基于學科核心素養的“動量守恒定律”教學設計

邱小彬

鄭州市實驗高級中學，鄭州 450045

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面，這四個方面是彼此聯系、共同發展的。學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是該學科在落實立德樹人根本任務中所作出的獨特貢獻，是個體在信息化、全球化、學習型社會，面對復雜的不確定情境時，綜合運用本學科所學的知識、觀念、方法解決實際問題所表現出來的價值觀念、必備品格與關鍵能力［1-2］。課堂是教學的主陣地，也是培養學生核心素養的重要場所。因此，教師應基于學科核心素養進行教學設計，開展課堂教學。本文以“動量守恒定律”為例，討論基于物理學科核心素養的課堂教學設計。

1 教材分析

動量守恒定律是自然界中最重要、最普遍的守恒定律之一。本節課是普通高中課程標準實驗教科書《物理》選修3-5第16章“動量守恒定律”的第3節，編排在“實驗：探究碰撞中的不變量”和“動量和動量定理”之后，“碰撞”和“反沖運動火箭”之前，具有承上啟下的作用。同時，本節課也是這一章的核心內容，對于學生理解本章知識、理解運動與相互作用觀念意義重大。本節課是一節概念規律課，學生在理解動量守恒定律的內涵后，會對物體間相互作用的規律認識得更加深刻和完整，對于后續學習“碰撞”“反沖運動 火箭”等動量守恒的應用模型大有裨益。

2 學情分析

學生通過本章第1節“實驗：探究碰撞中的不變量”與第2節“動量和動量定理”的學習，已經初步建立相關概念，并意識到碰撞前后總動量很有可能是相等的，但又不能完全確定。而這節課則需要學生明確動量守恒的條件，理解動量守恒定律的內涵，思維跨度比較大，這是教學難點所在。因而，本節課的設計思路是，引導學生在規律的認知過程之中，逐步深化對動量守恒的理解。通過鋪設3個臺階（臺階1：碰撞前后這兩個時刻，物體的總動量的確相等；臺階2：在碰撞過程中，物體的總動量是守恒的；臺階3：系統動量守恒是需要一定條件的），放緩學生對規律的認知進程，減小思維跨度，以突破重難點。考慮到物理規律的科學性與嚴謹性，筆者在探究動量守恒規律以及尋找守恒條件的過程中，還從實驗探究和理論推導兩個維度進行了設計，以期進一步培養學生科學嚴謹的學科思維，提高其科學探究的能力。

3 教學目標

3.1 物理觀念

（1）通過實驗探究，引導學生明確相等和守恒的區別，理解動量守恒的內涵，形成守恒的物理觀念。

（2）通過引導學生用動量和動量守恒的語言解釋生活中碰撞的現象，深化其運動與相互作用的物理觀念。

3.2 科學思維

（1）通過引導學生利用提供的實驗器材，自主設計分組碰撞實驗，培養學生模型建構的能力。

（2）通過引導學生處理實驗數據，觀察碰撞中的動量-時間圖像，得出動量守恒結論，提升學生在科學探究中的分析綜合、推理論證能力。

（3）通過導軌傾斜系統所受合外力不為0時，系統動量是否守恒的提問和檢驗，鼓勵學生養成質疑、批判以及對結論進行檢驗的習慣，培養學生提出創造性見解的能力和品格。

3.3 科學探究

（1）引導學生發現問題，分析問題，提出猜想和假設。

（2）指導學生經歷科學探究的過程：制訂實驗方案、進行實驗操作、收集并分析處理數據、得到探究結果、分享交流探究過程和探究結果。

3.4 科學態度與責任

（1）通過小組討論與合作，設計實驗方案，進行實驗操作，激發學生學習興趣，培養其動手能力、團隊意識與合作精神。

（2）通過回顧動量及其守恒定律建立的歷史過程，體會物理概念和規律建立過程中的曲折與艱辛，激發學生探索自然的內在動力，引導學生逐漸養成持之以恒的科學態度。

（3）通過觀看動量守恒定律的應用短片，深化運動與相互作用觀念，體會物質世界的多樣性與統一性，感受動量守恒定律的簡潔性與普適性。

4 教學重難點

動量守恒定律的得出過程和對其內涵的理解。

5 教學資源

輪滑鞋、體重秤、有色膠帶、氣墊導軌及配套小車、光電門及DIS數字化傳感器設備、電子秤、智能手機、Tracker視頻追蹤軟件、彈性繩、橡皮筋、剪刀、墊塊、電磁鐵、PPT多媒體設備、課堂探究記錄單。

6 教學過程

6.1 課堂導入，引入新課

教師安排一較重的男同學和一較輕的女同學穿上相同的輪滑鞋，站在標有刻度線的地面上（沿刻度線方向站立）。女生向前用力推開男生，觀察推開后兩位同學在刻度線上運動的距離。

師：我們發現女生的位移比男生大，這說明推開后女生獲得的速度大。

為什么質量大的男生向前運動，獲得的速度小，質量小的女生向后運動，獲得的速度大呢？這里面蘊藏著怎樣的物理原理呢？今天就讓我們來一探究竟。

【設計意圖】通過觀察體重不同的男、女生相互推開后運動的距離大小，創設情境，引入新課。

6.2 課堂探究：碰撞中的不變量

（1）知識回顧，喚醒舊知

師：前兩節課，我們通過實驗研究了兩個物體的碰撞過程，我們意識到在碰撞前后這兩個時刻，兩物體的總動量很有可能是相等的。這多少帶有一些猜想的性質。

下面我們先通過實驗對上節課中這個猜想的正確性進行檢驗。請大家利用桌面上提供的器材自主確定實驗方案，并進行實驗測量。

（2）分組實驗，展示交流

學生分小組借助桌面上提供的實驗器材自主設計實驗探究方案，并進行實驗測量，實驗完畢進行小組展示交流。

學生實驗方案1：在水平氣墊導軌上用一個運動的小車碰撞另一個靜止的小車。小組4人分工合作，2人操作實驗，1人操作電腦，1人進行數據記錄。

學生實驗方案2：水平的氣墊導軌上放置兩輛靜止的小車。小車上的彈射器在橡皮筋的作用下處于壓縮狀態，剪斷橡皮筋，兩小車同時反方向彈開。小組4人分工合作，2人操作實驗，1人操作電腦，1人進行數據記錄。

兩個小組分別選取代表介紹各自的實驗過程和結論（圖 1、圖 2）。

圖1 第1組學生實驗數據記錄處理表

圖2 第2組學生實驗數據記錄處理表

教師總結發言。

師：以上的實驗，實驗情境不同，實驗結論卻相同。至此，我們完全可以確定，碰撞前后這兩個時刻，兩物體的總動量確實是相等的。

板書：碰撞中總動量前后相等。

【設計意圖】通過讓學生利用提供的實驗器材，自主設計實驗方案，進行實驗探究，結合數據得出實驗結論，進一步消除第1節“實驗：探究碰撞中的不變量”中碰撞前后總動量是否相等的疑惑，為本節課后續動量不但相等而且守恒創設思維上的接口。

6.3 課堂探究：碰撞過程中的守恒量

師：然而，我們知道碰撞是一個相互作用的過程，那在作用過程中的任意時刻，兩物體總動量是否都等于作用前的總動量呢？為此，我們就需要研究碰撞的具體過程，想辦法測量碰撞中任意時刻兩個物體的動量值。

（1）實驗探究：碰撞中的守恒量

教師介紹實驗器材和實驗原理。

如圖3所示，這是兩個中間固定有彈性繩的小車。將小車放置在氣墊導軌上，拉伸彈性繩到適當遠的距離后靜止釋放，小車就在彈力的作用下相向運動。我們就用這個較長的運動過程來模擬碰撞的短暫作用。這就解決了碰撞過程很短暫，難以捕捉和測量的難題。為了控制小車同時釋放，我們在導軌兩端加裝了兩個電磁鐵，利用設計好的電路實現電磁鐵的同時通斷電。

圖3 彈性繩-小車裝置模擬碰撞過程示意圖

接下來，我們利用視頻追蹤軟件Tracker進行數據處理，它能通過分析手機錄制的小車的運動視頻，確定各個時刻小車的動量值，并自動繪制小車運動過程中的動量-時間圖像。

實驗操作，現場處理數據。首先追蹤A車的動量值，接下來追蹤B車在與A車相同時刻的各個動量值，獲得兩個小車碰撞過程中的動量-時間圖像（圖 4）。

圖4 Tracker軟件處理后獲得的動量-時間圖像

師：請大家仔細觀察，這兩個圖像有什么樣的位置關系？能夠說明什么問題呢？

生：兩個圖像關于橫軸上下對稱，可以說明在過程中的任意時刻兩物體總動量都是0。

師：為了更加精確地確定各個時刻小車的動量和，我們可以把小車的動量值粘貼到Excel表格中，借助公式快速求和（圖5）。處理后發現各個時刻小車總動量的數量級都為10-3，考慮到誤差的影響，可以確定在各個時刻兩小車的總動量都為0，與釋放小車之前總動量相等。

圖5 用Excel表格計算的各個時刻小車的動量和（最右側一列）

教師及時進行總結和思路引導。

師：借助這個軟件，我們又有了新的發現。我們發現，對于碰撞現象，不但碰撞后這兩個時刻，兩物體的總動量與碰撞前相等，而且在碰撞過程中的任意時刻，兩物體的總動量都與碰撞前相等。也就是說，在整個作用過程中，兩物體的總動量是保持不變的。因此，我們可以說，在碰撞過程中兩物體的總動量是守恒的。

板書：碰撞過程中總動量守恒。

【設計意圖】借助教師自主設計的創新教具以及Tracker追蹤軟件，讓學生經歷碰撞過程中的動量守恒探究過程，讓學生親身體會到“守恒”二字的內涵，有助于其物理觀念的養成。

（2）理論推導：碰撞中的動量守恒

師：前面我們通過橡皮筋實驗以及運動小車碰撞靜止小車的實驗得出了動量守恒的結論。那如果是運動的物體碰撞另一個運動的物體呢？結論還是這樣嗎？我們把這個過程抽象為下面的一個模型。

如圖6所示，在光滑的水平桌面上做勻速運動的兩個小球，質量分別為m1和m2，沿著同一直線向相同的方向運動，速度分別為v1和v2，v1＞v2。當第一個小球追上第二個小球時兩球碰撞。碰撞后，兩小球速度分別為v'1和v'2。請利用動量定理推導碰撞前后系統總動量的數量關系。

圖6 兩小球碰撞示意圖

教師介紹碰撞情境，給出系統、內力、外力的概念。

教師引導學生根據這個物理情境，利用上節課所學習的動量定理推導碰撞前后系統總動量的數量關系。

教師展示一個學生的推導過程（圖7）。

圖7 學生推導過程展示圖

師：你寫的第一個表達式的含義和研究過程分別是什么？

學生介紹研究過程及含義。

師：在撞擊的過程中相互作用力是恒力嗎？合力的沖量可以用F△t來表示嗎？

教師引導學生利用微元法進行處理。即從整個作用過程中截取一段非常短的時間，由于時間很短，兩物體間的作用力可以看成是恒力。于是，分別對m1和m2列出動量定理的方程。

根據牛頓第三定律，這兩個力F與F'總是等大反向的，教師板書：F=-F'。

所以，它們的合沖量為零，系統總的動量變化量也為0。我們知道，整個作用的過程是由許許多多個這樣很短過程的疊加。

教師板書：將Σ求和號寫在上述兩個公式之中。

由于在每個很短的過程中動量變化量都為0，所以整個過程系統動量的變化量也為0。我們就可以得到這樣一個表達式：

這個表達式就說明兩物體碰撞后的動量之和等于碰撞前的動量之和，并且該關系式對于碰撞過程中的任意時刻都成立。我們通過理論推導，再次得出了兩物體碰撞過程中總動量守恒的結論。

【設計意圖】一方面，構建碰撞的理論模型，從理論推導的角度再次理解碰撞中的動量守恒規律，另一方面也為后續探究動量守恒的條件時仍從實驗探究和理論推導兩個方向入手的研究思路作鋪墊。

6.4 課堂探究：動量守恒的條件

教師總結：至此，我們通過實驗探究和理論推導這兩種方式都得出了碰撞過程中動量守恒的結論。那么，是不是在任何相互作用的過程中，兩物體總動量都守恒呢？

（1）提出猜想

教師進行演示實驗，學生配合一起做實驗。打開氣墊導軌，放置好小車，這次讓一個學生始終用手擋住一輛小車，剪斷橡皮筋，操作實驗，學生觀察現象。

師：這個過程中系統動量是否守恒呢？

生：動量不守恒，因為剪斷前系統動量為0，剪斷后系統動量不為0。

師：那這是為什么呢？動量守恒與否可能與什么因素有關呢？我們先來采訪一下剛才手扶小車的這位同學，看看有沒有一些線索。

師：你全程參與了剛才的實驗，你覺得總動量不守恒的原因可能是什么？

【設計意圖】此處的設計是為了借助學生的感官感受，提出力與動量守恒可能有關的設想。讓學生結合自身感受提出猜想，比直接告訴他們更有助于學科素養的培養。

生：我感覺可能跟受力有關系，因為剛才剪斷橡皮筋過程中，我感覺到小車對手有力的作用，所以我猜也許是跟手對小車施加了力有關系。

（2）制訂檢驗方案

那是不是由于手對小車有力的作用導致了系統的動量不守恒呢？怎樣去檢驗這個猜想呢？我們知道，理論研究和實驗探索都是物理學研究問題常用的手段，也許我們還可以從這兩個角度進行思考。

請大家小組討論，給出自己的檢驗方案。

小組代表發言1：對參與碰撞的兩物體進行理論分析，如果手對小車有力的作用，那么利用動量定理列式時，該公式（對 m1，F△t=m1v1'-m1v1）的左邊就會多了一個手的作用力的沖量，經過處理之后就沒法得到動量守恒的表達式了，因而確實應該是由于手對小車有力的作用導致了系統的動量不守恒。動量是否守恒應與系統所受的外力有關。

教師總結：F和F'為系統內力，內力引起的是相互作用的兩個物體的動量發生變化，但是兩物體的總動量保持不變。手的作用力為系統受到的外力，外力對系統的作用導致系統動量發生了變化，于是動量就不再守恒了。

小組代表發言2：可以做一些對比實驗，系統所受合外力為0的實驗，以及系統所受合外力不為0的實驗，通過大量的數據測量以及實驗條件的對比分析說明動量是否守恒與受力有關系。

教師展示動量守恒定律的內容。

眾多的理論和事實都表明：當系統不受外力或所受外力矢量和為0時，系統動量守恒。這就是動量守恒定律的內容。

（3）定量實驗檢驗，檢驗得出的守恒條件是否正確

師：動量守恒定律明確了判斷動量是否守恒的依據，也即是說當系統所受外力矢量和不為0時，系統的動量就不守恒。是這樣嗎？下面我們來做一個定量的檢驗。

在剛才的彈性繩小車實驗的基礎上，把調平的氣墊導軌一端墊高，讓導軌傾斜，使得系統所受外力矢量和不為0，再來測量碰撞中某時刻系統的總動量（圖8）。實驗發現，系統所受合外力不為0時，釋放小車后系統的總動量的數量級為10-1。與剛才導軌水平時相比，其數量級擴大了100倍（圖9）。這說明導軌傾斜時，系統合外力不為0時，系統總動量確實是不守恒的。

圖8 系統所受外力矢量和不為0時的驗證裝置示意圖

圖9 上述實驗數據記錄處理表

教師總結：通過前后兩個實驗的對比分析，充分說明了動量守恒定律的正確性以及守恒條件的合理性。

【設計意圖】通過理論推導和實驗驗證兩個維度對守恒條件進行分析和檢驗，符合學生本節課的認知習慣，同時也能鼓勵學生養成質疑、批判以及進行檢驗和修正的習慣，培養學生提出創造性見解的能力和品格［3］。

6.5 動量及其守恒定律建立的歷史過程

師：通過本節課的探究，我們較為順利地找到了動量守恒的規律。但是，我要告訴大家的是，歷史上動量以及動量守恒規律的建立經歷了較為曲折和艱辛的過程（圖10）。

圖10 動量概念和動量守恒定律建立的歷程

【設計意圖】用時間軸展現動量概念和動量守恒定律建立的歷程［4］，簡要說明動量及其守恒定律建立的過程中笛卡爾學派和萊布尼茨學派曠日持久的爭論。

師：我們從中可以體會到物理概念和規律建立過程中的這種艱辛。但是，物理概念和規律一旦建立，就會極大地促進科學的發展。當然，也可以解釋生活中的一些現象。

6.6 動量守恒定律的應用及普適性

從動量的角度來解釋課堂導入中互推實驗的實驗現象，觀看包含各種動量守恒現象的短片，體會其普適性。

師：你能從動量的角度來解釋本節課導入部分的實驗現象嗎？

生：在女生推開男生的過程中，系統動量守恒，因為初動量為0，所以質量大的男生獲得的速度小，質量小的女生獲得的速度大。

師：在女生推男生的作用過程中，因為推力比地面的摩擦力大得多，所以系統的動量可以近似看成守恒的。這也體現了模型建構中抓住主要因素、忽略次要因素的學科思想。我們學習物理就是要逐漸形成這種科學嚴謹的思維方式。

【設計意圖】教師的總結更加準確、嚴謹，有助于學生體會模型建構中抓住主要因素、忽略次要因素的學科思想，養成嚴謹的科學思維。

其實，動量守恒定律的應用不止于此。下面觀看包含各種動量守恒現象的短片。

教師總結：通過觀看視頻，我們發現大到天體的碰撞，再到身邊物體的碰撞（汽車碰撞、臺球碰撞等），再小到微觀粒子的碰撞，都與動量守恒密切相關，這些形形色色的碰撞現象都可以用“動量”以及“動量守恒”的語言來描述。這也充分體現了物質世界的多樣性和統一性，而我們的物理規律卻展現出了它的簡潔性與普適性。

【設計意圖】通過觀看動量守恒現象的短片，認識到物質世界的多樣性和統一性，感受物理規律的簡潔性與普適性。

6.7 課堂小結及作業

（1）課堂小結

今天我們通過實驗探究和理論推導的方式，挖掘出了隱藏在碰撞現象背后的物理規律——動量守恒定律。這標志著我們對物體間相互作用的研究又多了一條新的路徑。后續幾節課我們將繼續研究與動量守恒相關的現象和模型，并嘗試用這套動量和動量守恒的新的語言去描述其中的規律。

在剛才的短片中，你一定注意到了這樣一個器材（牛頓擺），每次抬起一定數量的小球，撞擊剩余的小球，總有等數量的小球彈起。這又是為什么呢？下一節課我們接著探究。

【設計意圖】既總結本節課知識，又引出下節課“碰撞”的內容，承上啟下，為下節課的學習提前留下思維接口。

（2）作業

①預習“碰撞”，嘗試理解碰撞中的速度交換問題。

②搜集資料，自主制作“水火箭”。

7 板書設計

如圖11所示。

圖11 動量守恒定律板書設計圖

8 教學反思

本節課突出了對學生物理學科核心素養的培養，通過實驗探究和理論推導，說明相互作用的兩個物體不僅作用前后系統總動量相等，并且在相互作用過程中，系統的總動量也是時刻保持相等的，從而深化了學生對動量守恒定律內涵的理解。本節課還適時適當地對動量守恒定律的條件進行了實驗探究，又從理論上對動量守恒定律及其守恒條件進行了推導，突出了物理學科思維的嚴密性。

本節課在課堂教學中突出了實驗儀器的創新，恰當利用視頻追蹤Tracker信息技術軟件助力課堂教學，收到了不錯的效果。

總之，本節課通過實驗和理論推導，促進學生核心素養的形成，教學氣氛融洽，教學效果較好。