關于《實驗：探究碰撞中的不變量》幾個有爭議的問題

金銀書

【內容摘要】新課程標準下的高中物理3-5教科書關于動量的設計，與以往相比變化很大，動量守恒定律不再是牛頓定律演繹的結果。本文對于《實驗：探究碰撞中的不變量》課題中不變量能否改為守恒量、通過本節課學習能否得出動量概念以及本節課的實驗設計這幾個有爭議的地方提出了自己的見解。

【關鍵詞】不變量 動量 實驗設計

新課程標準下的高中物理3-5教科書關于動量的設計，與以往相比變化很大，動量守恒定律不再是牛頓定律演繹的結果。教材中關于《實驗：探究碰撞中的不變量》的編寫意圖應該是遵循物理科學的發展歷程，使學生對科學的本質的認識能夠稍微深入一些，這節課目的不是得出動量守恒定律，而是讓學生體會物理學知識的奧秘所在。關于本節課，筆者思考了幾個有爭議的問題，與各位同仁探討。

一、課題應該是探究碰撞中的不變量還是探究碰撞中的守恒量

物理學中的不變量指：第一，某些描述物理研究對象自身性質的物理量，是不隨時間或空間位置變化的物理量，例如物體的質量，真空中光速等；第二，是個體狀態參量不變，描述的是過程前后物體的某一狀態參量不變，例如某一過程前后速度，受力，溫度等不變。守恒量是指物理量在整個過程中始終保持不變。

守恒量與不變量的不同是：第一：守恒量是針對系統而言的，例如兩個物體組成的系統，物體與地球構成的系統，一個封閉的物理體系如一定質量的氣體，與外界沒有電荷的交換的系統。第二，“不變”不能作為“守恒”的等效表達，“保持不變”才意味著“守恒”，而且守恒還包含了守恒的條件和討論守恒的必要性，所以說“守恒”應該是包含了“不變”。

本節課中不可能研究到碰撞中的任意時刻，對任意時刻進行分析數據，只能通過碰撞前后的數據進行分析，所以課題換成探究碰撞中的守恒量是不合適的，只能先研究不變量，所以新課程教師教學用書中提到，需要讓學生明確的是課文中提到的“不變量”并不是“守恒量”。

所以，筆者認為課題就應該叫探究碰撞中的不變量。

二、能否根據這節課提出動量這個概念

教材在探究碰撞中的“不變量”是以實驗作為基礎的，因為只有當多次試驗后結論推導出的結果都與事實一致時，它才能成為規律。所以本節課應該是，學生通過教師的引導和自己的實驗體驗，發現物體碰撞過程中的確存在某個不變的物理量，但是經過師生共同實驗探究出在碰撞前后，質量和速度乘積這一矢量和很可能是保持不變的，從而意識到這個乘積是個特殊量，具特別的意義，應該說，這個猜測是有實驗基礎的，不僅如此，我們還可以根據這個不變量，給了我們在兩個物體在碰撞中很可能存在“守恒量”的啟示。

所以，筆者認為這節課的側重點是在教師的引導下，讓學生經歷科學探究的過程，潛移默化的提升學生的科學素養，感悟自然界的和諧與統一。然后下一節課是可以直接提出動量這個概念的。

三、本節課的實驗應該怎么設計

書上給了3個實驗的參考案例，參考案例中對實驗的設計、對“不變量”的推測、實驗操作、數據處理都有明確的說明，但《課程標準》沒有對本節課實驗的具體做法、使用的器材等做出硬性的規定，所以應該說是根據各個地區不同的教學環境，給出了因地制宜地實驗教學，相比之下的參考案例一，使用氣墊導軌和光電門，可以很好的保證一維碰撞，也可進行多樣性的碰撞研究，實驗誤差較小，應該為實驗的首選。

但教學的目的是使學生在探究過程中有所體驗。實驗步驟有的可以直接告訴學生，有些過程需要學生自己去探究，在教學中要以什么方式給出提示需要結合教學目標、教學內容的難度以及學生的基礎等因素。

首先學生操作中容易出現的問題：（1）一次碰撞中獲得多組數據不知道用哪一組，這是因為光電門計時器只要擋光一次就記錄一組數據，學生操作時往往會讓碰撞不斷進行，沒有及時停止。（2）對碰時有時候碰后反彈，有時候碰后沿一個方向運動，這需要學生嚴格的控制對碰的初始速度，因此操作難度較高。（3）碰撞發生在光電門外。（4）滑塊經過光電門時還處于加速狀態。

所以可以設置如下碰撞情形：（1）動碰靜后分開；（2）對碰（碰后反彈）；（3）動碰靜后粘合。那么實驗操作中應注意的地方：（1）碰撞具有瞬時性，碰撞要在兩個光電門之間完成。（2）保證碰撞前勻速直線運動，不要長時間的推著滑塊，應該在經過光電門前松手，避免滑塊經過光電門時處于加速狀態。（3）讀取速度數據時，注意速度的矢量性。

教學中讓學生自己提出各種猜想，不一定就是書本上的三種，如果學生不想研究v/m之和是否不變，也可以不去研究，這樣既是對學生的尊重，也是提高學生思維能力的需要。實驗方案的設計需要學生明確探究的目的，需要測量的物理量，現場的實驗數據的處理，讓學生真實的參與到實驗探究的過程中，通過一步一步的遞進的探究過程，讓學生去偽存真，由表及里的發現規律，培養了學生的探究能力，在問題的探究過程中，讓學生真切的感受到物理的思想方法，逐步形成科學思維，特別是在出現兩個貌似不變量時，教師不要急于提供結論，而是繼續的引導學生開展實驗檢驗這一科學方法，來檢驗自己的觀點是否正確。課堂上傳授的知識學生終將遺忘殆盡，但解決問題的科學思維、科學方法將在學生心里留下深深的烙印，這些知識內后的更有價值的東西有助于學生今后的學習與生活中正確面對、決策所遇到的大量非物理問題，為學生的終身發展奠定良好的基礎。同時，在探究的過程中潛移默化的培養了學生對科學探究的熱情以及實事求是的科學態度。

【參考文獻】

[1]苗元秀.人教版普通高中物理課程標準實驗教科書選修 3-5編寫思想[J].中學物理教學參考，2007，36（9）：2-5.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-5[M].北京：人民教育出版社，2010：2-5.

（作者單位：江蘇省丹陽市第六中學）