“弹性碰撞与非弹性碰撞”教学设计

王黎阳

摘 要：本文对高中物理“弹性碰撞与非弹性碰撞”部分进行教学设计，激发学生对物理现象的探究和体验，加深其对物理本质的理解，并能运用物理原理解释生活中的现象，从而促进对问题本质的深入认识。

关键词：弹性碰撞；非弹性碰撞；实验；物理本质

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）2-0028-3

用能量的观点分析碰撞问题是弹性碰撞与非弹性碰撞教学的重点。在处理碰撞问题时，教师往往预设好了初末状态的速度，通过理论计算的方式比较系统在碰撞前后的机械能变化，最后由教师总结介绍弹性碰撞、非弹性碰撞以及完全非弹性碰撞的概念及特点。这个过程中学生会产生疑问：为什么非弹性碰撞过程中机械能不守恒？系统减少的机械能哪去了呢？产生这些疑问的原因主要在于，碰撞过程中物体间相互作用时间极短，碰撞前后物体本身的变化又极其微小，学生无法从物理现象中挖掘碰撞的本质。本设计将此过程化抽象为具体，设计演示实验并结合生活中碰撞的例子，有利于学生对问题本质的深入认识。

1 设计思想

设计在学生观察跳球实验的基础上，引导学生从能量的角度思考碰撞的特点。通过在玻璃球之间加入海绵，将两类碰撞进行对比，机械能的变化转化为可见的因素，学生对碰撞过程中机械能是否守恒就有了感性的认识，从而引出弹性碰撞和非弹性碰撞。结合图解的方式将碰撞的效果放慢、放大，更直接还原了碰撞的本质。最后，通过与生活联系，进一步了解损失的机械能转化成其他形式的能量，体现了将概念形象化、具体化的科学研究方法和从物理走向生活的教学思想。

2 教学过程

2.1 魔术导入，引发疑惑

师：同学们，今天老师带来大小不同的两个弹力球，它们都有一定的弹性。

教师演示：使两球从一定高度分别落下，观察到弹力球都弹了起来。

师：现在我让两个球一上一下组合，再从刚才同一高度落下，大家注意看，两个球谁能跳得更高！

教师演示：小球在上、大球在下一起落下，观察到小球弹起更高的高度，大球却几乎没有弹起来。

師：它们的动能如何变化？你们猜一下为什么会这样变化？

生：小球弹得更高，说明它获得了更大的动能，而大球几乎没有弹起来，说明它的动能减小了。可能是大球把自身的动能传递给了小球。

师：两个弹力球一上一下组合落下，大球被地面反弹后与小球之间发生了碰撞，我们知道碰撞过程中的动量可以发生传递，系统的动量守恒。既然机械能在碰撞中也能传递，那么系统的机械能又是否守恒呢？

设计意图：跳球实验中小弹力球的动能变化较为明显，既能够吸引学生的注意，又能够引发学生对碰撞过程中机械能是否守恒的思考。需要注意的是，为了保证实验的成功率，两球下落的高度应保持在15 cm到25 cm之间较为合适，且下落前尽量使两球的重心处于同一竖直线上。

2.2 实验探究，挖掘本质

（1）对比演示碰撞实验，将碰撞现象分类

教师演示牛顿摆中一动一静的弹性碰撞实验，将一个玻璃小球拿起一定的高度，从静止释放，与另一个玻璃小球碰撞（如图1a所示）。

观察到两个小球碰撞后，第一个小球静止下来，而第二个小球摆起一定的高度。

师：系统机械能在这个过程发生了怎样的传递和转化呢？

生：第一个小球被举高的重力势能在下落过程中转化为动能，碰撞后，第一个小球静止，第二个小球获得了动能，又在上升过程中全部转化为重力势能。

师：如果碰撞中第一个小球的动能全部传递给了第二个小球，第二个小球上升的高度与第一个小球释放前的高度应该有什么关系呢？此时系统机械能怎样？

生：一样高，机械能守恒。

重复实验，观察到几次碰撞后小球上升的高度和下落前的高度接近相等。

接下来，教师在第一个小球与第二个小球碰撞部位粘上海绵泡沫（如图1b所示），演示非弹性碰撞。

师：碰撞后小球摆起的高度如何？机械能传递过程中如何变化？系统机械能守恒吗？

生：小球在碰撞后不能摆到原来的高度，说明机械能不守恒。

师：根据这个特点，我们将碰撞分为两类。

碰撞过程中系统机械能守恒，这类碰撞叫做弹性碰撞；碰撞过程中系统机械能不守恒，这类碰撞叫做非弹性碰撞。

师：加上海绵后，机械能为什么不守恒了呢？损失的机械能去哪了？

（2）图解碰撞的物理实质，解释机械能转化问题

学生充分思考讨论后，观看两类碰撞的动画，进一步让学生思考两类碰撞的差异。教师图解碰撞过程中发生的形变现象，引导学生理解碰撞的物理实质。

师：碰撞过程中两小球会受到一对相互作用力，使得它们发生了形变。但是，在玻璃球与玻璃球碰撞后，形变会马上消失（如图2a所示），因此弹性碰撞时的机械能损失很小。而泡沫的形变在碰撞后不能完全恢复，碰撞时机械能损失明显，损失的机械能用在了物体形状的改变上（如图2b所示）。

设计意图：由于碰撞时间极短，所以在相互作用的过程中物体产生的形变很小，学生无法把握机械能损失的实质，就无法从能量角度深入认识碰撞现象，而仅仅通过理论推导显然是不够的。将两类碰撞实验进行对比演示，将机械能转化为可见的高度，化抽象为形象，非常直观地对比出机械能的损失，丰富了学生的感知，经过自己分析后，问题更加深入——损失的机械能去哪儿了？再通过构建其物理图像，挖掘物理实质，最后还可以结合理论推导，进行验证，有利于促进学生对这个问题深入有效的认识。

2.3 联系生活，加强理解

师：生活中的碰撞无处不在，同学们说说都有哪些我们熟悉的碰撞现象？

同学们议论纷纷，举出很多例子。

师：这些碰撞属于弹性碰撞还是非弹性碰撞？

生：可能是非弹性碰撞吧。

师：生活中的碰撞是非弹性碰撞，多多少少都会存在一定的能量损失。大家猜猜，视频里碰撞中损失的机械能都转化成什么能量了呢？

教师投影展示生活中的碰撞视频。

师：视频中呈现了打台球、踢足球、汽车相撞、甚至是彗星撞击行星等碰撞现象，这些碰撞过程中发生的发热、发光，都是机械能转化成了热能、光能等形式的能量。近代物理学中，经常遇到的是微观粒子间的碰撞，微观粒子的碰撞几乎没有机械能损失，我们把它们近似地看作弹性碰撞。

设计意图：其实生活中碰撞的现象十分常见，比如打台球、踢足球、汽车相撞，这些碰撞中大部分是非弹性碰撞，撞击过程中的损坏、发热、发光都是机械能转化成了其他形式的能量。如果教师能够将这些生活情景引入课堂，并引导学生对碰撞过程中的机械能变化进行分析，那他们对碰撞本质的认识也就更加清晰，也体现了物理与生活紧密联系的思想。

3 教学评价

本设计通过巧妙设计实验，将抽象的物理过程转化为具体的物理现象。跳球实验中小弹力球的动能变化较为明显，能够吸引学生注意，引发学生对碰撞过程中机械能是否守恒的思考。碰撞的对比实验将机械能置于可见的高度，直观地对比出机械能的损失，丰富了学生的感知，并引出了弹性碰撞和非弹性碰撞。

还原物理问题的本质需要将抽象的物理问题、物理现象，通过放大、放慢等各种手段，达到可视化的效果，最终化抽象为形象。这个过程需要教师运用科学的方法设计丰富的实验探究活动，并对学生进行恰当引导，将有利于学生抽象思维能力的提高。

参考文献：

[1]陈伟孟，胡继超.《碰撞》课程的教学设计[J].物理教学探讨，2013，31（10）：76-80.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材开发中心.物理选修3-5[M].北京：人民教育出版社，2010：17-21.

[3]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材开发中心.物理选修3-5 教学参考资料[M].北京：人民教育出版社，2010：21-27.

（栏目编辑 邓 磊）