基于物理核心素養下的動量定理教學設計

邱爽 彭朝陽

摘? ?要：培養當下中學生的物理核心素養作為2017年物理課程標準的教學目標，如何將核心素養的四要素，“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“ 科學態度與責任”融入到實際的物理教學中成為當下物理教師的關注焦點。本文選取動量定理一節作為教學內容，敘述如何結合物理核心素養的內涵及要求來設計教學，從而達到培養學生核心素養的目的。

關鍵詞：核心素養;教學設計;動量定理

引言

我國近年來的教育變革逐步從“知識為本”過渡到“以人為本”，從“雙基”到“三維目標”再到如今的“核心素養”這一過程即教育回歸本質的過程。2017年課程標準中明確指出：高中物理學科核心素養是物理學科育人價值的集中體現，是學生通過物理學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力[ 1 ]。高中物理學科核心素養主要指向通過物理學科要培養什么樣的人，即經過物理學科的學習，高中生應具備具有物理學科特質的、滿足個人發展與社會發展所需的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力[ 2 ]。所以一線物理教師目前應思考該如何將核心素養滲透到物理實際教學中。動量定理作為高考物理的高頻考點，對于其概念的理解及應用不僅是高中物理學習的重點和難點，而且是學生建立良好物理知識結構的重要基礎。本文選取人教版選修3-5第十六章“動量與動量定理”一節作為教學內容來設計教學，并將核心素養融入到實際的物理教學中，以此來培養中學生的物理核心素養。

1? 動量定理教材及學情分析

1.1? 教材分析

針對人教版選修3-5“動量與動量定理”的內容：關于動量，該節教材將前一節實驗“探究碰撞中的不變量”作為鋪墊直接提出了動量的概念以及公式，再通過物理學史和動量的例題來加深學生對于動量的矢量性和動量變化的認識;關于動量定理，教材先考慮物體碰撞時受到的力為恒力的情況，將牛頓第二定律作為學生新知識的“增長點”，引導學生推導其基本表達式，再通過“微元法”將動量定理的適用范圍從恒力過渡到非恒力，最后介紹生活實例來幫助學生認識動量定理的實際應用。

筆者認為，該節教材直接引入了“動量”和“沖量”的基本概念，并沒有創設具體的物理情境或物理模型去引發學生的思考，會使學生對于概念的理解不深刻，且不利于學生科學思維的發展;教材在推導出動量定理基本表達式之后缺少驗證動量定理的物理實驗，不利于學生科學探究能力的培養;學習動量定理后，可引導學生將動量定理與已掌握的動能定理進行對比學習，既能復習鞏固動能定理的知識，也能理解兩者之間的聯系與區別。

1.2? 學情分析

學生經過前一節內容的學習后已經了解到許多種關于物體碰撞的模型，在教師的帶領下能初步的認識動量及其矢量性。但學生對于動量基本概念的理解和動量定理的應用方面存在一定困難，例如對物體進行受力分析時，因漏掉某個力而導致分析物體合外力沖量出現錯誤等。高二的學生已具備一定的抽象思維和邏輯思維，教師作為教學過程的主導者，需要去引導學生轉變認知沖突，從而達到對知識正確的理解。

2? 物理核心素養下“動量定理”的教學設計

2.1? 巧妙運用情境，滲透物理觀念

創設情境：首先帶著學生復習前一節所學的碰撞的概念及模型，然后將準備好的兩顆雞蛋于同一高度釋放到海綿和硬木板上。

實驗現象：落在海綿上的雞蛋完好無損，落在硬木板上的雞蛋表面碎裂。

提出問題1：雞蛋落在海綿和硬木板上有何區別？

討論并回答：海綿比硬木板有更明顯的形變過程，導致海綿的形變所用時間比硬木板形變所用時間長。（運用已有知識分析問題）

提出問題2：為何雞蛋作用時間越長越不容易碎裂？讓學生們帶著疑問正式進入動量定理的學習。

【設計意圖】物理觀念即物理概念和規律在頭腦中的提煉和升華，是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎[ 1 ]。物理教師應創設符合學生認知基礎的物理情境，讓學生通過已有知識去分析和解釋實驗現象，這不僅能夠激發學生對于物理學習的興趣，而且能夠幫助學生更好的理解物理概念和規律。

2.2? 建構物理模型，培養科學思維

建構模型，引發思考：某節體育課上同學對著墻壁踢球來練習足球傳球技巧，足球在觸碰墻壁前的瞬時速度為v0，在觸碰墻壁后的瞬時速度為v1，觸碰墻壁這一過程所用時間為t，假設墻壁對足球的力F為恒力，該如何運用學過的知識來表達出力？

合作探討，得出方案：分別對足球剛接觸墻壁時和即將離開墻壁時進行分析（如圖1和圖2所示），首先可根據加速度的定義式得出：

再根據牛頓第二定律表示墻壁對足球的作用力：

依據推導，引出概念：（3）式中的mvt和mv0，即教材前一節內容所探究的碰撞中的不變量，該不變量mv即動量，用字母P表示，由于速度為矢量，則動量也為矢量。由此，（3）式可表達為FΔt=ΔP，這里的F即足球的合外力。物理學中將力與力作用時間的乘積定義叫做沖量[ 3 ]，用字母I表示，由于力為矢量，則沖量同樣也為矢量。上式中可看出物體在一個過程始末的動量變化量等于它在這個過程中所受力的沖量，這個關系叫做動量定理[ 3 ]。

過渡：根據動量和動量定理的概念，解釋一下為何雞蛋落在海綿上不容易碎裂。

相互討論，解決問題：于同一高度下落時，雞蛋碰撞前的初速度相同，碰撞后的末速度vt=0，根據動量定理，雞蛋動量的變化量相等，但由于海綿形變時間比硬木板長，則海綿作用在雞蛋上的力小于硬木板作用在雞蛋上的力，所以雞蛋落在海綿上不容易碎裂。

【設計意圖】模型建構即對客觀事物進行抽象和概括的基礎上，抓住其關鍵因素，構建能反映其本質特征的理想模型的科學抽象過程[ 2 ]。教師應善于利用生活中的具體實例來建構利于學生理解知識的物理模型，使物理教學變得生活化，學生才能夠切合實際的感受物理的魅力，認知概念的本質。

2.3? 深入物理實驗，加強科學探究

過渡：經過學生的推導分析，從牛頓第二定律出發完成了對恒力作用下動量定理的驗證，該如何從實驗的角度出發去證明恒力作用下的動量定理？

實驗儀器：質量分別為m1和m2的兩個物體（m1

小組討論，發現問題：根據公式FΔt=mΔv可知，實驗關鍵在于證明變化的動量等于物體所受合外力的沖量。物體質量已知，Δt可通過光電門來測量，但物體的合外力F與物體速度的變化量Δv該如何測量？（分析實驗儀器）

適當指導，分配任務：實驗儀器中兩個物體、定滑輪和輕繩可組成阿特伍德機（如圖3所示），由于需要測量物體的合外力F，則需要對實驗物體的運動過程進行受力分析，分別對物體1和2分析可得：

即可通過已知的物體質量和重力加速度來計算出物體的加速度，最終計算出合外力F合。關于速度的變化量Δv的測量，首先用游標卡尺測出物體1的長度，再測量物體1通過每個光電門的時間，分別計算其通過每個光電門的瞬時速度，最終計算可得到Δv的值。

實驗的原理現已明確，讓學生分小組進行合作討論，將實驗裝置的草圖畫在草稿紙上，并說明該實驗的具體操作步驟。

合作學習，進行實驗：學生經過討論后上講臺展示實驗草圖（如圖4所示）

實驗步驟如下：

（1）依照圖4將實驗儀器進行組裝，注意組裝光電門和數據采集器的全過程需保持電源處于關閉狀態。

（3）檢查儀器后打開電源正式開始實驗，將物體2置于一定高度由靜止狀態開始釋放，該過程物塊1通過光電門1、2，記錄光電門1、2的擋光時間分別為t1、t2和物塊1通過光電門1、2所用的時間為t12。

過渡：教師要求學生依據實驗所測量的數據來設計實驗表格（如表1所示），并將數據填入表格中。

分析數據，得出結論：學生觀察I與ΔP的數據值大小幾乎一致（在誤差范圍內），通過實驗證明了恒力作用下的動量定理。

從特殊到一般，從“恒力”到“變力”：已證明在恒力作用下的動量定理成立，但不能說明動量定理具有普適性。教師可運用“微元法”來向學生證明變力作用下的動量定理同樣成立。

提出問題：假設物體A僅受到水平向右的變力F，物體于光滑水平面做變速直線運動，若將總時間分成若干個趨近于零的時間段，則這些時間段內物體做什么運動？

學生討論并回答：由于每段時間特別短，物體A的合力F還來不及變化，所以物體A做勻變速直線運動。

教師引導：假設第一段的初速度為v1，末速度為v'1，受到的力為F1，以此類推，可得到示意圖（如圖5所示）;對于物體A的運動過程，依據動量定理可得到：

第一段F1t1=mv1'-mv1;第二段F2t2=mv2-mv1';第三段F3t3=mv2'-mv2等等;觀察這些等式有何規律？

學生回答：將所有等式相加，等式的左邊即物體A合外力的總沖量，等式的右邊僅剩mv末-mv1，即物體總動量變化量，證明了動量定理的普適性，變力或恒力情況都能適用。

【設計意圖】科學探究即基于觀察和實驗提出的物理問題、形成猜想和假設、設計實驗和制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評價、反思的能力，主要包括問題、證據、解釋、交流等要素[ 1 ]。教師安排學生合作學習，促使學生在相互討論的過程中發現問題，教師再通過適當的引導學生，使學生自主完成目標實驗，不僅加深了學生對新知識的理解，而且強化了科學探究能力。

2.4? 關注歷史和實際應用，深化科學態度與責任

適當舉例，普及知識：當學生在頭腦中建立動量定理的概念之后，教師講述動量這一概念的歷史發展過程，包括笛卡爾、惠更斯、牛頓等人當時對于該概念的理解。夯實學生知識的同時，讓學生明白科學的發展是在一代又一代科學家的不斷努力下進行的。之后教師可通過列舉生活中的實例來讓學生認識到動量定理的具體應用，包括：物流公司運輸易碎物品用泡沫將其進行包裹、汽車內部安全帶選用具有彈性的橡皮制品等等。教師可在例子的基礎上普及行車安全知識，教導學生乘車時一定系好安全帶，防止事故發生危險。

課后思考，布置作業：安排學生利用課后時間，將已學過的動能定理和動量定理進行比較分析，思考兩者之間的適用范圍、內在聯系。能否用動量P去表示動能Ek的關系式？相反能否用動能Ek去表示動量P的關系式[ 4 ]？

【設計意圖】科學態度與責任即在認識科學·技術·社會·環境關系的基礎上，形成良好的科學態度和遵守道德規范、保護環境并推動可持續發展的責任感[ 1 ]。教師作為引導者應讓學生明白人類的發展離不開科學，物理學作為科學的一門基礎學科，其來源于生活，同時也造福人類的生活。

3? 結語

物理核心素養在教學設計中的體現，需要物理教師們改變傳統教學觀念，注重物理教學中的方法和知識點的應用，而非機械的傳授物理知識。物理核心素養的滲透離不開實際教學中的實踐，身為當下的物理教師必須理解物理核心素養的價值，才能夠在教學中幫助學生建構完整的知識體系、指導學生去探索物理的奧秘。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：1-5.

[2]廖伯琴，李洪俊，李曉巖.高中物理學科核心素養解讀及教學建議[J].全球教育展望，2019，48（9）：77-88.

[3]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.物理選修3-5[M].北京：人民教育出版社，2018.

[4]王波，陳嫻.體現科學本質的高中物理教學初探——以“動量和動量定理”為例[J].物理教師，2020，41（3）：6-9.