巧用生活素材 探究碰撞中的不变量

蒋汶洋

摘 要：利用生活素材自制物理实验教具在物理实验教学中具有重要的意义。利用平板电脑、米尺、窗帘滑轨等简单易得的生活常见品，设计了一种操作性强、学生参与度高的实验方案，并将其应用于“探究碰撞中的不变量”的实验教学中。

关键词：物理实验；平板电脑；自制教具

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2019）2-0071-2

物理是一门以实验为基础的学科。通过实验探究总结出物理规律是物理教学中常用的教学方式。但在实际的物理实验教学中，由于实验设备数量的限制和操作的难度，部分教师仅在讲台上进行实验演示，只让学生观察实验现象，使得学生没有动手实验的机会[1]。利用身边的生活素材制作物理实验器具则是解决这一问题的有效途径。利用自制教具进行实验教学，不仅可以提高学生的参与度，还体现了实验过程的自创性、趣味性、简易性和生活化[2]。本文以“探究碰撞中的不变量”为例，利用平板电脑、米尺、窗帘滑轨等简单易得的生活常见品，设计了一种新的实验方案，并用于教学中。

1 教学设计思路

“探究碰撞中的不变量”是高中物理课的一节探究性实验课，其实验方法比较开放，教材上已为学生提供了三种实验设计。但由于很多学校实验器材不完备，学生无法利用课本的设计进行实验探究。考虑到本节内容较多，实验的设计较为开放，并且学生在实验技能上已经具备了一定的基础。因此，笔者引导学生利用身边的简易工具设计测量方案，并鼓励学生动手实验。这样的实验教学设计，既激发了学生的探究热情，也培养了学生的动手能力。最后，再为学生介绍现代化器材的测量方案，以弥补传统实验的不足，拓宽学生的视野。

2 实验教学设计过程

2.1 实验教学引入

首先，在进行实验前先播放一段花式台球的视频，展示碰撞的美感以吸引学生的注意力。随后再展示几张生活中碰撞现象的图片，让学生注意到碰撞是日常生活中常见的现象，是非常值得我们去研究的现象。其次，研究方法都是由简单到复杂，本节课只研究最简单的情况，即两物体在碰撞前后都沿一条直线运动，一般将这种情况称作一维碰撞。最后，具体要研究碰撞的什么问题呢？科学家们在研究自然规律时总是希望能够在多变的世界中找出某些量是不变的、守恒的。例如，物理中的机械能守恒、能量守恒，化学中的质量守恒、电荷数守恒等。在物体碰撞前后，会不会也存在着什么量是不变的呢？

以上环节的引入明确了本节课探究的问题，即物体在进行一维碰撞前后，会不会存在什么量是不变的呢？接下来就要引导学生对问题提出假设了。本文采用了两个小实验引出学生的猜想，具体步骤如下：

先呈现实验一，将两个相同质量的钢球悬挂起来，一个小球静止，拉起另一个小球并释放，两个小球相碰后，被拉起的小球静止了，但被碰撞的小球运动起来了。再呈现实验二，将实验一中的其中一个钢球换成乒乓球，再次拉起钢球并释放，当钢球与乒乓球发生碰撞后，乒乓球获得了较大的速度，但钢球也没有停下来。在实验一中，通过碰撞两物体的速度发生了变化，此时引导学生猜想这个不变量应该和物体的速度有关。在实验二中，学生可以观察到乒乓球获得了较大的速度，而钢球并没有停下来，这可以帮助学生猜想碰撞所产生的现象不仅和速度有关，还和物体的质量有关。

2.2 实验设计

根据学生的猜想，碰撞前后不变的量与物体的速度和质量有关系。进而提出问题，如何测量物体的质量和速度呢？学生都会想到用天平测量质量。但对速度的测量方法却有多种观点，如打点计时器、光电门等。教师提问，如果没有这些测速专用的实验器材，能否利用身边的物品測出速度呢？同时通过PPT播放动画，以呈现新的测速方式：用已设定好拍摄时间间隔的手机连续拍摄人行走的照片，根据照片拍摄间隔的时间和照片对应的位置变化，就可以计算出人行走的平均速度。并启发学生用平板电脑拍摄的方式记录物体碰撞前后的速度。

整个实验器材有：金属槽、刻度尺、平板电脑、橡皮泥、小钢珠（16.88 g）、玻璃珠（5.66 g）。其中，金属槽用于保证物体的一维碰撞；刻度尺用于记录小球的实际位置；平板电脑用于拍照以记录小球的实际位移。组装后的实验装置如图1所示。接下来，学生就可以利用实验装置进行小组实验了。在实验过程中，需要强调用橡皮泥将轨道调平，若出现反弹现象，应将速度记为负值，读数要尽量准确，可以估读。在处理实验结果时，需强调应选择接近碰撞瞬间的照片。

将两组学生测得的实验数据输入Excel表格中，通过电脑计算可以发现，两组数据中，碰撞前后质量和速度的乘积之和是很接近的。这让我们有理由相信在碰撞前后存在着的不变量就是mv。但也可以看出，该值在碰撞前后并不是严格相等的，因为实验中还存在着误差。误差主要来源于轨道的摩擦阻力和读数的不准确。想要减小这些误差可以采用实验室中常见的现代化工具——光电门和气垫导轨。气垫导轨可以减小轨道的摩擦阻力，而光电门可以使所测速度更加精确。最后，用光电门和气垫导轨实验装置（如图2所示）再次实验，验证实验结论。通过以上的实验，就可以总结出在一维碰撞中，碰撞前后的不变量是质量与速度的乘积之和。但是，这个结论是否在其他形式的碰撞中也是成立的呢？这个问题可用以启发学生在课后进行思考并探究。

3 实验教学反思

通过以上的实验教学过程可以发现，整个实验教学过程包含两个实验：一是学生利用平板电脑、窗帘滑槽等实验器材的动手实验；二是教师利用气垫导轨和光电门进行的演示实验。前者利用生活中随处可见的物品搭建了一个简单的实验装置，让“高深”的物理实验变得生活化，并利用青少年喜爱的平板电脑调动了学生的参与热情，取得了非常不错的实验效果。后者用先进的仪器让学生开拓视野，以弥补传统实验的不足。

物理源于生活，若学生在遇到某些物理问题时，都能马上拿起身边的物件儿做个简单的物理实验，那我们的实验教学一定能取得更好的效果。

参考文献：

[1]张伟，郭玉英.论“非常规”物理实验的教学地位[J].课程·教材·教法，2007（12）：51-56.

[2]王志辉.浅谈高中物理实验的生活化[J].中学物理教学参考，2017，46（14）：27-28.

（栏目编辑 张正严）