動量定理演示實驗改進

摘" "要：在動量定理的課堂教學中，由于傳統的“雞蛋下落”演示實驗的兩個雞蛋受力面積不同，學生往往無法正確比較兩個雞蛋的受力大小，從而影響教學活動。利用常見器材設計了改進實驗，避免了兩個雞蛋受力面積不同對學生思考實驗現象的影響，在教學實踐中反饋良好。

關鍵詞：動量定理；物理教學；實驗設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）2-0057-3

動量定理是高中物理的一條重要物理規律，是力與運動內容的重要組成部分，是高考物理的重要考點之一［1］。由于動量定理只涉及研究對象的始末狀態，故對復雜的物理過程合理地運用動量定理，有時能有效地簡化物理過程和優化解題思路。特別是對于不涉及物體加速度和物體位移的力與運動的問題，應用動量定理通常會更為簡便。

根據人教版普通高中教科書物理選擇性必修第一冊（2019版），動量定理的表述為“物體在一個過程中所受力的沖量等于它在這個過程始末的動量變化量”，表達式為

I=p'-p（1）

或

FΔt=mv'-mv（2）

上式中I表示沖量，p和p'分別表示物體始末狀態的動量，F表示過程中物體所受合外力，Δt表示力F的作用時間，m表示物體質量，v和v'分別表示物體始末狀態的速度。從（1）和（2）式可得出結論：在某個過程中物體的動量變化量與物體所受合外力及合外力的作用時間有關。在傳統的動量定理課堂教學中，通常會演示“雞蛋下落”實驗來向學生定性說明動量定理［2］。筆者在教學實踐中發現該實驗存在較大的不足，教學效果不甚理想，對該實驗進行了一些改進。

1" " 傳統實驗——“雞蛋下落”

1.1" " “雞蛋下落”實驗在課堂教學中的作用

“雞蛋下落”實驗是動量定理課堂教學中的一個重要演示實驗，在滬科版（2020）、滬教版（2019）、教科版（2019）、魯科版（2019）等多版教材的動量定理內容中均有相關的實驗設計或問題思考。該實驗的具體設計如下：讓兩個形狀相似、質量相近的生雞蛋從同一高度同時靜止下落，分別落在硬質容器（或桌面等）和海綿墊上（或毛巾等），結果落在硬質容器中的雞蛋摔破了，而落在海綿墊上的雞蛋完好無損［3］，具體如圖 1所示。由于落在硬質容器中的雞蛋破了，說明雞蛋受力大，作用時間短；落在海綿墊上的雞蛋沒有破，說明雞蛋受力小，作用時間長。

“雞蛋下落”實驗的直觀性強、操作簡單、耗時短，實驗材料易于準備，緊扣教學內容，并且“生雞蛋摔破”這一實驗現象的趣味性強，容易引發學生思考，激發他們的學習興趣。基于以上種種優點，“雞蛋下落”實驗在動量定理的課堂教學中深受一線教師的歡迎［4］，往往被設置在課堂導入環節進行演示。

1.2" " “雞蛋下落”實驗在課堂導入環節的具體案例

常規教學片段：動量定理新課引入。

師：上節課我們已經學習了動量，動量是物體的質量和速度的乘積。例如，某個小球在自由落體運動過程中動量越來越大，或是小球向右水平運動碰到堅硬的墻壁后彈回，在這些過程中小球的動量都發生了變化，那么什么因素與小球的動量變化量有關呢？

生：力是改變物體運動狀態的原因，小球所受合外力改變了小球的速度從而使小球的動量變化，所以物體所受合外力是影響物體動量的因素。

師：那么，物體動量的變化量只受合外力影響嗎？還有沒有其他因素與物體的動量變化量有關？

學生不確定，無法給出統一的答案。

教師演示“雞蛋下落”實驗，并引導學生分析碰撞前后的物理量變化，如表 1所示。

師：根據上面的分析，兩個雞蛋的受力情況不同，但是動量變化量相同，所以物體所受合外力不是決定動量變化量的唯一因素。那么，還有什么因素會影響物體的動量變化量呢？讓我們進入今天的學習。

經過前面的演示實驗引入課堂后，可根據牛頓第二定律推導出動量定理，使學生明白在某個過程中物體的動量變化量與物體所受合外力及合外力的作用時間有關，從而回答課堂引入環節教師所設的問題，加深學生的學習理解，具體教學流程在此不贅述。

1.3" " 傳統“雞蛋下落”演示實驗的不足

筆者在經過多次教學實踐后，發現傳統的“雞蛋下落”演示實驗存在以下問題。該實驗希望學生根據雞蛋是否破碎的物理現象來比較兩個雞蛋在碰撞過程中的受力大小，得到兩個雞蛋的受力情況不同但是動量變化量相同的結論，進而說明物體所受合外力不是決定動量變化量的唯一因素，然后教師根據前面的推理引入合外力的作用時間和動量定理［5］。但是，在教學實踐中筆者發現，許多學生會傾向于用壓強與受力面積的關系來解釋雞蛋是否破損。

如圖 2所示，對于落在硬質容器中并破碎的雞蛋，學生會認為雞蛋與容器底部的接觸面積較小，即雞蛋的受力面積較小，所以雞蛋底部壓強較大，從而使雞蛋破碎；而由于海綿墊的凹陷，學生會認為落在海綿墊上的雞蛋的受力面積較大，導致雞蛋底部壓強較小，所以雞蛋沒有破碎，如圖 3所示。根據這種分析，學生無法比較兩個雞蛋的受力大小，也就無法達到課堂教學的預期目的，大大影響了教學效果，所以需要對“雞蛋下落”演示實驗進行改進，從而使學生的思路符合預期的教學目的。

2" " “雞蛋下落”演示實驗的改進設計

根據上文對傳統“雞蛋下落”演示實驗不足之處的分析，筆者選擇了如圖 4所示的兩個器材代替傳統實驗中的硬質容器和海綿墊。一個是上寬下窄的錐形玻璃杯，一個是與玻璃杯形狀一致的自制紙杯。改進實驗操作與傳統實驗類似：讓兩個形狀相似、質量相近的生雞蛋從同一高度同時靜止下落，分別落在玻璃杯和紙杯中，結果落在玻璃杯中的雞蛋摔破了，而落在紙杯中的雞蛋完好無損。

如圖 5所示，由于兩個雞蛋與杯子的接觸面積大小相近，所以學生在思考雞蛋破碎原因時不會考慮壓強與受力面積的關系，從而能正確判斷兩個雞蛋的受力情況不同，破碎的雞蛋受到的作用力大，沒破碎的雞蛋受到的作用力小，符合教學環節的預期目的，進而推動教學活動的正常進行。

筆者將此改進實驗多次在動量定理課堂教學中演示，學生不再考慮兩個雞蛋在碰撞時受力面積不同而導致的壓強差異，而是能正確地判斷兩個雞蛋的受力大小不同，教學效果與教學反饋都優于傳統“雞蛋下落”實驗。

3nbsp; " 結" 語

基于動量定理教學中傳統“雞蛋下落”演示實驗存在的不足，用一個上寬下窄的錐形玻璃杯和一個與玻璃杯形狀一致的自制紙杯作為實驗器材進行實驗改進。改進實驗中兩個雞蛋與兩個杯子的接觸面積相似，從而避免了兩個雞蛋受力面積不同對學生思考實驗現象的影響，幫助學生正確地將雞蛋是否破碎歸因于雞蛋的受力情況不同，從而有效推動教學活動的進行。并且該改進實驗還保留了傳統“雞蛋下落”演示實驗直觀性強、趣味性強、操作簡單、耗時短、實驗材料易于準備、緊扣教學內容等特點，符合學生的學習認知規律，值得在課堂教學中普遍推廣。

參考文獻：

［1］林美娟，羅雯姝，馮卓宏.定量驗證與探究變速圓周運動向心力的創新實驗設計及應用［J］.物理教師，2023，44（7）：45-48.

［2］賴莉飛，王笑君.動量定理定量探究實驗的設計［J］.物理實驗，2003，23（8）：29-30.

［3］孫登全.以動量定理教學為例談高中物理規律課教學策略［J］.中學物理教學參考，2019，48（12）：41-42.

［4］李佳.高中物理課堂提問教學研究——以動量定理教學片段為例［J］.數理化解題研究，2023（15）：80-82.

［5］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.

（欄目編輯" " 劉" "榮）

收稿日期：2023-11-08

作者簡介：謝承峰（2001-），男，碩士研究生，主要從事物理教學研究。