通過信息技術創設實驗情境落實核心素養

孫翱

【摘要】本文利用DISLab速度傳感器創設實驗情境，描繪碰撞物體運動的v－t圖象.抽象建立碰撞模型對彈性碰撞和非彈性碰撞的v－t圖象進行分析.利用Geogebra軟件模擬彈性碰撞和非彈性碰撞的物理情境，繪制出v－t圖象，探究質量不同時碰撞物體的速度關系.將碰撞模型推廣，通過高考題探討碰撞模型在高考中的應用.

【關鍵詞】高中物理；實驗教學；Geogebra軟件

1 引言

物理學科核心素養強調“科學思維”，“科學思維”是從物理學視角對客觀事物本質屬性、內在規律及相互關系的認知方式.碰撞與爆炸模型是動量守恒中的常見模型，以“彈性碰撞與非彈性碰撞”這節課為例，教師應引導學生建立一維碰撞模型，要求學生能夠利用牛頓第二定律分析碰撞中物體的運動規律、能夠從動量守恒的角度研究碰撞系統的不變量、從能量守恒的角度分析系統內物體間的能量轉化關系，進而掌握碰撞中的內在規律.

2 利用實驗創設情境

利用DISLab信息系統可以在實驗室繪制出兩物體碰撞的v－t圖象.控制碰撞類型相同，讓學生嘗試同質量物體碰撞、大質量與小質量物體碰撞和小質量與大質量物體碰撞，并對比繪制出的v－t圖象.改變碰撞物體間的連接方式，如由彈性圈（彈性碰撞）改為磁鐵（完全非彈性碰撞）再次進行實驗，獲得運動的v－t圖象，將這些圖象進行對比，引導學生觀察圖象的區別和聯系.

之后，教師進一步引導學生利用軟件計算出碰撞前后系統的總動量，發現在誤差允許范圍內，無論碰撞類型如何，無論兩物體的質量關系如何、速度如何，碰撞前后系統動量守恒.進一步讓學生算出碰撞前后系統的總動能，發現碰撞后物體粘在一起的情況系統動能有損失并且損失最大，物體通過彈性線圈連接的情況，系統的動能幾乎沒有損失.

3 基于實驗情境建構物理模型

接下來教師引導學生建立一維碰撞物理模型，并從能量角度進行分析.設質量為m的物體A和靜止的與彈簧連接的質量為m的物體B碰撞.將兩物體看作系統，在發生碰撞的過程中系統的一部分動能轉化為彈簧的彈性勢能，當t時刻彈簧壓縮最短時，彈簧的彈性勢能最大，此時系統的動能之和最小，兩物體共速，如果這時兩物體粘在一起不再分開，兩物體的機械能損失最大，就是完全非彈性碰撞.若兩物體分開，則之后彈簧逐漸恢復原長，彈簧的彈性勢能逐漸減小，系統動能之和逐漸增大，在t時刻彈簧恢復原長，系統動能之和與碰撞之前的動能之和相同，系統沒有機械能的損失，0－t的過程相當于發生了彈性碰撞.非彈性碰撞在機械能損失上就是介于彈性碰撞與完全非彈性碰撞之間的一類碰撞.

接下來教師啟發學生對碰撞規律進行探究，發生彈性碰撞時，由動量守恒和機械能守恒：

從（6）式可得若m的質量小于m的質量，則v′為負值.若m的質量大于m的質量，則v′為正值.即在圖象中，通過v′₁的正負可以判斷m質量與m質量的關系.

教師進一步啟發學生思考m=m，m≥m，m≤m三種情況下兩物體速度的關系和實際生活中的應用.教師啟發學生整理出三種情況下v′和v′的關系，

4 利用Geogebra進行軟件模擬

計算機軟件配合物理教學已經成為一種趨勢，利用Geogebra軟件可以生成模擬碰撞程序，可以直觀顯示m=m，m≥m，m≤m三種情況下碰撞的v－t圖象和物體碰撞過程的動畫.接下來用Geogebra軟件模擬碰撞過程，將物體質量設置為相同，改變參數ratio來調節碰撞類型，ratio=0為完全非彈性碰撞，在可視化軟件中兩個物體將彈簧壓縮到最短后共速前進.ratio=1為彈性碰撞，兩物體碰撞后分開，并且實現速度的交換.ratio=0到ratio=1之間皆為非彈性碰撞.

將兩物體的質量分別設置為m=1和m=2，質量為m的物體在碰撞后速度反向.設置m=2和m=1，兩物體在碰撞后運動方向相同.

將m設置為100，m設置為1，該模型可以模擬當m遠大于m的情況，即碰撞后m的速度幾乎沒有改變，m以2v的速度被撞出去.將m設置為1，m設置為100，該模型可以模擬當m遠小于m的情況，即碰撞后m被彈了回去，m以原來的速度向反方向運動，仍然靜止.

至此，教師再結合生活中一些碰撞實例或現場演示，如冰壺運動、皮球撞擊墻面、大質量貨車撞擊輕小物體等，使學生在物理情境中更加直觀地體會物理過程.

5 模型推廣——兩物體都有初速度情況下的碰撞

為了鍛煉學生的高階思維，可以將該模型推廣到更一般的情況，即兩物體都有初速度的碰撞.

由彈性碰撞動量守恒和機械能守恒：

例1 如圖1所示，一質量為m的物塊A與輕質彈簧連接，靜止在光滑水平面上；物塊B向A運動，t=0時與彈簧接觸，到t=2t時與彈簧分離，第一次碰撞結束，A，B的v－t圖象如圖2所示.已知從t=0到t=t時間內，物塊A運動的距離為0.36vt.A，B分離后，A滑上粗糙斜面，然后滑下，與一直在水平面上運動的B再次碰撞，之后A再次滑上斜面，達到的最高點與前一次相同.斜面傾角為θsinθ=0.6，與水平面光滑連接.碰撞過程中彈簧始終處于彈性限度內.求：

（1）第一次碰撞過程中，彈簧彈性勢能的最大值；

（2）第一次碰撞過程中，彈簧壓縮量的最大值；

（3）物塊A與斜面間的動摩擦因數.

解析 第一問通過分析圖象找到系統彈性勢能最大的位置，通過速度信息結合動量守恒和能量守恒，獲得兩物體的質量關系和彈性勢能最大值.第二問考查對v－t圖象與t軸圍成面積的理解，通過動量守恒建立兩物體速度關系，利用積分思想得到位移關系進行求解.第三問是多過程問題，A滑上斜面后與B發生二次碰撞，結合能量守恒、動能定理、動量守恒等知識聯立方程求解.

6 模型推廣——兩物體通過彈簧連接

將剛才的碰撞模型做進一步推廣，將A與B連接，給A或B施加一個初速度.A有水平向右的初速度的情況：0－t，A快B慢，彈簧壓縮，t時刻彈簧壓縮到最短，此時彈性勢能最大;t－t彈簧逐漸恢復原長，B繼續加速;t時刻彈簧彈力為零，B速度達到最大.t－t;B比A運動的快，彈簧開始拉伸;t時刻彈簧拉伸到最長，兩球再次共速;t－t彈簧逐漸恢復原長;t時刻彈簧為原長，完成一個周期的運動.

以2021高考湖南卷為例，來看看這一模型的應用.

例2 如圖3，質量分別為 m，m的A，B兩物體用輕彈簧連接構成一個系統，外力F作用在A上，系統靜止在光滑水平面上（B靠墻面），此時彈簧形變量為x.撤去外力并開始計時，A，B兩物體運動的a－t圖象如圖4所示，S表示0到t時間內A的a－t圖線與坐標軸所圍面積大小，S，S分別表示t到t時間內A，B的a－t圖線與坐標軸所圍面積大小.A在t時刻的速度為v.下列說法正確的是（ ）

（A）0到t時間內，墻對B的沖量等于mv.

（B）m>m.

（C）B運動后，彈簧的最大形變量等于x.

（D）S－S=S.

解析 題目綜合考查學生對動量定理、動量守恒、能量守恒等概念的理解，考察從a－t圖象獲取信息的能力.從t時刻以后A，B整體脫離墻面向右側運動過程中系統動量守恒，t時刻兩物體加速度為零，彈簧為原長，t時刻兩物體加速度達到最大，彈簧伸長量最長，兩物體共速，圖象與t軸圍成面積代表速度變化量，可分析出（D）選項.

7 結語

彈性碰撞與非彈性碰撞一課中通過物理實驗創設情境，體現情境化教學，使學生加深對物理模型的理解.學生在實驗活動中小組分工合作，充分落實科學探究的核心素養.通過Geogebra軟件模擬理想化情況的物體碰撞，將理論推導和可視化的圖象驗證相結合，避免了空泛的思考.最后將理論模型推廣，鍛煉學生的高階思維，與近年高考相結合，實現核心素養導向下的教學評的一體化.

【基金項目：遼寧省教育科學規劃課題《中小學教師數字素養的影響因素及提升策略研究》；課題編號：JG20CB037】

參考文獻：

［1］盛寶驥.用GeoGebra軟件描繪電荷電勢分布[J].物理教師，2018，39（01）：71-73.

[2]阮享彬.核心素養導向的物理生活化探究教學實踐[J].中小學教材教學，2018（10）：17-20.

[3]蔣煒波，王宏.物理實驗的設計如何指向學生科學思維的培養[J].物理教學，2019，41（12）：10-12+9.

[4]浦建軍.讓物理概念在課堂中自然生成——基于《圓周運動》案例的比較研究[J].中學物理教學參考，2011，40（09）：17-20.

[5]俞菊明.談物理習題的問題化教學[J].物理教學，2011，33（09）：46-47.