第一章 动量守恒定律 教学设计-2023-2024学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

第一章《动量守恒定律》单元教学设计 一、教材分析 本单元教学内容：本章共6节，大致可以划分为三个部分。 第一部分包括第1、2节，即“动量”“动量定理”，这部分内容侧重引导学生理解动量、冲量和动量定理，并能用其解释生产生活中的有关现象。 第二部分包括第3、4节，即“动量守恒定律”“实验:验证动量守恒定律”，这部分内容侧重介绍动量守恒定律的建立过程，并要求学生能用其解释生产生活中的有关现象。 第三部分包括第5、6节，即“弹性碰撞和非弹性碰撞”“反冲现象 火箭”，这部分内容介绍动量守恒定律的应用。 本单元内容的逻辑结构： 二、课程标准要求 1. 1.1理解冲量和动量。通过理论推导和实验，理解动量定理和动量守恒定律，能用其解释生产生活中的有关现象。知道动量守恒定律的普适性。 1.1.2通过实验，了解弹性碰撞和非弹性碰撞的特点。定量分析一维碰撞问题并能解释生产生活中的弹性碰撞和非弹性碰撞现象。 1.1.3体会用守恒定律分析物理问题的方法，体会自然界的和谐与统一。 三、学情分析 高中物理必修课程中力学、电学的内容为学生初步形成物质观、运动与相互作用观和能量观奠定了重要的基础。“动量守恒定律”这一章为学生进一步形成运动与相互作用观提供帮助。动量和动量守恒定律在高中物理教学中占据着非常重要的地位。 本章结构设计与以往教材相比有所调整，在强调知识传授的同时，还要体现科学探究精神，强调物理学中的“守恒思想”。 四、单元教学目标 内容目标：1.会用动量定理解释碰撞、缓冲等生活中的现象。2.了解验证动量守恒定律的基本思路和实验方法 3.会用动量、能量的观点综合分析、解决碰撞问题 4.掌握应用动量守恒定律解决反冲运动问题的方法5.理解动量守恒定律的内容及表达式，理解其守恒的条件，了解动量守恒定律的普遍意义，会用动量守恒定律解决实际问题。 学业目标：知道动量和冲量，会用动量定理。能从理论推导和实验验证的角度，理解动量守恒定律，深化对物体之间相互作用规律的理解。能用动量和机械能的知识分析和解释机械运动现象，解决一维碰撞问题。 五、单元核心素养 物理观念：动量守恒定律是物理学中的重要定律，它反映了物质世界中的普遍规律。动量守恒定律的普适性，为学生深层次认识自然界的和谐与统一提供了很好的例证，为解决力学问题开辟了新的途径。教科书通过寻找碰撞中不变量的过程建立动量的概念，以强化对动量概念的理解，注重守恒观念的落实。注意引导学生从系统的视角研究物理问题，突出动量知识的应用，帮助学生进一步认识运动与相互作用。 科学思维：抽象与概括（科学方法 栏目） 在动量概念的建立过程中，物理学家研究了各种各样的碰撞现象，寻找物 理量来揭示运动的本质。通过抽象、概括等方法提出了动量的概念，并通过 动量守恒定律建立了自然界的相互联系。 为了揭示事物的本质和规律，往往需要根据研究对象和问题的特点，从研 究的目的出发，忽略个别的、非本质的属性，抽取共同的、本质的属性进行 研究，这是一种抽象的思维方法。把事物共同的、本质的属性提炼出来，从而推广到同类事物上去，找到事物的共同属性，这是一种概括的思维方法。 科学探究：教材基于生活中的碰撞现象，以“寻求碰撞中的不变量”为线索，先通过两个完全相同钢球的对心碰撞实验演示，让学生对碰撞中的 不变量提出猜想。为了判断猜想是否正确，通过实验条件的改变， 再进行两个质量不相同的小球的对心碰撞。当猜想又被否定之后， 再设计新的实验方案进行研究。通过从定性到定量的多轮“问题→ 猜想→实验方案设计→证据搜集→数据分析→得出结论”的科学探 究过程，逐步达到对“不变量”的正确认识。 科学态度与责任：教科书通过提供真实的碰撞数据，并安排了学生实验，让学生通过实验， 搜集数据并进行分析得出结论，培养学生严谨认真，事实求是的态度。编排了 “历史上关于运动量度的争论”等，以加深对科学本质的认识。 “STSE”栏目中的“汽车碰撞试验”则引导学生关注安全问题，能运用动 量守恒定律解释生产生活中的有关现象，增强社会责任感。三级火箭等介 绍则集中反映了科学态度与责任的核心素养培养，以激励学生逐渐形成探索自然的内在动力，培养民族自豪感。 六、单元重、难点 本单元教学重点：动量 冲量概念，动量定理理解运用。动量守恒定律的理解运用。 本单元教学难点：动量定理处理流体问题。综合运用动量守恒处理碰撞、反冲、火箭发射等综合性问题。 七、水平等级 等级一 能用动量的视角描述物体运动状态的变化，知道动量的变化量的描述和表达。 等级二 能根据动量定理解释运动中的缓冲现象，运用动量守恒定律处理碰撞、打击和爆炸中的运动问题。初步构建大动力观念。 等级三 能对常见的生活生产、体育交通中的动量问题进行分析推理，过程中提出质疑，养成科学思维的严谨性和科学探究意识。 八、单元课时规划 第1节 动量 1学时 第2节 动量定理 2学时 第3节 动量守恒定律 2学时 第4节 实验：验证动量守恒定律 2学时 第5节 弹性碰撞和非弹性碰撞 1学时 第6节 反冲现象 火箭 1学时 备课人 夏至欣 学科 物理 课题 1.1 动量 教材 分析 本节内容包括寻求碰撞中的不变量、动量两部分。本节教材以“寻求碰撞中的不变量”为线索，通过演示两个完全相同钢球的对心碰撞，让学生对碰撞中的不变量提出猜想。为了判断猜想是否正确，改变实验条件，再进行两个质量不同、大小相同的钢球的对心碰撞。当猜想被否定之后，再设计新的实验方案进行研究。通过从特殊到一般，从定性到定量的多轮“问题——猜想——实验方案设计——证据收集——得出结论”的科学探究过程，逐步达到对不变量的正确认识。教材的这一编写思想体现了科学探究的基本方法与严谨求真的科学态度。教学时需要引导学生充分经历和体验这一探究过程。 学情 分析 学生在过往学习中，学习了质量、速度、动能等概念，并能正确理解这些概念和规律，学习了矢量及其运算法则，这些为学生寻求碰撞中的不变量提供了扎实的基础，有利于学生理解动量及动量变化这些新概念。实验操作技能方面能够根据示范和提示正确使用相关器材和计算机软件等，并掌握了一定的数据分析方法。另外，学生对“ 守恒 ”这一重要的物理思想已经有了初步认识，对生活中碰撞现象也有了一定的感性体验。这些都为本节课的教学奠定了基础。 教学 目标 1.物理观念：理解动量的概念及其矢量性，理解动量的变化，并要求学会动量变化量的求解。 2.科学思维：能从引导探索的形式理解动量的概念和意义，培养学生思考分析能力。 3.科学探究：通过对寻找碰撞前后守恒量的探究过程，尝试用科学探究的方法研究物理问题，认识物理模型工具在物理学中的应用。 4.科学态度与责任：有将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探索日常生活有关的物理问题 教学重难点 教学重点： 通过实验寻求碰撞中的不变量，建立动量的概念 教学难点： 分析实验现象和实验数据寻求碰撞中的不变量 教学过程 教学 环节 教师活动 学生活动 设计意图 新课 导入 碰撞是日常生活、生产活动中常见的一种现象。那么，这些看似不同的碰撞现象背后是否隐藏着相同的物理规律呢？ 特点：碰撞时间极端，碰撞时物体间的力急剧变化，力随时间变化的规律未知。 观看台球碰撞视频 引导学生思考碰撞过程中，碰撞现象有何特点？ 新课 学习 新课 学习 新课 学习 巩固 练习 我们只研究最简单的情况——两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿同一直线运动。这种碰撞叫做一维碰撞。 问题探究：寻求碰撞中的不变量 探究1：用两根长度相同的线绳，分别悬挂两个完全相同的钢球A、B，且两球并排放置。拉起A球，然后放开，该球与静止的B球发生碰撞。 实验现象：可以看到，碰撞后A球停止运动而静止，B球开始运动，最终摆到和A拉起时同样的高度。 探究2：体积相同、质量不同的B球、C球（mC>mB）。用手拉起C球至某一高度后放开，撞击静止的B球，观察撞击后B球摆起的最大高度。此实验中，两球碰撞前后的速度之和相等吗？ 碰撞后，B球获得较大的速度，摆起的最大高度大于C球被拉起的高度。 对比两次碰撞的结果发现，碰撞效果与速度和质量有关，这其中是否存在一个不变的量呢？下面我们通过实验数据来研究上述问题。 探究3：如图， 两辆小车都放在滑轨上，用一辆运动的小车碰撞一辆静止的小车，碰撞后两辆小车粘在一起运动。小车的速度用滑轨上的光电计时器测量。 使用天平测量出两小车的质量，并利用光电门传感器测量出两小车的碰撞前、后的速度。 下表中的数据是某次实验时采集的。其中，m1是运动小车的质量，m2是静止小车的质量 ；v是运动小车碰撞前的速度，v′是碰撞后两辆小车的共同速度。 根据表中的数据，计算两辆小车碰撞前后的动能，比较此实验中两辆小车碰撞前后动能之和是否不变。再计算两辆小车碰撞前后质量与速度的乘积，比较两辆小车碰撞前后质量与速度的乘积之和是否不变。 动量 1.定义：在物理学中，把物体的质量 m和速度v的乘积叫做物体的动量p，用公式表示为p=mv 2.单位：千克米每秒(kg•m/s) 3.三性： (1) 矢量性:方向由速度方向决定，与该时刻的速度方向相同 (2) 瞬时性:是状态量，与某一时刻相对应 (3) 相对性:物体的动量与参考系的选择有关，中学阶段常以地球为参考系 4.动量的变化（Δp） (1) 定义：物体的末动量与初动量的矢量差叫做物体动量的变化； (2) 表达式：Δp = mΔv ①动量的变化等于末状态动量减初状态的动量，其方向与Δv的方向相同：（在同一直线上的问题采用代数运算） ②动量的变化也叫动量的增量或动量的改变量。 ③动量发生变化的三种情况：速度大小改变方向不变、速度大小不变方向改变、速度大小和方向都改变。 不在同一条直线上的动量变化的运算，遵循平行四边形定则 试讨论以下几种运动的动量变化情况： ①物体做匀速直线运动动量大小、方向均不变 ②物体做自由落体运动动量方向不变，大小随时间推移而增大 ③物体做平抛运动动量方向时刻改变，大小随时间推移而增大 ④物体做匀速圆周运动动量方向时刻改变，大小不变 5.动量和动能的比较。 典例剖析 【例1】某同学利用气垫导轨做探究碰撞中的不变量的实验，气垫导轨装置如图所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成。 (1)下面是实验的主要步骤。 ①安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平。 ②向气垫导轨通入压缩空气。 ③接通数字计时器。 ④把滑块2静止放在气垫导轨的中间。 ⑤滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳。 ⑥释放滑块1，滑块1通过光电门1后与左侧固定弹簧的滑块2碰撞，碰后滑块1和滑块2依次通过光电门2，两滑块通过光电门后依次被制动。 ⑦读出滑块通过两个光电门的挡光时间，滑块1通过光电门1的挡光时间Δt1=10.01 ms，通过光电门2的挡光时间Δt2=49.99 ms，滑块2通过光电门2的挡光时间Δt3=8.35 ms。 ⑧测出挡光片的宽度d=5 mm，测得滑块1的质量为m1=300 g，滑块2(包括弹簧)质量为m2=200 g。 (2)数据处理与实验结论。 ①实验中气垫导轨的作用：A.　 ；  B. 　。  ②碰撞前滑块1的速度v1为 　　m/s；碰撞后滑块1的速度v2为 　　 m/s；滑块2的速度v3为 　　 m/s (结果保留两位有效数字)。  ③在误差允许的范围内，通过本实验，同学们可以探究出哪些物理量是不变的?通过对实验数据的分析说明理由。(至少回答2个不变量) a. 　　　　　　　； 　　　　　　。  b. 　　　　　　　； 　　　　　　。 【例2】 羽毛球是速度最快的球类运动之一，运动员扣杀羽毛球的速度可达到342 km/h。假设球飞来的速度为90 km/h，运动员将球以342 km/h的速度反向击回。设羽毛球质量为5 g，击球过程只用了0.05 s。求： (1)运动员击球过程中羽毛球的动量变化量； (2)运动员击球过程中羽毛球的动能变化量。 积极参与到课堂中来，观察实验现象。 思考并总结实验现象。 发现被碰球上升的高度与碰撞球的质量和碰前速度有关。 观看演示视频，学生思考讨论并在教师的引导下探究碰撞中不变的量。 认识一个新的物理量—动量。学习动量的计算公式和单位，明白动量是矢量。 理解动量的变化量Δp等于物体的动量与出动量的矢量差，即： Δp=mΔv 动量的变化量也是矢量。 比较动量和动能，得出区别和联系。 学生练习 两物体发生碰撞，碰撞前与碰撞后物体速度之和一般不等。 碰撞后物体的速度与物体质量有关系，碰撞过程中的守恒量与速度、质量两个物理量均有关系。 猜想1：两个物体碰撞前后动能之和不变，所以质量小的球速度大； 猜想2：两个物体碰撞前后速度与质量的乘积之和可能是不变的…… 也许还有…… 引导学生从此实验中两辆小车碰撞前后，动能之和并不相等，但质量与速度的乘积之和却基本不变。 提出结论：对于发生碰撞的两个物体来说，它们的mv之和在碰撞前后可能是不变的。 归纳总结动量相关内容，重点是动量的变化量，为下一节动量定理打好基础。 加深对动量变化量的理解。 为后面碰撞过程中动量和能量的关系做好准备。 巩固本节所学内容。 课堂 小结 板书设计参考课堂小结 课后 作业 优佳学案：学以致用1、2，随堂训练1-5 教学 反思 备课人 夏至欣 学科 物理 课题 1.2 动量定理 教材 分析 教材通过物体在恒力作用下做匀变速直线运动这一特例， 运用演绎方法推导出动 量定理。动量定理不仅适用于恒力情况， 而且适用于变力情况， 正因为适用于变力情况， 它才有广泛的应用。不过，因其理论推导较难，在中学阶段不宜要求过高，教材用积 分的思想（在物理必修课程中曾有所渗透）进行了定性的说明。这样可以开阔学生的 思路，便于他们自觉地运用所学知识来处理问题。在变力的情况下，动量定理公式中的作用力应理解为变力在作用时间内的平均值。 学情 分析 1.学生刚刚接触了动量的概念，此时为其提供相关的生活实例，能够激发学生强烈 的好奇心和求知欲。学生渴望通过学习、应用物理知识，来解释、解决生活中的现象和问题，从而收获成就感和满足感。 2.学生已经掌握了力、加速度、动量、牛顿第二定律等知识基础，具有一定的分析推理能力，能够通过简单的建模来解决问题。但面对复杂情境，学生还是有较大的困难。 3.动量定理具有矢量性，使用过程各物理量方向需要进行统一的规定，这与学生原有的习惯略有不同，给学生运用动量定理解决问题带来困难。 教学 目标 1.物理观念：通过创设情境引导学生经历冲量和动量概念的形成过程， 理解冲量、动量和动量变化量等概念；通过对动量定理的学习，进一步发展学生的运动与相互作用观。理解动量以及动量的变化，会计算一维问题中的动量变化；理解冲量概念，理解动量定理及其表达式；理解动量与动能，动量定理与动能定理的区别。 2.科学思维：会用动量定理解释有关现象和处理有关的问题。 3.科学探究：通过对动量定理的探究过程，尝试用科学探究的方法研究物理问题，认识物理模型工具在物理学的作用。 4.科学态度与责任：有参与科技活动的热情，有从生活到物理，从物理到生活的意识。 教学重难点 教学重点： 动量定理的推理和运用动量定理解决问题 教学难点： 动量定理的矢量性量、应用动量定理分析流体问题（平行班不要求） 教学过程 教学 环节 教师活动 学生活动 设计意图 新课 导入 问题：分别以等大的速度快速传球，第一次手臂收缩回旋接球，第二次尽量保持手臂伸直接球，为什么第二次明显感觉作用力更大？ 引导学生进行“篮球”的传递体验活动；引导学生举例说一说生活中的类似的现象。 总结缓冲的普遍性 学生代表进行篮球传递体验；观察接球过程中手臂的动作，以及说一说为什么要有回旋收缩的动作。 举例说明生活中类似的活动。 通过“传球”体验，增强课堂兴趣性，同时为本节“动量定理”概念 的理解埋下伏笔；通过学生举例生活中的缓冲现象，让学生意识感受 到物理来源于生活。 新课 学习 新课 学习 新课 学习 新课 学习 活动一：理论探究，建立冲量概念 理论探究：一个质量为m的物理在光滑的水平面受到力F的作用， 做匀变速直线运动。 在初始时刻的速度为v，经过一段时间t，它的速度为v′。求解物体所受恒力的大小。 引导学生分析构建的模型物体的 受力、以及所做的运动；引导学生独立推导，并展示推导成果。 上节课，我们学习了动量这一概念，通过此式分析动量变化的原因是什么？ 引导学生分析Ft的作用效果以及表示意义，提出冲量的概念；引导学生研读课本了解冲量的定理、表示、单位以及标矢性。引导学生联想“功”，比较冲量与其得相似性，让学生理解冲量是一个过程量。 结论：FΔt=Δp 等式的右边是物体在∆t这段时间内动量的变化量， 左边既与力的大小、方向有关，又与力的作用时间有关。F∆t这个物理量反映了力的作用对时间的累积效应。 FΔt叫冲量，它的单位是N·s， 物理意义：描述了力的时间累积，是过程量。 【例1】 如图所示，质量为2 kg的物体沿倾角为30°、高为5 m的光滑斜面由静止从顶端下滑到底端，g取10 m/s2。 (1)求重力的冲量。 (2)求支持力的冲量。 (3)求合力的冲量。 活动二：演绎推理，建立动量定理 教师解释： 有了冲量这一概念，就可以把刚才的式子可以怎样简化为FΔt= Δp。 动量定理：力在一个过程中的冲量等于这个过程中动量的变化量。 问题1：刚才的例题1中，物体在竖直方向上的支持力没有冲量，垂直斜面方向上的动量有没有变化？ 教师解释： 结论：两个力的冲量等大反向，相互抵消；这说明冲量也是矢量，同时I合= Δp中I应该是合外力的冲量。 问题2：刚才我们得到的动量定理是物体所受恒力作用时推导的，当物体受到的是变力，那么动量定理还是用吗？ 教师解释： 1.使用微元法，把实际过程细分为很多短暂过程，每个短暂过程中物体所受的力没有很大变化，这样对于每个短暂过程就能够应用了，把应用于每个短暂过程的关系式相加，就得到整个过程的动量定理。F应该理解为变力在作用时间内的平均值。 2.F-t图像与t轴围成的面积表示冲量。 演示：分别将纸袋水平放到黑板擦的下面， 第一次快速抽出，第二次缓慢冲出，引导学生观察很板擦动量的变化。 【例2】一个质量为0.18 kg 的垒球，以25 m/s的水平速度飞向球棒，被球棒击打后，反向水平飞回，速度的大小为45 m/s（图1.2-4）。若球棒与垒球的作用时间为0.002 s，球棒对垒球的平均作用力是多大? 引导学生构建模型，分析垒球被球棒击打过程中的受力，写出击打前后的动量以及击打过程中合外力的冲量，借助动量定理，最终写出平均作用力的表达式。 【例3】一质量为4 kg的物块从静止开始沿直线运动。F为其所受的合力，F随时间t变化的图线如图所示，下列说法正确的是(　　) A.2 s时物块的速率为4 m/s B.2 s时物块的动量大小为1 kg·m/s C.4 s时物块的动量大小为2 kg·m/s D.4 s时物块的速度为零 活动三：应用动量定理分析流体问题（平行班不要求） 某台风登陆时的风速为v，某高层建筑顶部广告牌的面积为S，空气密度为ρ，吹到广告牌上的空气速度瞬间减为0。 探究1：台风在时间t内吹到广告牌上的空气质量为多少? 探究2：广告牌受到的力是多大? 教师适当提示，引导学生讨论。 【例4】 我国自主研发制造的世界上最大的海上风电机SL5000，它的机舱上可以起降直升机，它的叶片直径128 m，风轮高度超过40层楼，是世界风电制造业的一个奇迹。风速为12 m/s时发电机满载发电，风通过发电机后速度减为11 m/s，已知空气的密度为1.3 kg/m3，则风受到的平均阻力约为(　　) A.4.0×104 N B.2.0×105 N C.2.2×106 N D.4.4×106 N 分析恒力作用下物体的受力和运动，联想牛顿运动与运动学公式将力与运动连接起来； 独立推导并展示恒力作用下物体受力与动量变化的关系。 学生独立完成 学生分析FΔt的作用效果以及表示意义，提出冲量的概念；学生研读课本了解冲量的定理、表示、单位以及标矢性。学生联想“功”， 比较冲量与其得相似性，理解冲量是一个过程量。 回顾必修阶段研究匀变速直线运动位移的时候，得出一段时间内速度与时间轴包围的面积就表示这段时间内的位移，我们当时是如何分析论证的？ 观察实验，积极思考快速拉和 慢速拉可能出现的现象与动量定理是否吻合。 思考与讨论，规定好正方向，明确击打过程的动量大小及方向，合外力的构成及方向（重力要不要考虑？）；借助动量定理，得出平均作用力的表达式。 学生独立完成 分组思考与讨论 学生独立完成 构建简单的恒力模型， 触发学生思考力与运动 的关系，深化学生运动 与相互作用观念；独立 推导恒力作用下物体受 力与动量变化的关系， 增强学生科学探究信 心， 提升科学推理能力。 进一步理解冲量的计算 通过引导学生分析思考左右两边所表示的含义，总结动量定理的内容，培养学生分析论证、归纳总结的能力。 通过演示实验，增强学生理论联系实际的意识；培养学生创设实验进行科学论证的科学探究意识。 通过问题的驱动，培养学生建模意识，进一步深化学生运动与相互作用 的物理观念；通过问题链，促进学生掌握利用动量定理解决问题的基 本步骤，突破矢量运算的教学难点。 进一步理解F-t图像“面积”的含义 突破动量定理的应用难点 进一步理解应用动量定理分析流体问题 课堂 小结 板书设计参考课堂小结 课后 作业 优佳学案：学以致用1、2、3，随堂训练1-6 应用动量定理分析流体问题（平行班不要求） 教学 反思 学科网（北京）股份有限公司 $$