高中物理碰撞中几个典型问题的深入分析与拓展

摘 要：高中物理碰撞问题是培养学生科学思维能力和解决实际问题能力的重要载体.为了有效培养学生的科学思维，笔者探讨了碰撞实验的现象、物理量变化、实验设计方案，并围绕碰撞实验建构了物理模型和数学模型，进一步探索了三维碰撞、变质量系统、微观粒子碰撞及现代技术应用等拓展模型，为高中物理教学提供了新的视角和思路.

关键词：高中物理；科学思维；模型；典型问题

中图分类号：G632"" 文献标识码：A"" 文章编号：1008-0333（2024）34-0101-03

收稿日期：2024-09-05

作者简介：许妙杰（1988.4—），男，福建省南平人，本科，中学二级教师，从事高中物理教学研究.

在高中物理课程中，碰撞问题是力学部分的核心内容，也是培养学生综合素养的主要途径.随着科学技术的不断发展，碰撞问题的研究已深入到微观领域，对物理模型的建构和求解方法也提出了更高要求.本文深入分析高中物理中的碰撞类型及其典型问题，探讨科学思维的培养与模型建构策略，有助于提升学生的物理学科核心素养.

1 碰撞的类型及典型问题

碰撞描述的是两个或多个物体在极短时间内的相互作用下，速度、动量或能量发生显著变化的过程.碰撞根据能量损失的不同，可以划分为弹性碰撞、非弹性碰撞和完全非弹性碰撞三种类型.弹性碰撞是指碰撞过程中系统总动能保持不变，即碰撞前后各物体的动能之和相等，且碰撞后物体能够恢复到原来的形状，不产生永久形变.在弹性碰撞中，动量守恒定律和机械能守恒定律同时成立，是研究碰撞问题的基础.与弹性碰撞相对的是非弹性碰撞，其系统总动能会有所损失，部分动能转化为内能或其他形式的能量，导致碰撞后物体的速度减小，且碰撞后物体发生形变[1].在非弹性碰撞中，动量仍然守恒，但机械能不再守恒，这是区分弹性碰撞与非弹性碰撞的关键.两个物体碰撞后黏合在一起，并以共同速度继续运动的非弹性碰撞，被称为完全非弹性碰撞.完全非弹性碰撞中的系统动能损失最大，碰撞后的速度可以通过动量守恒定律直接求出.

碰撞问题中蕴含的典型问题包括：两球正碰后的速度计算、斜碰中的动量分配、不同质量物体碰撞后的动能变化，以及完全非弹性碰撞中的能量损失等.不仅考查学生对动量守恒定律和能量守恒定律的理解和应用能力，还要求学生具备将实际问题抽象为物理模型的能力，以及运用数学工具求解问题的能力.

2 基于碰撞典型问题的科学思维培养策略

2.1 观察碰撞实验，培养学生实证精神

学生在仔细观察碰撞实验中前后物体的运动状态变化、记录实验数据、分析实验结果的整个过程中，能够深刻体会到科学结论需基于大量实验观察和数据分析得出.为了有效利用碰撞实验培养学生的实证精神，教师应精心设计实验方案，确保实验过程安全可控且可清晰地展示碰撞现象的关键特征，并向学生明确实验目的、步骤和注意事项，引导学生预测实验结果，提出自己的假设.在实验过程中，教师应鼓励学生仔细观察，指导学生正确记录实验数据，培养其数据意识和严谨态度[2].当学生遇到困惑或疑问时，教师应耐心解答，引导学生通过进一步的观察和分析寻找答案.在实验结束后，教师可组织学生讨论总结，鼓励学生分享自己的观察结果和实验体验，并尝试运用所学知识解释实验结果，进而帮助学生深入理解碰撞现象，形成科学实验的意识.

2.2 利用物理量变化，培养学生逻辑思维

物理量变化可直接反映物理实验现象，是培养学生逻辑思维能力的良好素材.碰撞实验作为物理学中的一个经典案例，其内在的物理规律与物理量之间的相互作用，为学生提供了一个复杂而有序的逻辑推理框架.通过分析碰撞前后速度、动量、动能等物理量的变化，学生不仅能够深入理解物理定律的实质，还能在解决问题的过程中锻炼自己的逻辑思维能力.为了有效利用碰撞实验中的物理量变化培养学生的逻辑思维能力，教师应精心选择物理量变化明显的碰撞实验，便于学生观察和记录.在实验过程中，教师应引导学生关注碰撞前后各个物理量的具体数值及其变化趋势.此外，教师可以让学生探讨在不同条件下（如不同质量比、不同初速度等）碰撞结果的差异，并尝试用物理定律和数学工具解释和预测碰撞结果，促使学生深入思考物理现象的本质和规律，进一步提升逻辑思维能力.

2.3 对比不同解法，培养学生批判性思维

不同解法的出现源于对问题不同角度的审视和假设.不同解法之间的对比与评估，能够促使学生跳出常规思维框架，采用质疑、分析和评价的方式，关注不同解法得出的结论是否一致，深入剖析不同解法背后的假设的合理性以及可能存在的局限性，进而逐渐形成批判性思维能力.这种能力不仅对学生当前的学习大有裨益，还能为其未来的科学探究提供强大的智力支持.碰撞实验中问题的多样性和复杂性，催生了多种解法，为学生的批判性思维培养提供了肥沃的土壤，因此，教师可充分利用不同碰撞实验中的不同解法培养学生的批判性思维能力.教师可以依托碰撞实验设计一系列具有层次性和挑战性的教学活动.例如，选择两球一维弹性碰撞实验，引导学生探索动量守恒法、动能守恒法、速度分解法、相对运动法等解决这一实验的方法，并要求学生清晰阐述上述各种解法的步骤和结果，深入分析其背后的物理意义和假设条件[3].接下来，教师可以组织学生进行小组讨论，引导学生就各种解法的合理性、简洁性、适用范围等方面展开辩论，通过相互质疑、反驳和补充，不断完善自己的认识和理解.

2.4 鼓励提出创新方案，培养学生创新思维

创新思维是推动社会进步和科学发展的核心动力，其核心在于敢于突破常规，勇于尝试新路径，善于从不同角度审视问题.在碰撞问题的探索中，鼓励学生跳出既定框架，提出新的假设和解决方案，不仅能够加深学生对物理原理的理解，更能激发他们的创造力和想象力.以“两球一维非弹性碰撞”这一经典碰撞实验为例，常规实验方案主要是通过测量碰撞前后两球的速度变化验证理论.在常规方案的基础上，教师可以引导学生思考：如何改变实验条件（如球的材质、大小、初始速度等），探究材料属性对碰撞结果的影响？能否设计一种装置，使碰撞过程可视化，实时记录碰撞过程中的力、速度、加速度等物理量，进而更直观地理解能量转化的过程？

3 关于碰撞问题的模型建构

3.1 物理模型

物理模型可提取碰撞系统的关键特征，不仅可帮助学生简化复杂的物理现象，还可助学生更加精确地分析和预测碰撞过程中的各种动态变化，有效解决碰撞问题.在教学实践中，教师应根据碰撞问题的不同特性和教学目标，灵活构建多种物理模型.首先，质点模型是一种极为基础且广泛应用的模型，其忽略了物体的大小和形状，将其视为具有质量的点.这一模型在处理不涉及物体形状变化和内部应力分布的问题时尤为有效，如两个小球在光滑水平面上的正碰或斜碰.通过质点模型，学生能够直观地理解动量守恒定律在碰撞中的应用，以及碰撞前后的速度变化关系.其次，刚体模型是另一种重要的物理模型，其假设物体在碰撞过程中形状和大小保持不变，且内部各点间的相对位置不发生变化.这一模型适用于描述那些形变极小或可以忽略不计的碰撞过程，如金属块之间的撞击.刚体模型不仅保留了物体质量分布的信息，还可支持学生分析碰撞时的角动量守恒问题，进一步丰富了碰撞问题的研究维度.

3.2 数学模型

数学模型的核心在于运用动量守恒定律、能量守恒定律等物理规律，结合碰撞系统的初始条件，构建出能够反映碰撞过程动态变化的数学表达式.这无论是代数方程、微分方程还是其他形式的数学结构，都是学生求解碰撞问题的有效工具.在教学过程中，教师应根据碰撞问题的具体类型，引导学生构建相应的数学模型.例如，在处理一维弹性碰撞问题时，可以构建基于动量守恒和动能守恒的方程组，通过求解该方程组得到碰撞后物体的速度.对于更为复杂的碰撞问题，如涉及多物体、多维空间或非弹性碰撞的情况，数学模型的构建将更加复杂，但也更加有趣和富有挑战性.教师可以引导学生运用向量分析、微积分等高级数学工具，建立能够描述碰撞过程中物体位置、速度、加速度等物理量变化的数学模型，帮助学生解决碰撞实验中具体问题的同时，还能使学生深入理解物理现象的本质和规律[4].

3.3 拓展模型

建构拓展模型能够帮助学生应对复杂多变的碰撞场景，更加全面、深入地探索碰撞现象的本质，为解决碰撞实验中的典型问题提供更为丰富和有效的手段.首先，构建三维碰撞模型.在现实世界中，多数碰撞发生在三维空间中，因此，将碰撞问题拓展到三维空间，不仅使模型更加接近实际情况，还能揭示出更多在二维或一维模型中难以观察到的物理现象.教师应引导学生理解三维空间中的向量运算和动量守恒、角动量守恒等物理规律，构建出能够描述三维碰撞过程的数学模型，解决诸如球体间非正碰、旋转物体碰撞等复杂问题，提升学生对三维空间中物理现象的认知能力[5].其次，建构变质量系统.在某些碰撞过程中，系统的质量可能会发生变化，如爆炸、燃烧等过程导致的质量损失或增加，这类问题在航天、军事等领域具有重要应用价值.教师应引导学生分析变质量系统下的动量守恒和能量守恒关系，构建出能够描述变质量碰撞过程的模型，帮助学生理解质量变化对碰撞过程的影响.再次，构建微观粒子碰撞模型.微观粒子间的碰撞不仅遵循动量守恒和能量守恒等基本物理规律，还受到量子力学、相对论等高级物理理论的影响.教师应引导学生了解微观粒子碰撞的特点和规律，构建出能够描述微观粒子碰撞过程的模型，培养学生的现代物理思维.最后，建构现代技术应用模型.教师应引导学生掌握计算机技术、仿真技术、实验测量技术等现代技术手段的基本原理和应用方法，如利用计算机仿真软件进行碰撞模拟实验、利用高精度测量设备测量碰撞参数，以提高碰撞问题研究的效率和准确性.

4 结束语

综上所述，文章对高中物理中的碰撞类型及其典型问题进行了探讨与分析，并通过科学思维的培养与模型建构的策略，为学生和教师提供了有效的方法.

模型建构能够丰富学生的知识体系，并为学生提供有效的问题解决工具.未来，随着科学技术的不断发展和教学理念的不断变化，教师应该探索更多有效的教学策略，以进一步提升高中物理教学的质量和效果，为学生的全面发展提供有力的支撑.

参考文献：

［1］李恒林.深度研究碰撞过程培养科学思维能力[J].物理之友，2023，39（12）：11-14，18.

［2］ 陈卫国.立足模型建构彰显科学思维[J].数理化学习（高中版），2023（07）：45-46，51.

［3］ 胡壮丽.以“弹性碰撞和完全非弹性碰撞”为例谈提升高中生模型建构能力[J].物理教学探讨，2020，38（11）：40-44.

［4］ 余莉莉，连彬星.从问题情境出发培养高中物理科学思维能力：以“球槽模型”仿真实验为例[J].物理通报，2021（07）：63-66.

［5］ 高亚浩，袁财容.重构教材资源，促进学生科学思维发展：以“动量定理”为例[J].物理教学探讨，2019，37（11）：65-68.

［责任编辑：李 璟］