我們?cè)趯?dǎo)軌兩端加裝了兩個(gè)電磁鐵，利用設(shè)計(jì)好的電路實(shí)現(xiàn)電磁鐵的同時(shí)通斷電。

圖3 彈性繩-小車裝置模擬碰撞過(guò)程示意圖

接下來(lái)，我們利用視頻追蹤軟件Tracker進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，它能通過(guò)分析手機(jī)錄制的小車的運(yùn)動(dòng)視頻，確定各個(gè)時(shí)刻小車的動(dòng)量值，并自動(dòng)繪制小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)量-時(shí)間圖像。

實(shí)驗(yàn)操作，現(xiàn)場(chǎng)處理數(shù)據(jù)。首先追蹤A車的動(dòng)量值，接下來(lái)追蹤B車在與A車相同時(shí)刻的各個(gè)動(dòng)量值，獲得兩個(gè)小車碰撞過(guò)程中的動(dòng)量-時(shí)間圖像（圖 4）。

圖4 Tracker軟件處理后獲得的動(dòng)量-時(shí)間圖像

師：請(qǐng)大家仔細(xì)觀察，這兩個(gè)圖像有什么樣的位置關(guān)系？能夠說(shuō)明什么問(wèn)題呢？

生：兩個(gè)圖像關(guān)于橫軸上下對(duì)稱，可以說(shuō)明在過(guò)程中的任意時(shí)刻兩物體總動(dòng)量都是0。

師：為了更加精確地確定各個(gè)時(shí)刻小車的動(dòng)量和，我們可以把小車的動(dòng)量值粘貼到Excel表格中，借助公式快速求和（圖5）。處理后發(fā)現(xiàn)各個(gè)時(shí)刻小車總動(dòng)量的數(shù)量級(jí)都為10-3，考慮到誤差的影響，可以確定在各個(gè)時(shí)刻兩小車的總動(dòng)量都為0，與釋放小車之前總動(dòng)量相等。

圖5 用Excel表格計(jì)算的各個(gè)時(shí)刻小車的動(dòng)量和（最右側(cè)一列）

教師及時(shí)進(jìn)行總結(jié)和思路引導(dǎo)。

師：借助這個(gè)軟件，我們又有了新的發(fā)現(xiàn)。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于碰撞現(xiàn)象，不但碰撞后這兩個(gè)時(shí)刻，兩物體的總動(dòng)量與碰撞前相等，而且在碰撞過(guò)程中的任意時(shí)刻，兩物體的總動(dòng)量都與碰撞前相等。也就是說(shuō)，在整個(gè)作用過(guò)程中，兩物體的總動(dòng)量是保持不變的。因此，我們可以說(shuō)，在碰撞過(guò)程中兩物體的總動(dòng)量是守恒的。

板書(shū)：碰撞過(guò)程中總動(dòng)量守恒。

【設(shè)計(jì)意圖】借助教師自主設(shè)計(jì)的創(chuàng)新教具以及Tracker追蹤軟件，讓學(xué)生經(jīng)歷碰撞過(guò)程中的動(dòng)量守恒探究過(guò)程，讓學(xué)生親身體會(huì)到“守恒”二字的內(nèi)涵，有助于其物理觀念的養(yǎng)成。

（2）理論推導(dǎo)：碰撞中的動(dòng)量守恒

師：前面我們通過(guò)橡皮筋實(shí)驗(yàn)以及運(yùn)動(dòng)小車碰撞靜止小車的實(shí)驗(yàn)得出了動(dòng)量守恒的結(jié)論。那如果是運(yùn)動(dòng)的物體碰撞另一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體呢？結(jié)論還是這樣嗎？我們把這個(gè)過(guò)程抽象為下面的一個(gè)模型。

如圖6所示，在光滑的水平桌面上做勻速運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)小球，質(zhì)量分別為m1和m2，沿著同一直線向相同的方向運(yùn)動(dòng)，速度分別為v1和v2，v1＞v2。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)小球追上第二個(gè)小球時(shí)兩球碰撞。碰撞后，兩小球速度分別為v'1和v'2。請(qǐng)利用動(dòng)量定理推導(dǎo)碰撞前后系統(tǒng)總動(dòng)量的數(shù)量關(guān)系。

圖6 兩小球碰撞示意圖

教師介紹碰撞情境，給出系統(tǒng)、內(nèi)力、外力的概念。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)這個(gè)物理情境，利用上節(jié)課所學(xué)習(xí)的動(dòng)量定理推導(dǎo)碰撞前后系統(tǒng)總動(dòng)量的數(shù)量關(guān)系。

教師展示一個(gè)學(xué)生的推導(dǎo)過(guò)程（圖7）。

圖7 學(xué)生推導(dǎo)過(guò)程展示圖

師：你寫(xiě)的第一個(gè)表達(dá)式的含義和研究過(guò)程分別是什么？

學(xué)生介紹研究過(guò)程及含義。

師：在撞擊的過(guò)程中相互作用力是恒力嗎？合力的沖量可以用F△t來(lái)表示嗎？

教師引導(dǎo)學(xué)生利用微元法進(jìn)行處理。即從整個(gè)作用過(guò)程中截取一段非常短的時(shí)間，由于時(shí)間很短，兩物體間的作用力可以看成是恒力。于是，分別對(duì)m1和m2列出動(dòng)量定理的方程。

根據(jù)牛頓第三定律，這兩個(gè)力F與F'總是等大反向的，教師板書(shū)：F=-F'。

所以，它們的合沖量為零，系統(tǒng)總的動(dòng)量變化量也為0。我們知道，整個(gè)作用的過(guò)程是由許許多多個(gè)這樣很短過(guò)程的疊加。

教師板書(shū)：將Σ求和號(hào)寫(xiě)在上述兩個(gè)公式之中。

由于在每個(gè)很短的過(guò)程中動(dòng)量變化量都為0，所以整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)動(dòng)量的變化量也為0。我們就可以得到這樣一個(gè)表達(dá)式：

這個(gè)表達(dá)式就說(shuō)明兩物體碰撞后的動(dòng)量之和等于碰撞前的動(dòng)量之和，并且該關(guān)系式對(duì)于碰撞過(guò)程中的任意時(shí)刻都成立。我們通過(guò)理論推導(dǎo)，再次得出了兩物體碰撞過(guò)程中總動(dòng)量守恒的結(jié)論。

【設(shè)計(jì)意圖】一方面，構(gòu)建碰撞的理論模型，從理論推導(dǎo)的角度再次理解碰撞中的動(dòng)量守恒規(guī)律，另一方面也為后續(xù)探究動(dòng)量守恒的條件時(shí)仍從實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)兩個(gè)方向入手的研究思路作鋪墊。

6.4 課堂探究：動(dòng)量守恒的條件

教師總結(jié)：至此，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)這兩種方式都得出了碰撞過(guò)程中動(dòng)量守恒的結(jié)論。那么，是不是在任何相互作用的過(guò)程中，兩物體總動(dòng)量都守恒呢？

（1）提出猜想

教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生配合一起做實(shí)驗(yàn)。打開(kāi)氣墊導(dǎo)軌，放置好小車，這次讓一個(gè)學(xué)生始終用手擋住一輛小車，剪斷橡皮筋，操作實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察現(xiàn)象。

師：這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)量是否守恒呢？

生：動(dòng)量不守恒，因?yàn)榧魯嗲跋到y(tǒng)動(dòng)量為0，剪斷后系統(tǒng)動(dòng)量不為0。

師：那這是為什么呢？動(dòng)量守恒與否可能與什么因素有關(guān)呢？我們先來(lái)采訪一下剛才手扶小車的這位同學(xué)，看看有沒(méi)有一些線索。

師：你全程參與了剛才的實(shí)驗(yàn)，你覺(jué)得總動(dòng)量不守恒的原因可能是什么？

【設(shè)計(jì)意圖】此處的設(shè)計(jì)是為了借助學(xué)生的感官感受，提出力與動(dòng)量守恒可能有關(guān)的設(shè)想。讓學(xué)生結(jié)合自身感受提出猜想，比直接告訴他們更有助于學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)。

生：我感覺(jué)可能跟受力有關(guān)系，因?yàn)閯偛偶魯嘞鹌そ钸^(guò)程中，我感覺(jué)到小車對(duì)手有力的作用，所以我猜也許是跟手對(duì)小車施加了力有關(guān)系。

（2）制訂檢驗(yàn)方案

那是不是由于手對(duì)小車有力的作用導(dǎo)致了系統(tǒng)的動(dòng)量不守恒呢？怎樣去檢驗(yàn)這個(gè)猜想呢？我們知道，理論研究和實(shí)驗(yàn)探索都是物理學(xué)研究問(wèn)題常用的手段，也許我們還可以從這兩個(gè)角度進(jìn)行思考。

請(qǐng)大家小組討論，給出自己的檢驗(yàn)方案。

小組代表發(fā)言1：對(duì)參與碰撞的兩物體進(jìn)行理論分析，如果手對(duì)小車有力的作用，那么利用動(dòng)量定理列式時(shí)，該公式（對(duì) m1，F(xiàn)△t=m1v1'-m1v1）的左邊就會(huì)多了一個(gè)手的作用力的沖量，經(jīng)過(guò)處理之后就沒(méi)法得到動(dòng)量守恒的表達(dá)式了，因而確實(shí)應(yīng)該是由于手對(duì)小車有力的作用導(dǎo)致了系統(tǒng)的動(dòng)量不守恒。動(dòng)量是否守恒應(yīng)與系統(tǒng)所受的外力有關(guān)。

教師總結(jié)：F和F'為系統(tǒng)內(nèi)力，內(nèi)力引起的是相互作用的兩個(gè)物體的動(dòng)量發(fā)生變化，但是兩物體的總動(dòng)量保持不變。手的作用力為系統(tǒng)受到的外力，外力對(duì)系統(tǒng)的作用導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)量發(fā)生了變化，于是動(dòng)量就不再守恒了。

小組代表發(fā)言2：可以做一些對(duì)比實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)所受合外力為0的實(shí)驗(yàn)，以及系統(tǒng)所受合外力不為0的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)測(cè)量以及實(shí)驗(yàn)條件的對(duì)比分析說(shuō)明動(dòng)量是否守恒與受力有關(guān)系。

教師展示動(dòng)量守恒定律的內(nèi)容。

眾多的理論和事實(shí)都表明：當(dāng)系統(tǒng)不受外力或所受外力矢量和為0時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)量守恒。這就是動(dòng)量守恒定律的內(nèi)容。

（3）定量實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)得出的守恒條件是否正確

師：動(dòng)量守恒定律明確了判斷動(dòng)量是否守恒的依據(jù)，也即是說(shuō)當(dāng)系統(tǒng)所受外力矢量和不為0時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)量就不守恒。是這樣嗎？下面我們來(lái)做一個(gè)定量的檢驗(yàn)。

在剛才的彈性繩小車實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，把調(diào)平的氣墊導(dǎo)軌一端墊高，讓導(dǎo)軌傾斜，使得系統(tǒng)所受外力矢量和不為0，再來(lái)測(cè)量碰撞中某時(shí)刻系統(tǒng)的總動(dòng)量（圖8）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)所受合外力不為0時(shí)，釋放小車后系統(tǒng)的總動(dòng)量的數(shù)量級(jí)為10-1。與剛才導(dǎo)軌水平時(shí)相比，其數(shù)量級(jí)擴(kuò)大了100倍（圖9）。這說(shuō)明導(dǎo)軌傾斜時(shí)，系統(tǒng)合外力不為0時(shí)，系統(tǒng)總動(dòng)量確實(shí)是不守恒的。

圖8 系統(tǒng)所受外力矢量和不為0時(shí)的驗(yàn)證裝置示意圖

圖9 上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄處理表

教師總結(jié)：通過(guò)前后兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析，充分說(shuō)明了動(dòng)量守恒定律的正確性以及守恒條件的合理性。

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)維度對(duì)守恒條件進(jìn)行分析和檢驗(yàn)，符合學(xué)生本節(jié)課的認(rèn)知習(xí)慣，同時(shí)也能鼓勵(lì)學(xué)生養(yǎng)成質(zhì)疑、批判以及進(jìn)行檢驗(yàn)和修正的習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力和品格［3］。

6.5 動(dòng)量及其守恒定律建立的歷史過(guò)程

師：通過(guò)本節(jié)課的探究，我們較為順利地找到了動(dòng)量守恒的規(guī)律。但是，我要告訴大家的是，歷史上動(dòng)量以及動(dòng)量守恒規(guī)律的建立經(jīng)歷了較為曲折和艱辛的過(guò)程（圖10）。

圖10 動(dòng)量概念和動(dòng)量守恒定律建立的歷程

【設(shè)計(jì)意圖】用時(shí)間軸展現(xiàn)動(dòng)量概念和動(dòng)量守恒定律建立的歷程［4］，簡(jiǎn)要說(shuō)明動(dòng)量及其守恒定律建立的過(guò)程中笛卡爾學(xué)派和萊布尼茨學(xué)派曠日持久的爭(zhēng)論。

師：我們從中可以體會(huì)到物理概念和規(guī)律建立過(guò)程中的這種艱辛。但是，物理概念和規(guī)律一旦建立，就會(huì)極大地促進(jìn)科學(xué)的發(fā)展。當(dāng)然，也可以解釋生活中的一些現(xiàn)象。

6.6 動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用及普適性

從動(dòng)量的角度來(lái)解釋課堂導(dǎo)入中互推實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，觀看包含各種動(dòng)量守恒現(xiàn)象的短片，體會(huì)其普適性。

師：你能從動(dòng)量的角度來(lái)解釋本節(jié)課導(dǎo)入部分的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嗎？

生：在女生推開(kāi)男生的過(guò)程中，系統(tǒng)動(dòng)量守恒，因?yàn)槌鮿?dòng)量為0，所以質(zhì)量大的男生獲得的速度小，質(zhì)量小的女生獲得的速度大。

師：在女生推男生的作用過(guò)程中，因?yàn)橥屏Ρ鹊孛娴哪Σ亮Υ蟮枚啵韵到y(tǒng)的動(dòng)量可以近似看成守恒的。這也體現(xiàn)了模型建構(gòu)中抓住主要因素、忽略次要因素的學(xué)科思想。我們學(xué)習(xí)物理就是要逐漸形成這種科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式。

【設(shè)計(jì)意圖】教師的總結(jié)更加準(zhǔn)確、嚴(yán)謹(jǐn)，有助于學(xué)生體會(huì)模型建構(gòu)中抓住主要因素、忽略次要因素的學(xué)科思想，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維。

其實(shí)，動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用不止于此。下面觀看包含各種動(dòng)量守恒現(xiàn)象的短片。

教師總結(jié)：通過(guò)觀看視頻，我們發(fā)現(xiàn)大到天體的碰撞，再到身邊物體的碰撞（汽車碰撞、臺(tái)球碰撞等），再小到微觀粒子的碰撞，都與動(dòng)量守恒密切相關(guān)，這些形形色色的碰撞現(xiàn)象都可以用“動(dòng)量”以及“動(dòng)量守恒”的語(yǔ)言來(lái)描述。這也充分體現(xiàn)了物質(zhì)世界的多樣性和統(tǒng)一性，而我們的物理規(guī)律卻展現(xiàn)出了它的簡(jiǎn)潔性與普適性。

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)觀看動(dòng)量守恒現(xiàn)象的短片，認(rèn)識(shí)到物質(zhì)世界的多樣性和統(tǒng)一性，感受物理規(guī)律的簡(jiǎn)潔性與普適性。

6.7 課堂小結(jié)及作業(yè)

（1）課堂小結(jié)

今天我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)的方式，挖掘出了隱藏在碰撞現(xiàn)象背后的物理規(guī)律——?jiǎng)恿渴睾愣?。這標(biāo)志著我們對(duì)物體間相互作用的研究又多了一條新的路徑。后續(xù)幾節(jié)課我們將繼續(xù)研究與動(dòng)量守恒相關(guān)的現(xiàn)象和模型，并嘗試用這套動(dòng)量和動(dòng)量守恒的新的語(yǔ)言去描述其中的規(guī)律。

在剛才的短片中，你一定注意到了這樣一個(gè)器材（牛頓擺），每次抬起一定數(shù)量的小球，撞擊剩余的小球，總有等數(shù)量的小球彈起。這又是為什么呢？下一節(jié)課我們接著探究。

【設(shè)計(jì)意圖】既總結(jié)本節(jié)課知識(shí)，又引出下節(jié)課“碰撞”的內(nèi)容，承上啟下，為下節(jié)課的學(xué)習(xí)提前留下思維接口。

（2）作業(yè)

①預(yù)習(xí)“碰撞”，嘗試?yán)斫馀鲎仓械乃俣冉粨Q問(wèn)題。

②搜集資料，自主制作“水火箭”。

7 板書(shū)設(shè)計(jì)

如圖11所示。

圖11 動(dòng)量守恒定律板書(shū)設(shè)計(jì)圖

8 教學(xué)反思

本節(jié)課突出了對(duì)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)，說(shuō)明相互作用的兩個(gè)物體不僅作用前后系統(tǒng)總動(dòng)量相等，并且在相互作用過(guò)程中，系統(tǒng)的總動(dòng)量也是時(shí)刻保持相等的，從而深化了學(xué)生對(duì)動(dòng)量守恒定律內(nèi)涵的理解。本節(jié)課還適時(shí)適當(dāng)?shù)貙?duì)動(dòng)量守恒定律的條件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，又從理論上對(duì)動(dòng)量守恒定律及其守恒條件進(jìn)行了推導(dǎo)，突出了物理學(xué)科思維的嚴(yán)密性。

本節(jié)課在課堂教學(xué)中突出了實(shí)驗(yàn)儀器的創(chuàng)新，恰當(dāng)利用視頻追蹤Tracker信息技術(shù)軟件助力課堂教學(xué)，收到了不錯(cuò)的效果。

總之，本節(jié)課通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的形成，教學(xué)氣氛融洽，教學(xué)效果較好。