巧用生活素材 探究碰撞中的不變量

蔣汶洋

摘 要：利用生活素材自制物理實驗教具在物理實驗教學中具有重要的意義。利用平板電腦、米尺、窗簾滑軌等簡單易得的生活常見品，設計了一種操作性強、學生參與度高的實驗方案，并將其應用于“探究碰撞中的不變量”的實驗教學中。

關鍵詞：物理實驗；平板電腦；自制教具

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2019）2-0071-2

物理是一門以實驗為基礎的學科。通過實驗探究總結出物理規(guī)律是物理教學中常用的教學方式。但在實際的物理實驗教學中，由于實驗設備數(shù)量的限制和操作的難度，部分教師僅在講臺上進行實驗演示，只讓學生觀察實驗現(xiàn)象，使得學生沒有動手實驗的機會[1]。利用身邊的生活素材制作物理實驗器具則是解決這一問題的有效途徑。利用自制教具進行實驗教學，不僅可以提高學生的參與度，還體現(xiàn)了實驗過程的自創(chuàng)性、趣味性、簡易性和生活化[2]。本文以“探究碰撞中的不變量”為例，利用平板電腦、米尺、窗簾滑軌等簡單易得的生活常見品，設計了一種新的實驗方案，并用于教學中。

1 教學設計思路

“探究碰撞中的不變量”是高中物理課的一節(jié)探究性實驗課，其實驗方法比較開放，教材上已為學生提供了三種實驗設計。但由于很多學校實驗器材不完備，學生無法利用課本的設計進行實驗探究?？紤]到本節(jié)內容較多，實驗的設計較為開放，并且學生在實驗技能上已經具備了一定的基礎。因此，筆者引導學生利用身邊的簡易工具設計測量方案，并鼓勵學生動手實驗。這樣的實驗教學設計，既激發(fā)了學生的探究熱情，也培養(yǎng)了學生的動手能力。最后，再為學生介紹現(xiàn)代化器材的測量方案，以彌補傳統(tǒng)實驗的不足，拓寬學生的視野。

2 實驗教學設計過程

2.1 實驗教學引入

首先，在進行實驗前先播放一段花式臺球的視頻，展示碰撞的美感以吸引學生的注意力。隨后再展示幾張生活中碰撞現(xiàn)象的圖片，讓學生注意到碰撞是日常生活中常見的現(xiàn)象，是非常值得我們去研究的現(xiàn)象。其次，研究方法都是由簡單到復雜，本節(jié)課只研究最簡單的情況，即兩物體在碰撞前后都沿一條直線運動，一般將這種情況稱作一維碰撞。最后，具體要研究碰撞的什么問題呢？科學家們在研究自然規(guī)律時總是希望能夠在多變的世界中找出某些量是不變的、守恒的。例如，物理中的機械能守恒、能量守恒，化學中的質量守恒、電荷數(shù)守恒等。在物體碰撞前后，會不會也存在著什么量是不變的呢？

以上環(huán)節(jié)的引入明確了本節(jié)課探究的問題，即物體在進行一維碰撞前后，會不會存在什么量是不變的呢？接下來就要引導學生對問題提出假設了。本文采用了兩個小實驗引出學生的猜想，具體步驟如下：

先呈現(xiàn)實驗一，將兩個相同質量的鋼球懸掛起來，一個小球靜止，拉起另一個小球并釋放，兩個小球相碰后，被拉起的小球靜止了，但被碰撞的小球運動起來了。再呈現(xiàn)實驗二，將實驗一中的其中一個鋼球換成乒乓球，再次拉起鋼球并釋放，當鋼球與乒乓球發(fā)生碰撞后，乒乓球獲得了較大的速度，但鋼球也沒有停下來。在實驗一中，通過碰撞兩物體的速度發(fā)生了變化，此時引導學生猜想這個不變量應該和物體的速度有關。在實驗二中，學生可以觀察到乒乓球獲得了較大的速度，而鋼球并沒有停下來，這可以幫助學生猜想碰撞所產生的現(xiàn)象不僅和速度有關，還和物體的質量有關。

2.2 實驗設計

根據(jù)學生的猜想，碰撞前后不變的量與物體的速度和質量有關系。進而提出問題，如何測量物體的質量和速度呢？學生都會想到用天平測量質量。但對速度的測量方法卻有多種觀點，如打點計時器、光電門等。教師提問，如果沒有這些測速專用的實驗器材，能否利用身邊的物品測出速度呢？同時通過PPT播放動畫，以呈現(xiàn)新的測速方式：用已設定好拍攝時間間隔的手機連續(xù)拍攝人行走的照片，根據(jù)照片拍攝間隔的時間和照片對應的位置變化，就可以計算出人行走的平均速度。并啟發(fā)學生用平板電腦拍攝的方式記錄物體碰撞前后的速度。

整個實驗器材有：金屬槽、刻度尺、平板電腦、橡皮泥、小鋼珠（16.88 g）、玻璃珠（5.66 g）。其中，金屬槽用于保證物體的一維碰撞；刻度尺用于記錄小球的實際位置；平板電腦用于拍照以記錄小球的實際位移。組裝后的實驗裝置如圖1所示。接下來，學生就可以利用實驗裝置進行小組實驗了。在實驗過程中，需要強調用橡皮泥將軌道調平，若出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，應將速度記為負值，讀數(shù)要盡量準確，可以估讀。在處理實驗結果時，需強調應選擇接近碰撞瞬間的照片。

將兩組學生測得的實驗數(shù)據(jù)輸入Excel表格中，通過電腦計算可以發(fā)現(xiàn)，兩組數(shù)據(jù)中，碰撞前后質量和速度的乘積之和是很接近的。這讓我們有理由相信在碰撞前后存在著的不變量就是mv。但也可以看出，該值在碰撞前后并不是嚴格相等的，因為實驗中還存在著誤差。誤差主要來源于軌道的摩擦阻力和讀數(shù)的不準確。想要減小這些誤差可以采用實驗室中常見的現(xiàn)代化工具——光電門和氣墊導軌。氣墊導軌可以減小軌道的摩擦阻力，而光電門可以使所測速度更加精確。最后，用光電門和氣墊導軌實驗裝置（如圖2所示）再次實驗，驗證實驗結論。通過以上的實驗，就可以總結出在一維碰撞中，碰撞前后的不變量是質量與速度的乘積之和。但是，這個結論是否在其他形式的碰撞中也是成立的呢？這個問題可用以啟發(fā)學生在課后進行思考并探究。

3 實驗教學反思

通過以上的實驗教學過程可以發(fā)現(xiàn)，整個實驗教學過程包含兩個實驗：一是學生利用平板電腦、窗簾滑槽等實驗器材的動手實驗；二是教師利用氣墊導軌和光電門進行的演示實驗。前者利用生活中隨處可見的物品搭建了一個簡單的實驗裝置，讓“高深”的物理實驗變得生活化，并利用青少年喜愛的平板電腦調動了學生的參與熱情，取得了非常不錯的實驗效果。后者用先進的儀器讓學生開拓視野，以彌補傳統(tǒng)實驗的不足。

物理源于生活，若學生在遇到某些物理問題時，都能馬上拿起身邊的物件兒做個簡單的物理實驗，那我們的實驗教學一定能取得更好的效果。

參考文獻：

[1]張偉，郭玉英.論“非常規(guī)”物理實驗的教學地位[J].課程·教材·教法，2007（12）：51-56.

[2]王志輝.淺談高中物理實驗的生活化[J].中學物理教學參考，2017，46（14）：27-28.

（欄目編輯 張正嚴）