“动量和动量定理”的体验式教学设计

王 敏 刘小兵

（广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004）

动量和动量定理是学好动量守恒定律的基础，也是高中物理教学的重要内容，长期以来都是教学的难点.实践表明，学生很难正确理解动量和动量定理的本质含义，也难以正确运用动量定理解决实际问题.因此，如何让学生正确理解动量和动量定理的意义，就成为本节课教学的关键.

体验式教学是一种根据学生的认知特点和规律，通过创造实际的或重复的经历和情境，更为直观地呈现教学内容，使学生在亲历过程中理解并建构知识、发展能力的教学形式.有鉴于此，立足于体验式教学模式的研究，对本节课进行如下的教学探讨.

1 对传统教材的分析

现行人教版高中物理教材在“动量和动量定理”之前安排了“实验：探究碰撞中的不变量”，得出探究结果“发生碰撞的两个物体，他们的mv矢量和在碰撞前后很可能保持不变”，对于各种形式的碰撞都是这样.”紧跟实验结果提出动量定义：质量与速度的乘积称为物体的动量，并介绍了动量概念在物理科学史上的发展，指出动量是矢量，与速度方向相同；然后例题计算小钢球碰撞前后动量的变化；随后引出用“牛顿运动定律”研究单个物体动量变化，经牛顿运动学公式推导，整理出动量定理关系式；再采用动量定理公式，例解球棒打垒球题目，得出通过改变作用时间来增大或减小作用力.

笔者认为，教材的处理存在几个问题：第一，教材对于探究实验得到“发生碰撞的两个物体，他们的mv矢量和在碰撞前后很可能保持不变”的结论阐述中并没有解释为什么采用mv来描述碰撞前后物体运动状态的关键问题，致使学生不能准确理解mv量的真正内涵；第二，教材未能将实验探究中两个物体碰撞的动量变化规律与单个物体动量变化情况的研究进行有效利用，致使学生学习深度不足.最后教材通过列举打垒球例子，并未达到引发学生直观认识动量变化一定时，如何改变时间就改变作用力大小的效果.

通过教材分析和对课程标准的理解，动量和动量定理的教学核心在于：怎样正确理解动量和动量定理的“为什么”“是什么”和“怎么用”3个问题.对于“为什么”要用质量m与速度v来定义动量，需要解决如何让学生通过体验来感受质量和速度对物体运动情况的影响，借助探究实验的结果正确建立动量概念.接着遵循“两条腿走路”的方法，再从理论上清楚解释动量定理“是什么”的问题，并借助学生已有动能定理的认识对比加深对动量定理的理解.知识的学习并非孤立存在，如何让知识服务于生活，用动量定理解释生活中打击、碰撞、爆炸等现象才是科学学习的本质.许多物理教师由于仅用物理题目进行运算，未把科学学习与生活体验紧密联系起来，导致学生在大量的习题运算中丧失学习的乐趣.

2 基于学生发展的体验式教学设计

2.1 依据情境体验，建立动量概念

呈现生活情境：以10m/s的速度运动的足球和铅球，谁可以用头去接？质量很小的子弹高速飞过来能不能接？学生肯定回答铅球不能接，原因是其质量太大；子弹头也不能接，因为其速度太快.这样通过引导可以使学生理解运动物体的作用效果既与物体的质量有关，也与物体的速度有关，那么与实验探究出来mv量是否一致，还需进一步验证.

再创设第2个情境：邀请两名体重不同的学生站在讲台上跳起后，先直腿下落，再换作起跳后屈膝下落，了解演示学生的感受.此实验操作简单，亦可让班级学生共同参与，在自己座位旁边感受两种下落方式的不同感受.抛出问题：两种下落方式给人的感受为什么不同，而且体重重的学生感觉更加明显，请同学们积极思考，寻找最佳解释.

为解释该问题，学生展开符合其认知水平的思考，教师应鼓励学生说出自己的看法.体重轻的学生采用直腿下落感到背部疼，而体重重的学生直腿下落时，肩背部、脊椎感到刺疼.学生回答可能是因为相比屈膝下落，直腿下落过程中没有人体缓冲，好似感觉地面给人的作用力更大.鼓励学生深入思考人体是怎样实现缓冲的，真正的物理情境是怎样，通过此次课的学习，学生们会找到此情境最合理的解释.

2.2 “两条腿”得动量定理，类比法显定理本质

上节课，学生通过探究“实验：寻找碰撞中的不变量”发现m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′中的mv这个量有特殊意义，而且物体运动状态的描述与速度和质量有关，那是否就是这个量呢？物理学上任何定理的发现都少不了实验和理论的支撑，如何从理论的角度也导出mv这个量，教师此处可列举已学过的动能定理的运动学公式推导过程.

v＝v0＋at变形为

牛顿运动学公式F＝ma变形为将（2）式代入（3）式可得

将（1）式代入（4）式可得

话说回来，老人为子女辛苦一辈子，子女赡养老人，让老人享受人生的夕阳晚霞是儿女的责任跟义务。刘主任建议，在带孩子这件事上，应以年轻人为主，老年人身体毕竟不如年轻时，容易失眠、焦虑、健忘，所以要综合老年人的想法与意愿，不能因为这件事而影响家庭和睦相处。

经历理论公式的推导过程，有助于学生熟悉和理解公式的变换形式，加深学习体验.

化简后Ft＝mv－mv0.此式中的3个量都分别代表什么含义，通过对比可以清晰地得出结果见表1.

表1

通过对比观察、分析找出上面两个定理的相同点和不同点，加深对动量定理和动能定理的区别认识.动能是标量，大小与v2成正比，动能的变化与外力的功相等，动能的变化决定了物体克服阻力能够运动多远.动量是矢量，大小与v成正比，动量的变化与外力的冲量相等，动量的变化决定了物体反抗阻力能够运动多长时间.可见动量和动能的本质区别在于他们遵循的变化规律不同，从各自不同的角度描述物体的机械运动，并且动量定理的研究对象一般是单个物体，由于物体系中的内力总是成对出现，而每对作用力与反作用力的冲量总是大小相等，方向相反，若以物体体系为研究对象，内力冲量的矢量和始终为零.据此动量定理的研究推广到物体系，即物体系所受合外力的冲量等于物体系内各物体动量变化的矢量和.

图1

2.3 典型例题，定理应用

例题.从一定高度H静止释放质量为m的小球，小球落在地面上并反弹的高度为h，小球与地面接触时间t，当H为5m，小球质量m为1kg，反弹高度h为0.8 m，请计算小球与地面接触时间t为1s时，地面给小球

的平均作用力为多大？（如图1所示）

通过上式发现，当动量变化量一定时，作用的时间越短，力也就越大，一定情况下物体重量可以忽略不计.

课堂开始让学生做起跳屈膝下落时，身体没有明显疼痛感的本质原因是屈膝动作延长了作用时间，减小了地面对人的作用力，这就是生活中的缓冲.在车辆和很多机械中也广泛使用缓冲弹簧延长作用时间.蹦极运动中，挑战者使用的弹性绳索，目的也是为了增加力的作用时间，减小绳索拉直时的作用力，进而对人起到保护作用.此处可让学生估算一下高空坠物，一个约为50g的鸡蛋，从不同楼层落下来对地面的作用力大小，培养学生安全意识.

3 对教学的启示

物理的体验式教学设计，不仅要强调学生对物理知识的理解和掌握，明确“是什么”，还要基于理论的深度思考，在教学中使学生理解“为什么”和“怎么用”的问题.物理教育家乔际平指出：物理教学法只回答了教学过程中“是什么”的问题，没有从根本上清楚明确地回答物理教学中“为什么”的问题，而物理教学论则要对物理教学过程中的各种问题做出“为什么”的回答.从这个意义上讲，动量和动量定理的体验式教学设计从物理教学论的视角诠释了动量定理教学的条理性.纵观动量和动量定理体验式教学设计的过程，得到如下几点启示.

3.1 强调情境教学

创设物理情境作为体验式教学设计的重要组成部分，充分展现着在情感和认知的相互作用下，物理情境利用其独特的直观性，加深学生对现象的认识，从而有意识地思考问题，探索新知.

（1）生活情境.物理学的起源是生活现象，在物理教学中强调现象的直观性可更好地让学生认识到实验自变量带来的实验效果的改变.生活实际以不容置疑的真实性而易于学生接受，课堂上引入相同速度飞来的足球和铅球，以及质量小速度快的子弹哪个可以接的情境，引起学生兴趣，并引导学生积极主动思考是什么量影响物体的运动状态.

（2）问题情境.问题是实验设计的动力和催化剂，当学生思维得到启发时，教师再通过问题情境，深入思考层次.不仅是生活事物，人体的一些反应也值得探索，创设简单情境，让学生思考起跳后两种不同的方式下落分别给人体带来的感受.缓冲是生活中十分常见的一个词，但在此之前学生们都并未真正明白，一些物体是如何实现缓冲的，缓冲作用又会有什么样的好处呢？带着释疑的心态展开本节课的重点学习，让学生经历整个知识探索的过程，更有利于提高他们解决问题的能力.

3.2 注重科学方法

直观性，是物理教学的一个重要原则，利用图表比较相似定理公式，说明相同量和不同量之间的对比关系，比单独了解动量定理更让人容易区分理解.高年级学生的抽象思维和逻辑思维已有较大发展，但面对新事物的区分辨别能力还未十分完善，利用对比法学习两个定理，更为直观的展现它们的异同，让学生在构建动量和动量定理的时候更有规律可循，为后面解决问题，选择办法提供很好的基础.而直观性原则在创设情境以及对比学习动量定理的设计中得到更加完整的体现.

3.3 联系学生认知

教学不仅要让学生学会物理知识，而且向学生重现物理规律的发现，学会运用知识解释生活现象.本节体验式教学设计由定性认识、理论推导和定量计算3个教学环节构成.定性认识直观明了，现象明显，源于生活，引发思考；理论推导逻辑严密，考虑周全；定量计算清晰简洁，认识深刻.整个教学设计步步深入、环环紧扣引导学生思维一步步上升，从生活走向物理，再由物理回归生活运用，充分显示了教学的实用性，从定性认识到定量计算加深了学生对动量定理的认识并帮助学生成功迈过对动量的理解困难.至此整个动量定理的体验式教学设计结构清晰并循序渐进地促进了学生的认知发展.

1 人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.选修3-5［M］.北京：人民教育出版社，2011：6－12.

2 乔际平.物理教育学［M］.南昌：江西教育出版社，1992：3.

3 胡彬.注重实验设计 引导学生探究［J］.物理教师，2014：40.