沖量和動量關系的探究

摘 要：通過DIS實驗，探究沖量的測量及緩沖原理.首先，通過DIS實驗研究動量的變化量；接著，探究沖量的數(shù)值；最后，分析沖量與動量變化量的關系.這樣可以培養(yǎng)學生的探究能力、動手能力和論證科學探究方案合理性的能力，激發(fā)學生敢于探究、勇于創(chuàng)新的思想，重視科學探究.同時，創(chuàng)設學習情景，激發(fā)學生的探究欲望，引導他們積極參與和體驗探究過程，有計劃、有步驟地培養(yǎng)學生的科學學習方法、科學探究能力和科學態(tài)度.

關鍵詞：情景化教學；自主探究；沖量；動量；核心素養(yǎng)；新課教學

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0333（2023）30-0110-03

收稿日期：2023-07-25

作者簡介：

董瑞（1974-），男，黑龍江人，碩士，中學高級教師，從事中學物理教學研究；

馬耀林（1997-），男，黑龍江人，學士，中學初級教師，從事中學物理教學研究.

本探究課程內(nèi)容選自高中物理教材（人教版）選擇性必修一第一章.本章主要知識點是沖量、動量的概念及動量定理和動量守恒定律.方法上要求矢量式的運算，系統(tǒng)思想的建立.由于這一章的內(nèi)容是學生第一次接觸，而且概念抽象，歷年都是教學的難點.

為了體現(xiàn)學生在教學中的主體地位，充分調(diào)動學生學習的主動性，并且能更好地掌握這一難點，我將教材做了局部調(diào)整：第一節(jié)引入動量沖量的概念，以及引入的原由；第二節(jié)課讓學生親自參與到對沖量動量的研究中來，使這個抽象的概念變得直觀具體，并且通過探究掌握沖量的測量、動量的計算由此得出動量沖量的關系^[1].

1 教學過程

第一步：首先，讓學生明確本堂探究課的目的.接著，引導學生思考如何設計自己的探究方案，并進行科學探究^[2].

第二步：讓學生展示自己的探究方案，并與同學們一起討論方案的可行性^[3].在這個過程中，學生既能進一步理解教學目的，也能深入了解儀器的使用.特別是學生通過彼此之間的交流和討論，可以加深對本節(jié)知識的理解.在篩選和論證的過程中，大部分方案將被證明是不可行的.然而，通過優(yōu)化組合和選擇不同方案的可行部分，學生可以設計出一個大家都能接受的方案.然后，實驗教師再幫助學生制作出所需的儀器，從而完成前提工作.

2 實驗裝置的設計說明

如圖1中，件1為一剛性小球（質(zhì)量為M）是本實驗的研究對象，其裝于吊桿兒（輕質(zhì)）件2上，吊桿裝于擺架件3上，球擺可以繞擺架軸線在垂直平面內(nèi)擺動，件4為擺球高度記憶指針，記錄擺球每次釋放前的高度，件5為光電門遮光柱，安裝在擺球中心于擺架轉(zhuǎn)軸連線的中心點處，其直徑為一定值（d）與光電門件8共同測量擺球下落到豎直下方時刻的速度（間接），件7為力傳感器，件6為彈簧圈（有不同彈性參數(shù)的若干種），彈簧圈安裝在力傳感器上，與力傳感器共同測量它與擺球發(fā)生碰撞時，期間的作用力及作用力與時間的關系，整個裝置安裝在一豎直布置的基板上，如圖2.

第三步：這節(jié)課采用學生和教師同時參與的探究方式，所有的操作過程均在課堂實現(xiàn).

3 引入新課

高一力學的中心課題是研究力與運動的關系.我們學過的牛頓運動定律是從瞬時角度研究力與運動的關系，而功和能是從空間過程研究力與運動的關系.那么，如何從時間過程研究力與運動的關系？這就引出了我們定義的一個概念：沖量.動能定理是從功改變動能這個角度來研究力與運動關系的，那么，沖量是如何改變物體的運動狀態(tài)的？沖量與哪個狀態(tài)量變化相對應？恒力的沖量又是如何改變物體的運動狀態(tài)的？我們可以用公式表示為：Ft=mv₂-mv₁.接下來，我們將探討變力對物體運動狀態(tài)的影響.前面我們已經(jīng)通過公式推導了解了變力對物體運動狀態(tài)的影響，但目前計算變力沖量的手段還不夠成熟.因此，我們將采用實驗探究的方式來研究這個問題.

3.1 沖量的測量、緩沖原理

在豎直面上，從一定高度釋放擺球，撞擊安裝在力傳感器上的彈簧圈.通過形變產(chǎn)生的彈力作用一段時間，使用力傳感器記錄下擺球與彈簧圈碰撞過程中的F-t圖像.利用DIS系統(tǒng)的積分功能計算出彈簧圈受到的沖量，并明確沖量是由彈簧圈產(chǎn)生的.接著更換不同軟硬度的彈簧圈，測量力的大小.發(fā)現(xiàn)小球從相同高度下落時，彈簧圈越軟，小球受到的平均力越小，說明緩沖可以減小撞擊力.圖3展示了小球從同一高度擺下，分別與三個彈性不同的彈簧圈相碰的情況.可以看出，硬度越大，作用時間越短，力的平均值越大；而硬度越小，作用時間越長，力的平均值越小^[4].

3.2 動量變化量的測量

通過光電門測量擺架轉(zhuǎn)軸與擺球中心連線的1/2處擺桿兩次通過光電門的時間，然后使用游標卡尺測量擺臂的直徑.根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出碰撞前后的速度，乘以2得到擺球碰撞前后的速度.使用天平稱出擺球的質(zhì)量，乘以速度得到碰撞前的動量.同樣，測量碰撞后小球的動量.參考表1和圖4.

3.3 動量變化量與沖量關系的探究

根據(jù)測量結(jié)果，沖量與動量之間沒有直接關系.然而，經(jīng)過仔細研究后，發(fā)現(xiàn)在誤差范圍內(nèi)，小球所受的沖量與小球動量的變化量相等.這可以在表2和圖5中看到.

經(jīng)過多次重復實驗，我們發(fā)現(xiàn)相同的結(jié)論，這證實了動量與沖量之間存在關系.沖量等于動量的變化量.

4 教學流程圖

5 課堂總結(jié)

5.1 對于本節(jié)探究課的幾點思考

（1）在動量定理這一節(jié)的學習中，以往的教學方法主要是通過理論推導得出論斷.然而，學生對動量和沖量的關系并沒有在實驗基礎上建立起來，缺乏感性認識，因此，需要教師不斷地強調(diào)這一點.為了解決這個問題，我們嘗試采用探究性學習的方式來開展這一節(jié)的知識.

（2）本探究課程結(jié)合了實驗和計算機實時計算的優(yōu)點，以及傳統(tǒng)實驗的可信性、微機實時計算的直觀性.彌補了傳統(tǒng)實驗和微機模擬的不足，一些快速且微小的變化實驗在傳統(tǒng)實驗中難以解決的問題（例如瞬時速度的測量，撞擊力的測量）得到了解決，因此數(shù)字化實驗具有其獨特優(yōu)勢.

（3）這種探究方式體現(xiàn)了當今課改的要求：改變學生的學習方式，激發(fā)創(chuàng)新精神，為終身發(fā)展奠定基礎.數(shù)字化實驗為學生提供了一個平臺，讓他們能充分放開思想，自主設計實驗，運用DIS系統(tǒng)和設計性實驗驗證設想，無需受教師限制，教師僅提供必要環(huán)境和建議.在探究過程中，學生增強了動手實踐能力，培養(yǎng)了嚴謹?shù)目茖W品質(zhì)和敢于面對失敗的頑強精神，體驗創(chuàng)造與成功的快樂.

5.2 本課的探究過程也存在一定問題和不足

（1）這節(jié)課的準備時間較長，學生需要熟悉軟件并設計探究過程的形式.然而，僅在第一次時需要花費較多時間熟悉軟件，以后就可以節(jié)省出這部分時間.此外，方案的設計時間完全可以在課下進行，方案的論證也可以利用課間或中午時間進行.只要教師組織有序，這個問題就可以解決.

（2）當學生提出設計方案時，這個論證過程可能會顯得繁瑣，因為需要找出方案的不合理之處，促使學生不斷改進.為解決這一問題，可以將學生每四人組成一個學習小組，讓每個小組內(nèi)部先提出一個最佳方案，然后再在小組之間進行論證.這樣一來，這個問題就能得到一定程度的解決.

（3）儀器裝備價格較高，無法為全班配備.但通過小組學習方式，每個小組可以解決這個問題，從而在一定程度上緩解壓力.當學生完成設計方案時，器材制作會面臨一定的難度，需要教師的大力支持.此外，教師應具備較強的自制教具能力.要解決這個問題，可以從以下四個方面入手：首先是教師本人的參與；其次是請實驗教師提供大力協(xié)助；再次是學生本人的努力；最后是請家長提供幫助.在整個探究過程中，學生們遇到了許多困難，然而，每克服一個困難，他們都會獲得巨大的成就感，這進一步增強了他們對探究的興趣和欲望.

參考文獻：

[1] 陸丁，張利國，馮爽.創(chuàng)新實驗教學發(fā)展學生科學思維[J].中學物理，2021，39（22）：55-58.

[2] 杭慶祥.學科核心素養(yǎng)下差異化教學的策略研究[J].中學物理教學參考，2021，50（35）：1-3.

[3] 焦?jié)櫽拢~成林.基于深度學習下的物理科學思維的培養(yǎng)[J].中學物理，2021，39（24）：44-46.

[4] 童妍心，李貴安.虛擬仿真與物理實驗相結(jié)合的教學模式探索[J].中學物理教學參考，2021，50（35）：14-16.

[責任編輯：李 璟]