1.4 验证动量守恒定律 教学设计-2026-2027学年高二上学期物理人教版选择性必修第一册

《实验：验证动量守恒定律》教学设计 ——人教版（2019）高中物理选择性必修第一册 课时：2 课时（80 分钟）　课型：实验课 一、教材分析 本节是人教版（2019）高中物理选择性必修第一册第一章《动量守恒定律》的第4节，是在学生学习了动量和动量守恒定律之后，通过实验验证动量守恒定律的学生实验课。教材从动量守恒定律的适用条件出发，引导学生思考如何在实验中创造满足动量守恒的条件，然后给出两个参考案例：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒、研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒，让学生根据实际情况选择实验方案进行实验。 本节内容包括四部分：一是实验思路（一维碰撞、如何创造动量守恒条件），二是物理量的测量（质量用天平、速度用光电门/平抛运动等方法），三是数据分析（验证m1v1'+m2v2'=m1v1+m2v2），四是两个参考案例。教材强调实验方案的设计和实验数据的处理，培养学生的实验探究能力。 由于本节是实验课，需要学生动手操作，安排2课时教学。第1课时主要进行实验原理学习和实验方案设计，第2课时主要进行学生分组实验和数据处理。教学重点是实验方案的设计和实验数据的处理，教学难点是速度测量方法的选择和实验条件的控制。 二、学情分析 学生在前面已经学习了动量、动量定理和动量守恒定律，知道了动量守恒定律的内容和适用条件。学生在必修课程中已经使用过打点计时器、天平、刻度尺等基本实验器材，具备了一定的实验操作能力。学生在前面的学习中已经做过一些验证性实验，对实验的基本步骤和数据处理方法有一定的了解。 但学生在做本实验时可能会遇到以下困难：一是如何创造满足动量守恒的实验条件（减小摩擦力、使外力远小于内力），学生对近似守恒的条件理解不够深入；二是速度的测量方法，学生学过光电门、打点计时器、平抛运动等多种方法，但如何根据实验条件选择合适的测量方法是一个难点；三是实验条件的控制，如斜槽末端必须水平、入射小球每次从同一高度释放、两球半径相同等，学生操作时容易忽略；四是数据处理，如何将测量的物理量转化为动量并验证守恒，学生需要仔细计算。 因此，教学中要引导学生从动量守恒条件出发思考实验方案，理解为什么要这样做实验；要通过演示和讲解让学生掌握实验操作要点；要通过分组实验让学生亲自动手操作，培养实验技能。 三、教学目标（核心素养目标） （1）物理观念：理解验证动量守恒定律的实验原理和实验思路；知道一维碰撞的概念；掌握测量物体质量和速度的方法；能根据实验数据验证动量守恒定律。 （2）科学思维：能依据已有知识合理设计实验方案；能根据实验条件选择合适的速度测量方法；能对实验数据进行分析处理，得出实验结论；能对实验误差进行初步分析。 （3）科学探究：能正确使用气垫导轨、光电计时器、天平、刻度尺、斜槽等实验器材；能按照实验步骤进行规范操作；能设计实验数据记录表格；能根据实验数据验证动量守恒定律；能在合作中坚持观点又能修正错误。 （4）科学态度与责任：通过实验验证动量守恒定律，培养严谨求实的科学态度；通过分组实验培养合作交流的学习精神；通过了解不同实验方案的设计思路，体会科学探究的多样性。 四、教学重难点 教学重点：验证动量守恒定律的实验原理；气垫导轨实验和斜槽小球碰撞实验的操作要点；实验数据的处理和结论得出。 教学难点：实验条件的控制（如何创造近似满足动量守恒的条件）；速度测量方法的选择和原理理解；斜槽实验中将速度测量转化为水平位移测量的思路；实验误差的分析。 五、教学方法与教学准备 教学方法：实验探究法、讲授法与讨论法相结合、多媒体辅助教学法。 教学准备：多媒体课件（含实验装置图、操作视频、数据记录表格）；参考案例1器材：气垫导轨、光电计时器、两个滑块、天平、砝码；参考案例2器材：斜槽、两个大小相同质量不同的小球、天平、刻度尺、白纸、复写纸、重垂线、圆规；学生实验分组（4人一组）。 六、教学过程（第1课时，40 分钟） （一）新课引入（约 5 分钟） 教师提问：同学们，上节课我们学习了动量守恒定律，谁能说一说动量守恒定律的内容和适用条件是什么？ 学生回答：如果一个系统不受外力或所受外力矢量和为零，这个系统的总动量保持不变。适用条件是系统不受外力或所受外力矢量和为零。 教师引导：理论和推导告诉我们动量守恒定律是正确的，但物理是一门以实验为基础的科学，我们需要通过实验来验证这个结论。今天我们就来做一个实验——验证动量守恒定律。 （二）实验思路（约 10 分钟） 教师讲解：两个物体在发生碰撞时，作用时间很短，根据动量定理，它们的相互作用力很大。如果把这两个物体看作一个系统，那么虽然物体还受到重力、支持力、摩擦力、空气阻力等外力的作用，但是有些力的矢量和为零，有些力与系统内两物体的相互作用力相比很小。因此，在可以忽略这些外力的情况下，碰撞满足动量守恒定律的条件。 教师引导学生思考：我们研究最简单的情况——两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿这条直线运动，这种碰撞叫作一维碰撞。实验中应该尽量创造实验条件，使系统所受外力的矢量和近似为零。 教师提问：怎样才能让系统所受外力近似为零呢？ 学生讨论回答：用气垫导轨减小摩擦力；让物体在光滑水平面上运动；让碰撞的两个物体质量较大，使碰撞力远大于摩擦力。 教师引导：研究对象确定后，还需要明确需要测量哪些物理量。根据动量的定义，我们需要测量物体的质量m，以及两个物体发生碰撞前后各自的速度v1、v2、v1'、v2'。物体的质量可用天平直接测量。速度的测量可以有不同的方式，根据所选择的具体实验方案来确定。 教师强调：验证的表达式是m1v1'+m2v2'=m1v1+m2v2。 （三）参考案例1：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒（约 15 分钟） 教师展示图1.4-1：气垫导轨实验装置。 教师讲解：本案例中我们利用气垫导轨来减小摩擦力，利用光电计时器测量滑块碰撞前后的速度。实验装置如图所示，可以通过在滑块上添加已知质量的物块来改变碰撞物体的质量。 教师介绍实验中可以研究的三种情况：第一种，选取两个质量不同的滑块，在两个滑块相互碰撞的端面装上弹性碰撞架，滑块碰撞后随即分开；第二种，在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥，碰撞时撞针插入橡皮泥中，使两个滑块连成一体运动；第三种，在两个滑块间放置轻质弹簧，挤压两个滑块使弹簧压缩，用一根细线将两个滑块固定，烧断细线，弹簧弹开后落下，两个滑块由静止向相反方向运动。 教师演示气垫导轨的使用：调节导轨水平，接通气源，将滑块静置于导轨上，滑块基本保持静止说明导轨水平。教师介绍光电计时器的使用：光电门记录滑块上遮光条通过光电门的时间，滑块速度等于遮光条宽度除以遮光时间。 教师强调实验注意事项：碰撞前要让一个滑块静止或匀速运动；碰撞后要分别记录两个滑块的速度；如果碰撞后速度方向与原来相反，速度应取负值。 教师提问：如果物体碰撞后的方向与原来方向相反，应该怎样记录数据？ 学生回答：取正方向后，反向速度记为负值。 （四）参考案例2：研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒（约 8 分钟） 教师展示图1.4-5：斜槽小球碰撞实验装置。 教师讲解：本案例中我们研究两个小球在斜槽末端发生碰撞的情况。将斜槽固定在铁架台上，使槽的末端水平。让一个质量较大的小球（入射小球）从斜槽上滚下，跟放在斜槽末端的另一个大小相同、质量较小的小球（被碰小球）发生正碰。 教师讲解速度测量原理：两球碰撞前后瞬间的速度方向都是水平的，因此两球碰撞前后的速度可以利用平抛运动的知识求出。做平抛运动的小球落到地面，它们的下落高度相同，飞行时间也就相同，小球碰撞后的速度之比就等于它们落地时飞行的水平距离之比。 教师推导：设小球下落时间为t，入射小球初速度v1 = OP/t，碰撞后入射小球速度v1' = OM/t，被碰小球速度v2' = ON/t。代入动量守恒表达式m1v1 = m1v1' + m2v2'，两边消去t，得到m1·OP = m1·OM + m2·ON。 教师强调实验条件：斜槽末端必须水平（在水平槽上放小球，小球能保持静止说明槽口末端水平）；入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放；两球必须大小相同保证对心碰撞；入射小球质量要大于被碰小球（m1大于m2），防止入射小球反弹；小球的诸多落点要用圆规画尽可能小的圆把所有落点圈在里面，圆心即为平均落点。 （五）课堂小结与注意事项（约 2 分钟） 教师引导学生回顾：本节课我们学习了验证动量守恒定律的实验原理和两个参考案例。 实验思路是：一维碰撞，创造外力近似为零的条件，测量质量和碰撞前后速度，验证m1v1'+m2v2'=m1v1+m2v2。参考案例1是气垫导轨实验，用光电门测速度；参考案例2是斜槽小球碰撞实验，用平抛运动的水平位移代替速度。下节课我们将分组进行实验。 教师强调：请同学们课后预习实验步骤，下节课带好实验报告。 七、教学过程（第2课时，40 分钟） （一）实验原理回顾与器材准备（约 5 分钟） 教师提问：上节课我们学习了两个参考案例，请同学们回忆一下：气垫导轨实验中如何测量速度？斜槽实验中为什么可以用水平位移代替速度？ 学生回答：气垫导轨用光电门测遮光时间计算速度；斜槽实验中两球下落高度相同飞行时间相同，水平位移与速度成正比。 教师强调实验注意事项：气垫导轨要先调水平；斜槽末端要水平；入射小球每次从同一高度释放；两球半径相同；入射小球质量大于被碰小球；落点用最小圆法确定平均落点。 教师说明实验分组和任务：每组4人，先做气垫导轨实验，再做斜槽实验，将数据记录在实验报告上。 （二）学生分组实验（约 25 分钟） 学生分组进行实验，教师巡回指导。 第一部分：气垫导轨实验（约12分钟）。 步骤：第一，用天平测出两个滑块的质量m1和m2；第二，调节气垫导轨水平，接通气源；第三，将一个滑块放在两光电门之间静止，让另一个滑块从导轨一端滑过来与它碰撞，记录碰撞前运动滑块通过光电门的时间和碰撞后两个滑块分别通过光电门的时间；第四，改变滑块质量（加砝码）重复实验；第五，分别做弹性碰撞（弹性碰撞架）、完全非弹性碰撞（撞针橡皮泥）和弹簧弹开三种情况的实验。 教师巡回指导要点：检查导轨是否水平；指导学生正确读取光电门数据；提醒学生注意碰撞后滑块的运动方向，反向速度要取负值；提醒学生记录多组数据。 第二部分：斜槽小球碰撞实验（约13分钟）。 步骤：第一，用天平测出入射小球质量m1和被碰小球质量m2，确保m1大于m2；第二，安装实验装置，调整斜槽使末端水平，在水平地面上铺白纸和复写纸，记下重垂线所指位置O；第三，先不放被碰小球，让入射小球从斜槽某一高度处由静止释放，重复10次，用圆规画最小圆确定平均落点P；第四，把被碰小球放在斜槽末端，让入射小球从同一高度处由静止释放，使它们碰撞，重复10次，确定入射小球平均落点M和被碰小球平均落点N；第五，用刻度尺测量OP、OM、ON的长度。 教师巡回指导要点：检查斜槽末端是否水平；提醒入射小球每次从同一高度释放；检查两球是否大小相同发生正碰；指导学生用最小圆法确定落点；提醒学生测量OP、OM、ON时注意O点的位置（重垂线所指斜槽末端在地面的投影）。 （三）数据分析与结论（约 7 分钟） 教师引导学生处理数据：气垫导轨实验中，根据遮光条宽度d和遮光时间Δt计算各滑块碰撞前后速度v = d/Δt，然后计算碰撞前总动量m1v1 + m2v2和碰撞后总动量m1v1' + m2v2'，比较二者是否相等。斜槽实验中，验证m1·OP = m1·OM + m2·ON是否成立。 教师请几组同学汇报实验结果。学生汇报：碰撞前后总动量在误差允许的范围内相等，验证了动量守恒定律。 教师强调：实验结果在误差允许的范围内碰撞前后总动量相等，说明动量守恒定律是正确的。由于实验中存在摩擦力、空气阻力、测量误差等，实验结果不会完全相等，只要在误差允许的范围内相等就可以了。 （四）课堂小结与误差分析（约 3 分钟） 教师引导学生回顾：本节课我们通过分组实验验证了动量守恒定律。气垫导轨实验中用光电门测速度，验证m1v1'+m2v2'=m1v1+m2v2；斜槽实验中用平抛水平位移代替速度，验证m1·OP = m1·OM + m2·ON。 实验结论是：在误差允许的范围内，碰撞前后系统总动量守恒。 教师引导学生分析误差来源：气垫导轨实验中误差主要来自摩擦力和空气阻力、光电门测量误差、滑块质量测量误差；斜槽实验中误差主要来自斜槽末端不水平、小球不是每次都从同一高度释放、落点确定误差、测量长度误差。 教师强调：减小误差的方法包括认真调节实验装置、多次测量取平均值、规范操作等。 八、板书设计 实验：验证动量守恒定律 一、实验思路 一维碰撞；创造外力近似为零的条件（气垫导轨减小摩擦、碰撞力远大于外力）；验证m1v1'+m2v2'=m1v1+m2v2。 二、物理量测量 质量：天平；速度：光电门（气垫导轨）、平抛水平位移（斜槽实验）。 三、参考案例1：气垫导轨 三种碰撞：弹性碰撞（碰撞架分开）、完全非弹性碰撞（撞针橡皮泥粘连）、弹簧弹开；v=d/Δt。 四、参考案例2：斜槽小球碰撞 平抛运动时间相同，v=x/t；验证m1·OP=m1·OM+m2·ON；条件：末端水平、同一高度释放、两球同大小对心、m1大于m2。 五、实验结论 在误差允许的范围内，碰撞前后系统总动量守恒。 九、作业布置 1.完成实验报告，包括实验目的、实验原理、实验器材、实验步骤、数据记录与处理、实验结论、误差分析。 2.思考：本实验中为什么要用入射小球的质量大于被碰小球？如果入射小球质量小于被碰小球会出现什么情况？ 3.思考：除了课本上介绍的两个参考案例，你还能设计其他实验方案验证动量守恒定律吗？简述你的设计思路。 十、教学反思（简述） 本节是实验课，安排2课时教学，第1课时学习实验原理和方案，第2课时分组实验和数据处理。教学中注重让学生理解实验原理，知道为什么这样做实验，而不是按步骤机械操作。从课堂反应来看，学生对实验操作兴趣浓厚，能够积极参与分组实验。 在教学过程中，要注意以下几点：第一，第1课时要讲清楚两个参考案例的实验原理，特别是斜槽实验中为什么可以用水平位移代替速度，这是学生理解的关键；第二，实验前一定要强调操作注意事项，如气垫导轨调水平、斜槽末端水平、入射小球同一高度释放等，这些条件控制不好会导致实验误差很大甚至实验失败；第三，分组实验时教师要巡回指导，及时发现学生操作中的问题并纠正；第四，数据处理要给学生足够的时间，让学生自己计算并得出结论，教师不要包办代替；第五，要引导学生分析实验误差来源，培养严谨求实的科学态度；第六，实验室条件有限时，如果没有气垫导轨，可以只用斜槽实验；如果没有斜槽器材，可以用打点计时器验证动量守恒（教材练习与应用中的方案），教师可根据实际条件选择；第七，本节课学生动手时间较多，教师讲解时间要控制，把时间留给学生操作和思考。 实验：验证动量守恒定律 实验报告 姓名：____________班级：____________实验日期：___________________ 同组同学：______________________________________________________ 一、实验目的 1.验证一维碰撞中动量守恒定律。 2.掌握利用气垫导轨（或斜槽装置）验证动量守恒定律的实验方法。 3.学会正确使用天平、光电计时器（或刻度尺）等实验器材。 二、实验原理 在一维碰撞中，若系统所受外力远小于内力（或所受外力矢量和为零），则系统总动量守恒。设两个物体的质量分别为m1和m2，碰撞前速度分别为v1和v2，碰撞后速度分别为v1'和v2'，则验证的关系式为：m1v1'+m2v2'=m1v1+m2v2。 物体质量用天平测量。气垫导轨实验中，用光电计时器测量遮光条通过光电门的时间Δt，由v = d/Δt（d为遮光条宽度）计算速度。斜槽实验中，利用平抛运动规律，两球下落时间相同，速度与水平位移成正比，用水平位移代替速度，验证m1·OP=m1·OM+m2·ON。 三、实验器材 气垫导轨实验：气垫导轨、光电计时器、两个滑块（带遮光条）、天平、砝码、物理天平。 斜槽实验：斜槽、两个大小相同质量不同的小球、天平、刻度尺、白纸、复写纸、重垂线、圆规。 四、实验步骤 （一）气垫导轨实验 1.用天平分别测出两个滑块的质量m1和m2，记录在下表中。 2.调节气垫导轨水平，接通气源，将滑块静置于导轨上，滑块基本保持静止说明导轨水平。 3.弹性碰撞：在两滑块碰撞端装上弹性碰撞架，将一个滑块放在两光电门之间静止，让另一个滑块从导轨一端滑过光电门后与静止滑块碰撞，记录碰撞前运动滑块通过光电门的时间和碰撞后两个滑块分别通过光电门的时间。重复3次。 4.完全非弹性碰撞：在两滑块碰撞端装上撞针和橡皮泥，重复上述步骤，记录数据。 5.弹簧弹开：在两滑块间放置压缩弹簧，用细线固定，烧断细线使两滑块向相反方向运动，分别记录两滑块通过光电门的时间。重复3次。 （二）斜槽小球碰撞实验 1.用天平测出入射小球质量m1和被碰小球质量m2（m1 > m2），记录数据。 2.安装实验装置，调整斜槽使末端水平，在水平地面铺白纸和复写纸，记下重垂线所指位置O。 3.不放被碰小球，让入射小球从斜槽某一高度由静止释放，重复10次，用圆规画最小圆确定平均落点P。 4.把被碰小球放在斜槽末端，让入射小球从同一高度由静止释放，使它们碰撞，重复10次，确定入射小球平均落点M和被碰小球平均落点N。 5.用刻度尺测量OP、OM、ON的长度，记录数据。 五、数据记录与处理 （一）气垫导轨实验数据记录 滑块1质量m1 = ________kg，滑块2质量m2 = ________kg，遮光条宽度d = ________m。 【表1 弹性碰撞】 实验次数 碰撞前v1(m/s) 碰撞前v2(m/s) 碰撞后v1'(m/s) 碰撞后v2'(m/s) 碰撞前总动量 碰撞后总动量 1 2 3 【表2 完全非弹性碰撞】 实验次数 碰撞前v1(m/s) 碰撞前v2(m/s) 碰撞后v1'(m/s) 碰撞后v2'(m/s) 碰撞前总动量 碰撞后总动量 1 2 3 （二）斜槽小球碰撞实验数据记录 入射小球质量m1 = ________ kg，被碰小球质量m2= ________ kg。 OP = ________ m，OM = ________ m，ON = ________ m。 碰撞前总动量：m1·OP = ________ kg·m 碰撞后总动量：m1·OM + m2·ON = ________ kg·m 相对误差：________ % 六、实验结论 根据实验数据，在误差允许的范围内，碰撞前后两物体的总动量________（相等/不相等），即动量守恒定律________（得到验证/未得到验证）。 七、误差分析 1. 本实验中产生误差的主要原因有哪些？ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 2. 你认为减小实验误差的措施有哪些？ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 八、思考题 1.本实验中为什么要用入射小球的质量大于被碰小球？如果入射小球质量小于被碰小球会出现什么情况？ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 2.斜槽实验中为什么可以用水平位移代替小球碰撞前后的速度？ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 教师评价：_______________________________________________________ 成绩：____________指导教师签字：____________日期：____________ 2 学科网（北京）股份有限公司 $