让理性的思考在实践中得以延伸

                     ——《动量守恒研究课》设计方案

             作者：贾 杰           学科：物 理

内容提要：

在《动量守恒定律》常规教学之后，由学生在气垫导轨上亲自进行守恒定律的实验验证，使学生获得对动量守恒定律的感性认识，并与以往所学的理性知识交相呼应，深化了对定律的理解。通过探索实验仪器的改进方案，解决实际操作过程遇到的问题，分析实验误差等，培养学生的观察和实验能力、分析解决问题的能力、创新意识和协作意识。此外利用气垫导轨装置、光电门数据采集装置结合微机数据处理系统使得此实验的精度较传统实验高得多，也有助于培养学生严谨、求实的科学态度。

关键字：气垫导轨、光电门、接口箱、物理微机实验辅助系统。

一、教学设计思想

动量守恒定律是力学知识中的一个重点内容，相对于牛顿运动定律来说具有适用范围广、便于对复杂过程分析等优越性，使其成为研究力学问题的重要工具之一。在学生系统学习动量守恒的基本知识后，利用气垫导轨实验来验证动量守恒定律，并利用光电门装置采集实验数据，通过接口箱输入计算机，由《物理实验微机辅助教学系统》进行数据处理，提高了实验精度，节约了处理数据的时间。通过观察实验现象，分析比较实验数据，寻找结论等一系列亲身体验，并得到与以往理论学习的相同的结论，不但充分体现了物理学是一门实验科学的特点，增强了对动量守恒定律的感性认识，还通过动脑、动手、动口、积极参与教学过程，最大限度的培养学生能力。

二、教学目标、重难点的确定

    本节课建立在系统学习动量守恒定律内容之后，作为课堂教学的深化与补充，故将教学知识目标定为：通过实验使学生获得对动量守恒定律以及守恒条件、适用范围的感性认识，进一步明确动量守恒情况下能量的变化情况。能力目标为通过学生分组实验，亲自参与教学，增强学生的动手能力，实验能力，并培养学生创新能力以及发散思维的能力。以及培养学生发现、解决问题的能力；培养学生的协作意识。

由于在此之前学生对气垫导轨使用、光电门测量装置的原理很熟悉，故本节课的重点在于通过对实验数据的分析、整理，得出动量守恒定律的内容以及适用条件、适用范围并在此基础上明确动量守恒时能量的关系。教学难点在于实验误差分析，以及对实验具体操作技巧的把握。

三、教学流程设计

（一）课题的引入

在系统学习动量守恒之后，我们利用物理微机实验室的仪器，对气垫导轨上两个滑块相互作用前后系统的动量变化情况进行研究，获得对动量守恒定律、守恒条件、适用范围的感性认识，进一步明确此过程中能量的变化情况。

设置实验思考题：

1、验证动量守恒，需要测量哪些物理量？

2、系统动量守恒的条件是什么？与两个物体接触面的性质、相互作用前两滑块的运动情况有没有关系？如何通过实验验证。

3、物体相互作用过程中动量守恒，系统的总能量是否守恒？总能量的变化规律如何？

组织学生讨论思考题，明确实验原理，设计实验方案。

（二）实验原理、装置的简介

     在水平气垫导轨上研究两个滑块相互作用的过程中系统动量的变化情况，以及能量的变化情况。实验仪器如图所示。

利用光电门测量滑块相互作用前后通过光电门时挡光片的遮光时间，计算滑块m₁、m₂相互作用前后的速度，根据，验证系统相互作用前后动量守恒。此外计算系统相互作用前后的总动能、，以及能量的变化量，并分析相互作用过程中的能量变化规律。

（三）学生分组实验

为了研究接触面的性质以及相互作用前物体运动情况对动量以及能量的变化有无影响，根据接触面性质、运动情况的不同组合分成弹性圈的动碰静、弹性圈对碰、弹性圈追碰，裸块的动碰静、裸块追碰，粘扣的动碰静六种组合，采取相互合作的方式，每小组验证一种情况，填写实验记录单，最后将实验结果汇总一起分析。

（四）汇总、分析实验数据

选取具有代表性的实验数据（参见附表一），由学生对实验数据进行分析。教师提出思考问题：由实验结果可知虽然相互作用形式不同，作用之前的运动状态不同，但动量均守恒，这一现象说明什么？相互作用形式的不同到底影响了什么？引导学生在动量守恒的基础，进一步分析能量的变化情况。最后由学生得出实验结论：相互作用形式、作用之前的运动状态等情况不会影响系统的总动量，只能影响到系统的能量。当接触面性质不同能量损失情况不同。

（五）拓展到其他相互作用

验证了系统在弹力作用下的动量守恒，进一步提出：能否对现有实验仪器进行改进，来验证其他性质力相互作用时的系统动量守恒的问题。指导学生进行讨论。

总结学生的讨论结果。并展示自制教具

方案1、将永磁体固定在滑块上，同名磁极相对，压缩后由静止释放向相反方向运动（或相向运动，在彼此弹开），验证在电磁力作用下的动量守恒。

方案2、通过垫块将毛刷固定于滑块1上，滑块2上固定一平板。滑块1运动之后，通过毛刷和平板间的摩擦力作用带动滑块2运动，验证系统在摩擦力作用下的动量守恒。

分析实验数据（见附表二）

学生：可能是轨道不水平或空气阻力的影响造成系统所受到的外力和不为零。

教师：若由于轨道不水平或空气阻力的影响而造成动量不守恒，那么实验结果要么偏大，要么偏小，不会时大，时小。此次实验和前面同学们所做的分组实验是在同一种环境下进行的，空气阻力的影响一直存在，但在前面分组实验中较好的验证了动量守恒，说明空气阻力的影响不是此次实验结果偏差较大的原因。将滑块在气垫导轨上由静止释放，发现滑块可以保持静止状态，说明实验结果偏差不是由轨道不水平造成的。

学生：可能是由于固定光电门的铁制金属架和永磁体的相互作用，导致系统外力和不为零。

教师：如何验证这种猜想是否正确。

学生：将固定永磁体的滑块在气垫导轨上由静止释放，发现滑块总是向着固定光电门的铁制金属架方向运动，说明光电门的固定装置和永磁体的相互作用，导致系统外力和不为零。不满足动量守恒的条件。

教师：通过演示实验，我们成功地验证了在摩擦力的作用下系统的动量守恒，但验证电磁力的作用下系统动量守恒时实验失败。究其原因，是由于没有满足系统所受外力和为零这一动量守恒的条件，并非动量守恒定律不适用于电磁力的作用。虽然这次实验验证以失败告终，但可以让我们深刻认识到动量守恒定律成立的条件。

（六）总结

通过本节课的学习，使我们较为深刻得理解到无论相互作用形式如何，只要满足动量守恒的条件，系统的总动量就守恒这一事实，并进一步明确相互作用形式的不同只能影响系统的总能量。

四、教学效果反馈

     在动量守恒定律常规教学之后，在实验室内由学生亲自动手进行实验验证，并将定律的内容加以扩展，使学生通过实验获得了关于动量守恒定律的感性认识，与以往所学的理性知识交相呼应，深化了对定律的理解。与此同时还通过探索实验仪器改进方案，解决实际的操作过程中遇到的一些细小的由操作技巧带来的问题，使学生体验了积极思考，独立自主的解决问题所带来的乐趣，极大地调动了学生学习的积极性，并使学生认识到理论研究和实验验证的差别。此外利用气垫导轨装置、光电门数据采集装置结合微机数据处理系统使得此实验的精度较传统实验高得多，也培养了学生严谨的实验态度。

附表一：

附表二：