關(guān)于《動(dòng)量動(dòng)量守恒定律》教學(xué)的反思和建議

張彬旭

在現(xiàn)行的物理教學(xué)改革中，已將《動(dòng)量》章節(jié)作為選考內(nèi)容。自然，教師或?qū)W生對(duì)此內(nèi)容的重視程度會(huì)明顯減弱。然而，若從培養(yǎng)理科學(xué)生良好的物理思維的角度出發(fā)，筆者認(rèn)為關(guān)于《動(dòng)量》內(nèi)容的教學(xué)可不做深入講解和訓(xùn)練，但可以將動(dòng)量和動(dòng)能兩部分內(nèi)容進(jìn)行比對(duì)教學(xué)。

為此，不禁思考這樣一個(gè)問題：動(dòng)量和動(dòng)能都是描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的物理量，為什么要同時(shí)引入動(dòng)量和動(dòng)能這兩個(gè)物理量呢?它們在描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)中各自起到什么作用呢?也許這個(gè)問題不僅學(xué)生會(huì)心存疑慮，教師對(duì)其本質(zhì)區(qū)別也不一定留意引導(dǎo)學(xué)生來探究，而只是順理成章地接受物理前輩作出的概念構(gòu)建。

比如，在原來的物理教學(xué)中關(guān)于動(dòng)量和動(dòng)能的區(qū)別和聯(lián)系都是在基本定義式的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩個(gè)物理量的矢量與標(biāo)量性加以區(qū)分：(1)動(dòng)量p=mv，動(dòng)能Ek=1/2mv²(2)動(dòng)量是矢量，不僅有大小而且還有方向；動(dòng)能是標(biāo)量，只有大小沒有方向。

在實(shí)際應(yīng)用問題中，區(qū)分這兩個(gè)物理量的作用，學(xué)生只是記憶碰撞問題系統(tǒng)動(dòng)量一定守恒，但是系統(tǒng)機(jī)械能不一定守恒，只有在彈性碰撞中動(dòng)量和機(jī)械能才都守恒，對(duì)其中蘊(yùn)涵的本質(zhì)原因?qū)W生并不一定清楚。為讓學(xué)生更好地解題，甚至還有“碰一碰動(dòng)量守恒，擺一擺機(jī)械能守恒”的口訣讓學(xué)生在形式上區(qū)分動(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒的應(yīng)用。

動(dòng)量和動(dòng)能到底各自在物體運(yùn)動(dòng)中起到什么樣的作用，為什么不能選其一作為描述運(yùn)動(dòng)的量度?不僅是我們的疑慮，其實(shí)在物理學(xué)發(fā)展的過程中也有關(guān)于動(dòng)量和動(dòng)能爭論的記載：以法國物理學(xué)家笛卡兒為代表的學(xué)派認(rèn)為動(dòng)量是唯一的、正確的一種運(yùn)動(dòng)的量度；以萊布尼茲為代表的學(xué)派則認(rèn)為動(dòng)能是更加合適的描述運(yùn)動(dòng)的量度。這場爭論僵持了將近200年，直到能量轉(zhuǎn)化和守恒定律及動(dòng)量守恒定律提出后，這個(gè)問題才真正得以解決。馬克思主義的奠基人之一恩格斯在《自然辯證法》一書中對(duì)此也作出論述，他指出：“機(jī)械運(yùn)動(dòng)確實(shí)有兩種量度，每一種量度適用于某個(gè)界限十分明確的范圍之內(nèi)”

為了在本質(zhì)上比較關(guān)于動(dòng)量和動(dòng)能在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中充當(dāng)?shù)慕巧⒔Y(jié)合高中學(xué)生的認(rèn)知能力，筆者建議可設(shè)計(jì)關(guān)于“動(dòng)量和動(dòng)能”的實(shí)驗(yàn)探究課。簡要設(shè)計(jì)方案如下：

一、提出問題：動(dòng)量和動(dòng)能在描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)中各自起到什么作用?

二、碰撞實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

讓兩個(gè)滑塊在水平氣墊導(dǎo)軌上發(fā)生碰撞，要探尋它們在碰撞中動(dòng)量和動(dòng)能的變化情況，則需要測量碰撞物體的質(zhì)量和碰撞前后的速度，然后根據(jù)物體的動(dòng)量p=2mv和物體的動(dòng)能Ek=1/2mv²，則可以求出碰撞前、后物體的動(dòng)量和動(dòng)能，進(jìn)而比較物體的動(dòng)量、動(dòng)能在碰撞前后的變化情況。

顯然，物體的質(zhì)量M可以直接利用天平測量，實(shí)驗(yàn)室可以較為準(zhǔn)確測量物體速度的方法就是利用光電門測物體的速度。為了更快捷計(jì)算物體的動(dòng)量和動(dòng)能，可借助電子表格設(shè)計(jì)變量輔助計(jì)算。

課堂操作實(shí)例：

利用由教育部教學(xué)儀器研究所研制的HCPI－物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)微機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)接口箱把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)通過輸入碰撞物體的質(zhì)量參數(shù)肘、擋光片兩前沿距離d及光電門采集的擋光片經(jīng)過光電門的時(shí)間間隔△t，直接計(jì)算出碰撞前后物體的速度v=d△t、動(dòng)量p和動(dòng)能B，而且也可以計(jì)算出碰撞前后由碰撞物體組成的系統(tǒng)的總動(dòng)量和總動(dòng)能。由于整個(gè)碰撞實(shí)驗(yàn)是在水平氣墊導(dǎo)軌上完成的，所以系統(tǒng)的動(dòng)能變化也反映了系統(tǒng)機(jī)械能的變化。

實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分操作：(1)通過天平測出一個(gè)質(zhì)量為234，8g的滑塊，我們定義它為滑塊2(№)，把它放在兩個(gè)光電門之間不動(dòng)，即它的速度v²=0。現(xiàn)在讓另一個(gè)滑塊，它的質(zhì)量為437.7g，定義為滑塊1(m1)向右運(yùn)動(dòng)，以水平向右為正方向即v1>0，與滑塊2發(fā)生碰撞。(通過實(shí)驗(yàn)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表一和表二)

(2)讓滑塊2依然在兩個(gè)光電門之間不動(dòng)，滑塊1向右運(yùn)動(dòng)，碰撞后它們粘合在一起即v1>0，v²=0(碰粘)。(通過實(shí)驗(yàn)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表三和表四)

三、數(shù)據(jù)分析

(1)第一組實(shí)驗(yàn)，通過碰撞使原來靜止的滑塊2開始運(yùn)動(dòng)，是滑塊1把機(jī)械運(yùn)動(dòng)一部分轉(zhuǎn)移給滑塊2，系統(tǒng)動(dòng)量守恒說明滑塊1減少的動(dòng)量等于滑塊2動(dòng)量的增加，系統(tǒng)的動(dòng)能守恒說明滑塊1減少的動(dòng)能等于滑塊2動(dòng)能的增加。所以這個(gè)過程僅僅是機(jī)械運(yùn)動(dòng)從滑塊1轉(zhuǎn)移到滑塊2，滑塊2的機(jī)械運(yùn)動(dòng)減少了多少，滑塊2的機(jī)械運(yùn)動(dòng)就增加多少，這樣的過程是機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移的過程。在這個(gè)過程中動(dòng)量和動(dòng)能都守恒，所以僅有機(jī)械運(yùn)動(dòng)在物體間轉(zhuǎn)移時(shí)，動(dòng)量和動(dòng)能都可以作為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的量度。

(2)第二組實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的動(dòng)量守恒，所以動(dòng)量依然可以量度碰撞過程中機(jī)械運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)移，但是動(dòng)能卻明顯的減少了，系統(tǒng)動(dòng)能的減少意味著滑塊1減少的動(dòng)能大于滑塊2動(dòng)能的增加，滑塊1減少的動(dòng)能沒有全部給滑塊2，而是轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能。所以伴隨有機(jī)械運(yùn)動(dòng)與非機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化時(shí)，動(dòng)量依然可以作為機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移的量度，但是在描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)與非機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的能力時(shí)只有動(dòng)能的變化可以作為機(jī)械運(yùn)動(dòng)與非機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的量度。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

基于上述實(shí)驗(yàn)的分析可以得出這樣的結(jié)論，機(jī)械運(yùn)動(dòng)確實(shí)需要?jiǎng)恿亢蛣?dòng)能這兩種不同的量度，但在不同的范圍中，它們描述的特點(diǎn)也有所不同：(1)僅機(jī)械運(yùn)動(dòng)在物體間轉(zhuǎn)移時(shí)，動(dòng)量和動(dòng)能都可以作為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的量度；(2)伴隨機(jī)械運(yùn)動(dòng)與非機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化時(shí)，只有動(dòng)能的變化可以作為機(jī)械運(yùn)動(dòng)與非機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的量度。基于此更加深刻理解恩格斯關(guān)于動(dòng)量和動(dòng)能的論述：“機(jī)械運(yùn)動(dòng)確實(shí)有兩種量度，每一種量度適用于某個(gè)界限十分明確的范圍之內(nèi)。動(dòng)量是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)來量度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)；動(dòng)能是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為一定量的其它形式運(yùn)動(dòng)的能力來量度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。我們已看到這兩種量度互不相同，所以也并不相互矛盾。”

通過這節(jié)探究課的實(shí)際操作，不僅讓學(xué)生更加深刻的了解動(dòng)量和動(dòng)能的本質(zhì)區(qū)別，并更容易讓學(xué)生們掌握在實(shí)際應(yīng)用中如何利用動(dòng)量守恒定律和機(jī)械能守恒定律解答相關(guān)問題，這比直接給學(xué)生列舉實(shí)際例題、傳授解題方法具有更加深刻的意義。此外，這節(jié)課的設(shè)計(jì)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生提出問題、設(shè)計(jì)情景和方法解決實(shí)際應(yīng)用問題有一定的啟發(fā)作用；對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)密的推理、邏輯思維有一定的促進(jìn)作用，并讓學(xué)生體會(huì)解決一個(gè)物理問題、發(fā)現(xiàn)一個(gè)正確的自然規(guī)律在物理學(xué)發(fā)展歷程中經(jīng)歷的曲折和艱辛。所以，在基礎(chǔ)教學(xué)中教師的角色不應(yīng)該僅是專業(yè)知識(shí)的傳授者，而更應(yīng)該做一個(gè)讓學(xué)生正確學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)、理解專業(yè)知識(shí)的導(dǎo)航者，而這也正是新課程改革的思想目的之所在。