1.2 “动量定理”——验证动量定理 教学设计 -2024-2025学年高二上学期物理教科版（2019）选择性必修第一册

教科版高中《物理》教材选择性必修第一册第一章第二节“动量定理”——验证动量定理 一、实验基本信息 （一）教材分析 1.教材版本 本节内容选自教育科学出版社普通高中《物理》教材选择性必修第一册第一章第二节“动量定理”，使用年级：高一年级第二学期；课时：第二课时。 2.教材定位 教材第一节通过探究碰撞过程中的守恒量引出了“动量”的概念，本节内容通过在恒力作用下物体的运动进行理论推导（见图1）建立冲量的概念以及动量定理，设计“讨论交流”环节（见图2）将推导结论延伸至变力，本实验设计思路正是分别验证在恒力和变力作用下合外力的冲量与动量变化量的关系，不仅丰富了教材内容，也是学生理解和掌握动量定理及其应用的关键环节，同时为理解动量守恒的奠定基础，也是解决物理问题的重要工具，起到承上启下的重要作用。 图1 理论推导 图2 讨论交流 （二）学情分析 本节内容授课对象为高一年级学生，学生对动力学、能量已有较好的认识和掌握，同时具备一定的数学知识，这有助于学生对冲量、动量定理等知识的建构和理解。同时高一年级学生好奇心强，具有较强的质疑和探索精神，这为本实验提供了保障。但动量、冲量、动量定理的矢量性，学生实验操作能力不强，也会给教学过程带来一定的困难。 综上所述，验证动量定理的实验在高中物理教材中具有重要的地位，它不仅帮助学生深入理解动量定理，为后续学习动量守恒定理奠定实验基础，而且通过实验操作和问题解决，培养学生的质疑能力、科学探究能力和综合素养。 2、 实验原理与设计思路 （1） 实验原理 动量定理：I=ΔP，即物体运动过程中合外力的冲量等于该过程物理动量变化量。 （二）实验设计思路 构建一个运动过程，测量出该过程中合外力的冲量与初、末动量，从而验证动量定理。为了实验结论的普遍性，实验分别设计了在恒力和变力作用下的运动过程。 1.验证恒力作用下的动量定理 利用教材的理论推导公式Ft=mv2-mv1 ，在水平气垫导轨上，滑块在重物的拉动下做匀变速直线运动（见图3），依次通过两个光电门。利用力传感器测量出恒力F，光电门传感器测量两次速度v1、v2以及时间间隔t，比较Ft与mv2-mv1 ，即可验证了在恒力力作用下动量定理是否成立。 图3 验证恒力作用下的动量定理装置图 2.改进：验证变力作用下的动量定理 水平气垫轨道上，在滑块的前端装上弹簧圈，当它运动到另一端时与固定的力传感器相碰（见图4），力传感器能实时记录F的大小，由于力F的大小是不断变化的，所以计算机能画出力F与时间t关系的曲线。利用计算机图形、数据处理能力求出该曲线与时间轴所围成的面积，该值即为碰撞这一过程中力F的冲量I的大小，通过光电门传感器，我们可以测出小车在碰撞前后的速度大小，即可算出前后的动量变化ΔP。比较I与ΔP的大小，即可验证了在变力作用下动量定理是否成立。 图4 验证变力作用下的动量定理装置图 3、 实验创新点 教育部《关于加强和改进中小学实验教学的意见》（教基〔2019〕16号）对实验教学拓展创新提出 “不断将科技前沿知识和最新技术成果融入实验教学，丰富内容，改进方式” 的要求，引入到实验教学中的新教育装备，如：大数据、云计算、物联网、人工智能，虚拟现实、生物技术、新材料技术、新能源技术。基于此，本实验充分利用新教育装备来丰富了教学内容、改进了实验方式、简化了实验操作、提高了实验精准度。主要体现在： （一）实验设计的创新 实验设计基于“恒力”作用下的实验验证，改进至利用新教育装备传感器、计算机等完成“变力”作用下的动量定理的验证，不仅丰富了教学内容，提高了课堂效率，还为为学生建立更完善的知识体系。 （二）实验器材的创新 1.利用力传感器实时记录碰撞过程中的力F的大小，提高了实验数据的准确性和可靠性，并通过计算机绘制出F −t曲线。这种方法能够精确地捕捉到碰撞过程中力的变化，为后续的冲量计算提供了准确的数据基础。 2.通过计算机图形、数据处理技术，能够方便地求出F−t曲线与时间轴所围成的面积，即碰撞过程中力F的冲量I的大小。这种方法避免了传统方法中繁琐的积分计算，提高了实验效率和准确性。 3.结合光电门传感器，能够测量小车在碰撞前后的速度大小，从而计算出前后的动量变化ΔP。这种方法能够确保动量变化的测量精度，为验证动量定理提供了可靠的数据支持。 相对比传统实验器材，新教育装备让实验过程更加直观、简洁、生动，能够清晰地展示实验结果，不仅便于学生理解和掌握本节知识内容，也极大地激发学生对新教育装备得探索热情，从而培养学生得探索精神。 4、 实验器材 Lab Studio系统软件， LABPORT数据采集器，力传感器，光电门传感器，气垫轨道，挡光片，小车，小桶，天平，、铁架台，计算机。 5、 实验教学目标 证动量定理的实验教学目标旨在培养学生物理核心素养，主要体现在以下方面： （一）物理观念 在实验过程中，学生观察实验现象，可以直观地理解动量、动量变化和冲量等基本概念；分析实验结论，学生能够提炼出动量定理的基本概念，理解动量定理中力与力作用时间的乘积（冲量）与动量变化量之间的定量关系，从而加深对动量定理的理解，形成关于动量、力、时间等基本物理量的正确认识。 （二）科学思维 提出质疑：教材已进行理论推导恒力作用下的动量定理，引导学生提出质疑，在变力作用下动量定理是否成立，从而引发学生大胆猜想，构建模型进行验证，培养学生的质疑精神和严谨的科学探究思维。 模型简化：在实验中，从验证恒力作用的动量定理，到验证变力作用下的动量定理，引导学生学生构建运动过程，将运动过程限制在一维，设计简单的匀变速运动和碰后的反向运动，将复杂的碰撞情景简化为简单的物理模型，这有助于培养其科学思维方法。 推理能力：实验数据的测量和处理需要学生充分利用计算机的图形、计算处理能力，学生自主设计实验表格，编写Excel计算函数，对实验结果进行分析，能够锻炼自己的逻辑推理能力。 创新思维：本节教学设计中从“恒力”改进到“变力”，逐步引导学生大胆质疑、猜想，鼓励学生提出假设并进行验证，从而培养其创新思维和批判性思维。 （三）科学探究 设计实验方案：教师通过引导学生理解教材的理论推导内容，回顾到探究加速度与力、质量的实验装置，学生以此为基础，设计本实验的实验方案，包括实验目的、实验步骤、数据测量、数据处理等，充分利用了新教育装备，这一过程能够培养学生的实验设计能力和创新思维。 进行实验操作：在实验过程中，学生以小组形式需要按照实验方案进行操作，记录实验数据。这一过程能够培养学生的实验操作能力和实验技能。 分析实验结果：学生需要对实验数据进行分析和处理，得出实验结论。这一过程能够培养学生的数据处理能力和科学分析能力。 强化合作交流：实验中的小组讨论和心得分享，有助于培养学生的合作精神和交流表达能力。 （四）科学态度与责任 严谨认真：在实验过程中，学生需要保持严谨认真的态度，按照实验方案进行操作，记录实验数据。这有助于培养学生的科学态度和实验精神。 实事求是：学生需要实事求是地记录实验数据，不得篡改或伪造数据。这有助于培养学生的诚实守信的品质和科学道德。 遵守规范：学生需要遵守实验室的规章制度和安全规范，确保实验过程的安全和顺利进行。这有助于培养学生的安全意识和责任感。 综上所述，验证动量定理的实验可以通过培养学生的物理观念、科学思维、科学探究能力以及科学态度与责任等方面来全面提升学生的物理核心素养。 六、教学过程 依据教材、学情分析，结合实验设计思路和教学目标，本节教学过程主要分为五个环节（见图5） 实验方案设计（5min） 根据Ft=mv2-mv1 ，引导学生设计实验 分组实验（9min） 学生分组实验验证恒力作用下动量定理 实验数据处理与分析（6min） 学生处理实验数据并分析实验结论 实验改进（12min） 对实验进行改进，验证变力作用下动量定理是否成立 交流与评价（8min） 分析交流实验误差，分享实验收获和实验心得心得 图5 教学环节 （一）实验方案设计（5min） 回顾动量、冲量以及动量定理Ft=mv2-mv1 ， 问题1：思考构建一个怎样的物体运动过程？ 学生：因为冲量I=Ft，最好构建一个匀加速直线运动过程。 问题2：需要测量哪些物理量？这些物理量可以用什么仪器测量？ 学生：力（弹簧测力计、力传感器），时间（秒表），质量（天平）、速度（打点计时器、光电门传感器） 问题3：同学们回忆一下，这些物理量我们在哪个实验中也进行过测量？ 学生：探究加速度与质量、力的关系实验中（见图6） 图6 探究探究加速度与质量、力的关系 问题4：如果我们采用该实验装置来验证动量定理，还需要测量什么物理什么物理量？ 学生：滑块通过两个光电门的时间间隔t 教师：非常好，其实光电门传感器不仅可以记录挡光时间，还可以记录两次挡光的时间间隔t，有了该物理量，我们就可以选择滑块依次通过两个光电门的过程来完成验证恒力作用下的动量定理。 （二）分组实验（9min） 1.按照图3安装实验器材，将两个光电门传感器固定在气垫导轨上，力传感器用铁架台固定，并分别接入数据采集器。用天平测量出滑块（含挡光片）的质量，滑块用细线通过定滑轮、动滑轮与力传感器连接，下面挂上重物。 2.打开Lab Studio系统软件，在实验设置中选择“数据采集”设置光电门传感器参数（见图7）。 图7 实验设置 3.在记录图表中增加实验所需的物理量（见图8） 图8 Lab Studio系统软件 4.点击“开始采集”释放滑块，让滑块在重物拉力作用下做匀加速的直线运动，并依次经过两个光电门传感器，系统会自动记录所需实验数据。 5.将测量数据填入“验证动量定理（恒力）数据处理表”（见图9）中，表格公式会自动计算出动量变化量与合外力的冲量。 图9 验证动量定理（恒力）数据处理表 6.学生分组实验（见图10）。为了得到多组数据，每一组实验所用重物的质量，两个光电门的间距都不相同。 图10 学生实验过程 （三）实验数据处理与分析（6min） 1.展示学生采集的数据以及实验实验结论（见图11） 图11 学生实验结论 2.学生自主分析实验结论（见图12） 图12 学生分析实验结论 （四）实验改进（12min） 教师：同学们刚刚的实验的完成得非常好。我们成功验证了动量定理，但我们的实验实在恒力作用的基础上完成的，如果滑块受到变力作用，同学们猜测动量定理还成立吗？ 学生：应该还成立。 教师：能说明以下你的猜想的依据吗？ 学生：如果物体受到的是变力作用，那我们可以把研究的过程细分为无数个极短时间的过程，每一个极短时间的过程，都可以看成恒力作用，那么累加起来，动量定理应该还是成立的。 教师：回答的很好。那我们就重新改进实验，来完成验证变力作用下的动量定理。 1.按照图4安装实验器材，将单个光电门传感器固定在气垫导轨上，力传感器固定在气垫导轨一端，并分别接入数据采集器。用天平测量出滑块（含挡光片）的质量。 2.打开Lab Studio系统软件，在实验设置中选择“数据采集”设置光电门传感器参数，采样频率设置为1000点/秒（见图13）。 图13 实验设置 3.在记录图表中增加实验所需的物理量，并输入正确的公式 4.学生实验（见图14），点击“开始采集”轻推滑块，使其经过光电门后与固定的力传感器发生碰撞，然后再次经过光电门传感器，系统会自动绘出力与时间的图像以及挡光时间（见图15）。 图14 学生实验 图15 学生处理实验数据 5.利用软件工具计算出F-t图像的面积，再通过“验证动量定理（变力）数据处理表”算出前后的动量变化ΔP。比较I与ΔP的大小，分析实验结论（见图16）。 图16 实验结论 （五）交流与评价（8min） 教师：同学们，我们发现在变力的作用下，动量定理仍然是成立的。但在实验中我们也发现合外力的冲量与动量变化量不是完全相等的，这是为什么呢？ 学生：存在误差。 教师：那同学们能分析一下我们这两个实验的误差吗？ （学生进行误差分析） 教师：今天，我们共同进行了验证动量定理的实验。这个实验不仅是一个简单的物理实践活动，更是你们学习旅程中一次宝贵的经历，它不仅加深了你们对物理概念的理解，还锻炼了实验技能、解决问题的能力、团队协作和沟通能力。通过这次实验，你们学会了如何应用知识、如何面对挑战，并培养了科学探索的兴趣。希望你们珍惜这次经验，持续保持对物理学的热情，未来在科学道路上取得更多成就！ 七、实验效果评价 （一）学生层面 知识掌握：通过实验，学生能够直观地观察到动量定理的实际应用，从而加深对动量定理的理解。实验过程中的操作、观察和数据分析，有助于学生掌握动量定理的基本概念和计算方法。 实践能力：实验过程要求学生亲自动手操作，这有助于提高学生的动手能力和实践能力。学生在实验中遇到传感器无法显示数据，时间测量结果不合理，动量变化量与合外力冲量存在较大差异等问题时，需要主动思考、寻求解决方案，这有助于培养学生的问题解决能力。 学习兴趣：动量定理的实验往往具有趣味性和挑战性，同时新教育装备极大地吸引学生探究的欲望，能够激发学生的学习兴趣和好奇心，让学生体会到学习的乐趣和挑战，从而更加热爱学习。 团队协作：在实验中，需要同时至少两名同学完成实验器材得操作和计算机软件得操作，学生与同伴有效沟通，共同协作，这培养了学生的团队协作精神和沟通能力。 （二）教师层面 教学方法：新教育装备不仅为学生提供了更丰富的探究内容，也为我们教师提供了多元化的教学方法。教学过程中，“变力”作用下的实验设计充分利用了新教育装备，实验结果的图像够更直观地展示碰撞过程中的相互作用力，使教学内容更加生动有趣。 科研能力：通过本节实验教学，课堂实验器材的组装，新教育装备的调试，预设在实验过程中学生可能遇到的问题等，让笔者对动量定理相关的拓展实验或研究更加深刻，有效地提高教师的科研兴趣和科研能力。 教育理念：教师在实验教学过程中，需要不断更新自己的专业知识和技能，了解最新的教学方法和技术，促进自身的专业发展。在教学过程中注重培养学生的物理核心素养，不仅关注知识的传授，更重视能力的培养和价值的塑造。 （三）学校层面 教育质量：动量定理的实验是学校物理教育的重要组成部分，通过实验教学，学校能够提高学生的物理素养和实践能力，提升教育质量。 实验条件：学校需要提供良好的实验条件和设备，保障实验教学的顺利进行。同时，学校还需要加强对实验设备的维护和更新，确保实验设备的安全性和准确性。 教育资源：学校可以组织教师参加实验教学培训和研讨活动，提高教师的实验教学能力和水平。同时，学校还可以积极引进外部教育资源，为学生提供更丰富的实验学习机会。 第 1 页 共 11 页 学科网（北京）股份有限公司 $$