沖量和動量關(guān)系的探究
———利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)進(jìn)行自主探究性學(xué)習(xí)

董 瑞 馬耀琳

(齊齊哈爾中學(xué),黑龍江 齊齊哈爾 161000)

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(diǎn)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(yùn)算,系統(tǒng)思想的建立.由于這一章的內(nèi)容是學(xué)生第一次接觸,而且概念抽象,歷年都是教學(xué)的難點(diǎn).

為了體現(xiàn)學(xué)生在教學(xué)中的主體地位,充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性,并且能更好地掌握這一難點(diǎn),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(xué)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(guān)系[1].

1 教學(xué)過程

第一步:首先,讓學(xué)生明確本堂探究課的目的.接著,引導(dǎo)學(xué)生思考如何設(shè)計自己的探究方案,并進(jìn)行科學(xué)探究[2].

第二步:讓學(xué)生展示自己的探究方案,并與同學(xué)們一起討論方案的可行性[3].在這個過程中,學(xué)生既能進(jìn)一步理解教學(xué)目的,也能深入了解儀器的使用.特別是學(xué)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(xué)生可以設(shè)計出一個大家都能接受的方案.然后,實驗教師再幫助學(xué)生制作出所需的儀器,從而完成前提工作.

2 實驗裝置的設(shè)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(diǎn)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(guān)系,整個裝置安裝在一豎直布置的基板上,如圖2.

圖1 實驗裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 實驗裝置圖

第三步:這節(jié)課采用學(xué)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(xué)的中心課題是研究力與運(yùn)動的關(guān)系.我們學(xué)過的牛頓運(yùn)動定律是從瞬時角度研究力與運(yùn)動的關(guān)系,而功和能是從空間過程研究力與運(yùn)動的關(guān)系.那么,如何從時間過程研究力與運(yùn)動的關(guān)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(yùn)動關(guān)系的,那么,沖量是如何改變物體的運(yùn)動狀態(tài)的?沖量與哪個狀態(tài)量變化相對應(yīng)?恒力的沖量又是如何改變物體的運(yùn)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(yùn)動狀態(tài)的影響.前面我們已經(jīng)通過公式推導(dǎo)了解了變力對物體運(yùn)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].

圖3 小球與三個硬度不同的彈簧相碰彈力情況

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(biāo)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.

表1 實驗數(shù)據(jù)

圖4 電腦數(shù)據(jù)處理

3.3 動量變化量與沖量關(guān)系的探究

根據(jù)測量結(jié)果,沖量與動量之間沒有直接關(guān)系.然而,經(jīng)過仔細(xì)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.

表2 實驗數(shù)據(jù)

圖5 電腦數(shù)據(jù)處理

圖6 裝置流程圖

經(jīng)過多次重復(fù)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(guān)系.沖量等于動量的變化量.

4 教學(xué)流程圖

5 課堂總結(jié)

5.1 對于本節(jié)探究課的幾點(diǎn)思考

(1)在動量定理這一節(jié)的學(xué)習(xí)中,以往的教學(xué)方法主要是通過理論推導(dǎo)得出論斷.然而,學(xué)生對動量和沖量的關(guān)系并沒有在實驗基礎(chǔ)上建立起來,缺乏感性認(rèn)識,因此,需要教師不斷地強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn).為了解決這個問題,我們嘗試采用探究性學(xué)習(xí)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(jī)實時計算的優(yōu)點(diǎn),以及傳統(tǒng)實驗的可信性、微機(jī)實時計算的直觀性.彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗和微機(jī)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(dú)特優(yōu)勢.

(3)這種探究方式體現(xiàn)了當(dāng)今課改的要求:改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式,激發(fā)創(chuàng)新精神,為終身發(fā)展奠定基礎(chǔ).數(shù)字化實驗為學(xué)生提供了一個平臺,讓他們能充分放開思想,自主設(shè)計實驗,運(yùn)用DIS系統(tǒng)和設(shè)計性實驗驗證設(shè)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(xué)生增強(qiáng)了動手實踐能力,培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)品質(zhì)和敢于面對失敗的頑強(qiáng)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(zhǔn)備時間較長,學(xué)生需要熟悉軟件并設(shè)計探究過程的形式.然而,僅在第一次時需要花費(fèi)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(shè)計時間完全可以在課下進(jìn)行,方案的論證也可以利用課間或中午時間進(jìn)行.只要教師組織有序,這個問題就可以解決.

(2)當(dāng)學(xué)生提出設(shè)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(xué)生不斷改進(jìn).為解決這一問題,可以將學(xué)生每四人組成一個學(xué)習(xí)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(jìn)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(xué)習(xí)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(dāng)學(xué)生完成設(shè)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(yīng)具備較強(qiáng)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(xué)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(xué)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(jìn)一步增強(qiáng)了他們對探究的興趣和欲望.