基于核心素养的高三物理一轮复习教学探讨——以“碰撞中动量守恒定律的应用”为例

汪小明 鲁小东

(深圳市宝安第一外国语学校 广东 深圳 518128) (深圳市第二实验学校 广东 深圳 518021)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》的基本理念强调，高中物理课程注重体现物理学科的本质，着力培养学生的物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等核心素养，突出物理学科的育人价值[1]．根据新高考改革精神，《课程标准》将会成为新高考命制试题的依据．在高考改革的背景下，如何高效地开展高三物理复习课教学，培养学生物理学科的核心素养？本文以“碰撞中动量守恒定律的应用”为例，探讨核心素养理念下高三物理一轮复习课的教学．

1 实验引入重演物理概念的形成过程

演示实验：篮球与网球的“弹弓效应”．让篮球与网球同时下落，如图1所示．观察落地后两球的运动情况．

图1 演示篮球与网球的“弹弓效应”

师：为什么网球反弹后上升的高度更高？

生：因为篮球落地后反弹，再与网球发生碰撞，网球获得了更大能量和动量．

视频展示：生活中物体发生碰撞的视频．

师：除了宏观世界的碰撞外，微观世界的碰撞也在科学技术的发展中发挥着重大作用．

举例1：中子的发现，如图2所示．1932年英国物理学家查德威克用α粒子轰击铍原子，产生了一种看不见的粒子，后来被证实是中子．

图2 中子的发现实验示意图

举例2：中子减速剂，如图3所示．在利用核能发电的过程中，中子与石墨、重水发生碰撞．

图3 中子作为减速剂

举例3：大型强子对撞机，如图4所示．带电粒子被加速到很高的能量后轰击靶核，用以发现新的粒子．

实际生活中的碰撞现象往往能产生强烈的视觉冲击效果，而微观粒子的碰撞往往对应科技的应用和发展，从这两个层面举例，能让学生对碰撞概念有更全面的理解．

设计意图：教师通过宏观世界的碰撞和微观世界的碰撞举例，引导学生体会碰撞的物理含义，再次认识碰撞的特点，重演了物理概念的形成过程．既激发了学生的学习热情，开拓了学生的视野，同时也为后面引出2014年高考全国卷试题埋下伏笔．

2 碰撞分类体验科学思维过程

2.1 从碰撞的速度方向分类

对心碰撞——正碰：碰前、碰后运动速度与两球心连线处于同一直线上，如图5所示．

图5 对心碰撞

非对心碰撞——斜碰：碰前、碰后运动速度与两球心连线不在同一直线上，如图6所示．

图6 非对心碰撞

教师通过图片将碰撞按照速度方向进行分类，形象地阐释了正碰与斜碰两个物理概念，学生用运动的观念来观察碰撞现象，并指明高中阶段只研究一维的碰撞——正碰．

2.2 从能量变化的角度分类

弹性碰撞：碰撞过程中动量守恒，机械能守恒.

非弹性碰撞：碰撞过程中动量守恒，机械能不守恒.

特殊情况——完全非弹性碰撞：碰撞后两物体粘合在一起，以共同的速度运动．这种情况动量守恒，损失的机械能最大．

教师组织学生对碰撞中的能量变化进行分类讨论，让学生学会用能量的观念区分两种不同的碰撞模型，加深学生对碰撞概念的理解．

师：为了能够更清晰地理解碰撞过程中能量与形变量的演变，下面通过一组“慢镜头”来展现碰撞的具体过程，如图7所示.

图7 碰撞过程中能量与形变量的演变

两个小球在光滑水平面上发生碰撞，分别产生了3种不同情况的碰撞结果，对应的结果分别为状态3，状态4和状态5．

师：若碰撞后状态5对应的是无机械能损失，则属于什么碰撞模型？

生：弹性碰撞.

师：若碰撞后状态4对应的是碰后分开运动，且有一部分机械能损失，则属于什么碰撞模型？

生：非弹性碰撞.

师：若碰后末状态3对应的是两小球粘合在一起运动，则属于什么碰撞？

生：完全非弹性碰撞.

教师通过动态场景图将碰撞过程进行慢镜头演示，引导学生对不同状态进行分析讨论，在直观地对比图示中加深了对碰撞过程和碰撞模型的理解．

设计意图：在教师的指导下，让学生去感触物理知识的发生原因，经历物理知识的形成过程，使物理学习成为学生“亚研究”“再创造”的过程．教师从不同的角度对碰撞进行分类、归纳、演绎，不仅有助于学生理解碰撞，而且让学生在对比中经历了建构物理模型的过程，充分体现了一轮复习课对学生科学思维素养的培养作用．

3 问题讨论开展科学探究

问题：如图8所示，A,B两小球在光滑水平面上沿同一直线、同一方向运动，球A动量是6 kg·m/s，B球动量是6 kg·m/s，当球A追上球B时发生碰撞，则碰撞后A，B两球的动量会发生怎样的变化？

图8 A，B碰撞前

师：有没有可能碰后A，B两球的动量是“7 kg·m/s，5 kg·m/s”？如图9所示.

图9 A，B碰撞后

生：不可能．因为，后面物体能够追上前面物体，说明后面物体的速度大于前面物体的速度．当两球碰撞时，由动量定理可知，球A的动量会减小，故不可能．

师：回答非常棒！那有没有可能是“5 kg·m/s，7 kg·m/s”呢？如图10所示.

图10 A，B碰撞后

生：有可能．

师：在满足什么条件的情况下，此碰撞是可以完成的？

生：满足的条件包括碰前球A的速度大于球B的速度，碰后球A的速度小于球B的速度，碰后球A与球B组成的系统机械能不会增加．

满足条件1：碰前vA>vB，即

(1)

得到结论1：

(2)

(3)

得到结论2：

(4)

满足条件3：碰撞后机械能不会增加 ，即

(5)

即

(6)

得到结论3：

(7)

师：综合以上3组同学的结论可知，两球碰后若出现“5 kg·m/s，7 kg·m/s”的情况，则需要满足的条件是

(8)

设计意图：学生在教师精心设置的问题下进行探究思考，思维逐层进阶．通过分析、概括、讨论，得出正确的结论，既经历了科学的探究过程，又体验了科学推理的严密，在回归物理学习的本真中，有效提高了思辨能力和科学探究能力．

4 规律总结凸显物理过程和物理观念

4.1 碰撞问题可以分为3个物理过程分析

碰撞中的3个物理过程如表1所示.

表1 碰撞问题的3个物理过程

4.2 碰撞问题也可以从3个物理观念分析

(1)动量观念(动量约束)：所有的碰撞都要遵循(或近似遵循)动量守恒定律．

(2)能量观念(能量约束)：所有的碰撞都要遵循能量守恒定律，机械能不会增加．

(9)

(3)运动观念(运动约束)：

1)若物体碰前沿同一方向运动，则后面物体的速度一定比前面的大.

2)若物体碰后沿同一方向运动，则后面物体的速度一定比前面的小(不可能再碰).

3)发生正碰后，物体的前后(左右)位置不可能发生改变.

4)两物体相向碰撞后，不可能再次出现相向运动(无其他障碍物时)．

4.3 总结规律

碰撞过程的规律分析如图11所示．

图11 碰撞规律

师：物理过程的分析包含了物理观念的分析，物理观念的分析同时也包含了物理过程的分析．两者相辅相成，构建出一幅美丽的物理规律图．

设计意图：通过对前面例题分析讨论，从物理过程和物理观念两个维度进行归纳总结，引导学生进行深度思考．既深化了学生对碰撞模型的理解，同时也凸显分析物理过程和物理观念在解决实际问题中的重要作用，培养了学生的物理核心素养．

5 解释现象感受物理过程之美

师：根据我们对碰撞模型的理解，请大家尝试分析本节课开始时的小实验中篮球与网球经历的物理过程．

生：篮球与网球先做自由落体运动，彼此间没有相互作用．篮球触地后反弹，与网球发生相互作用，作用力远大于它们受到的重力和空气阻力，故可认为篮球与网球所组成的系统在碰撞中动量守恒．若不考虑空气阻力和篮球内气体克服分子力做的功，则还满足机械能守恒．

设计意图：让学生在疑问与答疑中理解物理过程蕴含的科学思想和原理．

6 提取模型演变升华至高考题

师：我们可以从刚才的小实验中提取出对应的物理模型，再设置一定的情境和条件，就命制出了一道考查动量和能量的物理试题．

【例1】假设网球质量为m，篮球质量为M，叠放在一起从高为h处由静止释放，如图12所示．假设所有碰撞均为弹性碰撞，忽略空气阻力．试求网球反弹后上升的高度H.

图12 网球与篮球一起下落

对篮球与网球的下落过程，可以由动能定理建立方程

(10)

对篮球与网球的碰撞过程，可以由动量守恒定律和机械能守恒定律建立方程

Mv0-mv0=Mv1+mv2

(11)

(12)

对网球的上升过程，可以由动能定理建立方程

(13)

联立以上方程解得

(14)

师：在例题1的模型基础上，适当地改变部分条件和情境，可将例题1变式升华为高考试题．

【变式训练】(2014年高考新课标全国卷Ⅰ)如图13所示，质量分别为mA，mB的两个弹性小球A和B静止在地面上方，球B距地面的高度h=0.8 m，球A在球B的正上方．先将球B释放，经过一段时间后再将球A释放．当球A下落t=0.3 s时，刚好与球B在地面上方的P点处相碰，碰撞时间极短，碰后瞬间球A的速度恰为零．已知mB=3mA，重力加速度大小g=10 m/s2，忽略空气阻力及碰撞中的动能损失．求：

(1)球B第一次到达地面时的速度；

(2)P点距离地面的高度．

图13 A和B两球的碰撞

此题一经展出，台下立刻就有学生发出了“哇”的惊叹声！更有部分学生情不自禁地鼓起掌来，以表达自己内心的激动之情．

设计意图：高三物理一轮复习是对高考考点全面、系统地展开复习，在复习中应加强对往年高考试题的研究与命题规律的探寻．而高考试题往往取材于日常生活中的常见情景，这就需要我们重视对生活中素材的积累和整理．在本环节中，教师通过小实验提取出两球的碰撞模型，再设置适当的情境和条件，逐步变式升华成一道高考试题．让学生体会到高考试题的备考应回归到物理模型的本源，在模型的演绎、拓展中感受到科学思维的魅力，提升高考的“五项”关键能力．

7 拓展应用科学态度与责任

【例2】(1930年)科学家在用放射性物质中产生的α粒子轰击铍原子时，产生了一种看不见的、贯穿能力很强的不带电粒子．为了弄清楚这是一种什么粒子，人们用它分别轰击(近似静止的)氢原子和氮原子，结果从中打出了氢核和氮核，如图14所示．以此推算出该粒子的质量，从而确定该粒子为中子．

图14 α粒子轰击铍核

设氢核的质量为mH，打出后氢核速度为vH，氮核的质量mN为氢核的14倍，打出氮核速度为vN，假设中子与氢、氮核的碰撞均为弹性碰撞，请根据这些可测量的物理量，推算中子的质量．

师：若中子与氢、氮核的碰撞均为弹性碰撞，则分别满足什么守恒？

生：满足动量守恒和机械能守恒．

师：我们可以分别由动量守恒定律和机械能守恒定律建立方程．

设中子的质量为m，初速度为v0，中子与氢原子核碰撞后的速度为v1，与氮原子核碰撞后的速度为v2．

与氢原子核碰撞，由动量守恒和机械能守恒有

mv0=mv1+mHvH

可得

v0+v1=vH

与氮原子核碰撞，由动量守恒和机械能守恒有

mv0=mv2+mNvN

可得

v0+v2=vN

联立解得

师：若中子与氢、氮核的碰撞为完全非弹性碰撞，则情况又会怎样呢？

生：如果发生的是完全非弹性碰撞，则只满足动量守恒，且碰后速度相等．

设中子的质量为m，初速度为v0，其与氢原子核碰撞后的共同速度为vH，与氮原子核碰撞后的速度为vN．

与氢原子核碰撞，由动量守恒有

mv0=(m+mH)vH

与氮原子核碰撞，由动量守恒有

mv0=(m+mN)vN

联立解得

师：前后两种情况下，中子质量的表达式是一样的！也就是说，如果我们能够测出碰撞后氢原子核和氮原子核的速度，以及知道氢原子核的质量，我们就可以测出中子的质量．

大到茫茫宇宙，小到神秘微观，平凡到日常生活，都有着形形色色、风格迥异的碰撞现象，虽然它们的个性十足，但都遵守着相同的规律．探究与掌握事物变化的规律，这就是物理学探寻未知世界基本的思想方法

设计意图：中子的发现以及中子质量的测量，正是体现了动量观念和能量观念在微观领域中的具体应用．本节课的教学内容设置严谨，教学环节层层递进．从实际生活中的网球与篮球的碰撞出发，再到微观世界里中子的发现，都遵循着人们认识客观世界的普遍规律：观察发现 → 实验探究 → 规律提炼 → 科学观念 → 应用实践 → 发现未知．让学生在经历发现未知的过程中，感受科学的严谨和物理学对社会的巨大贡献，培养学生崇尚科学、热爱科学的态度以及探索未知世界的责任意识与担当精神．

8 结束语

新课程改革强调物理学科应回归物理本质，突出物理学科特色，通过物理课程的学习培养学生的物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度和责任意识等素养．本节课“碰撞中动量守恒定律的应用”是基于核心素养理念设计的一节高三物理复习课，从实验到高考真题再现，再到应用动量守恒定律推算出中子的质量，主线清晰，层次分明，逻辑缜密．展现了物理观念与物理过程的深度学习，高效率地复习了碰撞中的动量守恒定律，将物理学科的核心素养培养真正落在了实处．