2019-2020年高中物理16.1实验：探究碰撞中的不变量教案(1)新人教版选修3-.pdf

2019-2020 年高中物理 16.1 实验：探究碰撞中的不变量教案（1）新人教版选修 3-5 目的要求 通过这节课的学习，让学生掌握科学探究的思维方法，从最简单的关系开始寻找，利用身边的资源及 已学过的原理，来完成该实验的探究过程。重难点分析 一、重点 本节课的重点在于如何让学生掌握科学探究的方法。如何真正实现探究的过程。二、难点 本节课的难点在于，如何启发学生利用身边的一切可利用资源，来自行设计可行性较强的实验方案。新课教学 一、新课引入 碰撞是自然界中常见的现象。比如，两节火车车厢之间的挂钩靠碰撞相连，台球由于两球的碰撞而改 变运动状态。两个迎面而来的人相撞后会相仰而倒，或者各自后退。在微观粒子之间，更是由于相互碰撞 而改变能量，甚至由于撞击而使得一种粒子转化为其他粒子。二、新课教学 由很多例子可知，两个物体碰撞前后的速度都会发生变化，物体的质量不同时速度变化也不一样。那 么，碰撞前后会不会有什么物理量保持不变？这节课主要介绍研究这个问题的实验。（一）实验的基本思路 研究最简单的情况两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿同一直线运动。这种碰撞叫做一 维碰撞。思考一下，在一维碰撞的情况下，与物体有关的物理量有哪些？（学生答：质量 m 速度 v）为什么与质量 m 有关？（学生答：相互作用力下，质量越大的物体速度改变越慢）设两物体质量分别为 m、m,碰撞前速度分别为 V1、V2，碰撞后速度分别为、。速度为矢量，因而需规 定正方向。问题是：物体的质量和速度在碰撞前后有什么不变的关系？质量必定是不变的，但质量只是惯性的量度，无法描述物体的运动状态。而速度却是在碰撞前后改变 的，那么，可否有一个物理量为质量与速度的某种关系，却又恰好能在碰撞前后保持不变呢？可能关系：1 2 1 2 1 2 1 2 一 ITHW m2v2 m1v1 m2v2 2 2 2 2 T这个关系不可能。碰撞前后能量必有损失，只是多少的问题。而我们要寻找的物理量是在任何 一种碰撞中都不变的量。rniiW m2v2 二 m1v1 m2v2 m v 组成的关系有很多种可能，因而需要通过实验来寻找。（二）学生阅读课本参考案例一、二、三，思考并回答以下问题。1、要完成这个实验，首要必须考虑的问题是什么？案例中如何实现这一条件?（首要必须保证碰撞是一维的，即必须保证两物体在碰撞前后均沿同一直线运动。可采用气垫导轨、光滑平板等）2、该实验必须测量什么物理量？（物体的质量 m 物体碰撞前后的速度 v）3、如何测量这些物理量？（质量的测量：天平、弹簧秤等 速度的测量：光电计时装置、打点计时器等）4、物体的质量是否一定得测量出来？（不一定。可以使用多个完全一样的物体，组成质量比确定的关系即可）5、除了案例介绍的方法，还有什么方法可以测量速度？（粗略测量时，可以采用刻度尺测量位移、秒表测量时间来求出速度等）6、记录数据的表格如何设计？（三）要求学生再次研究课本介绍的案例，思考归纳课本案例中的优点与缺点？（包括可操作性以及误差来源）（四）要求学生自行设计可行性的实验方案（例如：利用平抛运动原理，利用斜面等）（五）补充说明：实验中还需注意两点：1、碰撞不单止两个物体相碰，原来连在一起的两个物体，由于具有相互排斥的力而分开，也是一种 碰撞。例如：用细线将弹簧片拉成弓形，连接两个物体，在某一时刻将细线烧断，两物体运动；炮弹爆炸成 速度不同的碎片等。2、碰撞时难免有能量损失，只有当某个物理量在能量损失较大和损失较小的碰撞中都不变，则才是 我们寻找的不变量。能量损失较小：即使得碰撞接近弹性碰撞，可在两滑块相碰的端面装上弹性碰撞架 能量损失较大：可在滑块的碰撞端面贴胶布，可增大。或者在两个滑块端分别装上撞针和橡皮泥等。（六）布置课后自行阅读学生实验手册实验，下节课进行学生实验。三、课堂练习 课本 P6 问题与练习 2 2019-2020 年高中物理 16.1 实验：探究碰撞中的不变量教案（2）新人 教版选修 3-5 新课引入：请大家回忆一个概念：什么叫力？力是物体和物体之间的相互作用。而有些物体间的 相互作用显得有些剧烈，那就是碰撞！碰撞是很常见的现象：大到宇宙空间天体之间、天 体飞行器之间的相互碰撞，小到微观粒子之间的碰撞。（显示图片）回到我们生活的空间，我来给大家看几种碰撞：演示实验：演示：两个摆球在最低点的碰撞：1、质量大的撞击质量小的；2、质量小的撞击质量 大的；3、两个运动小球之间的对碰；4、质量相等的小球之间的碰撞。（玩具碰）小结：不同情况下，相互碰撞的物体运动状态改变且改变情况不相同，那么在碰撞前后会 不会有什么物理量不变（就象自由落体过程中机械能不变一样）引入：今天我们用最简单的碰撞来研究 两个物体的一维碰撞：碰撞前后两个物体都在 同一直线上运动。在一维碰撞里面，质量不变，但它显然不是我们追求的不变量；速度变化了（考虑到 速度的矢量性，我们要选定一个正方向，如果速度和选定的正方向一致，取正值，否则取 负值）问题：因为质量不同的时候，速度的变化情况也不一样，所以我们寻求的不变量应该和质 量相关、和速度相关，是什么呢？猜想：会不会是两个物体各自的质量与自己速度的乘积之和是不变量？即：mv1+mv2=mv1+mv2 成立 或者，各自的质量与自己速度的二次方的乘积之和是不变量？即：mv12+mv22=mv1 2+mv2 2成立 或者，两个物体的速度与自己质量的比值之和是不变量 即:成立 或者.我们的实验需要考虑的问题：1、如何保证碰撞是一维的，保证两物体在碰撞前后在同一直线上运动；2、如何测量物体的质量；（天平，弹簧秤）3、怎样测量物体的速度。4、数据表格：对比、探究、验证实验中，如何设计一个直观、方便的表格也是成功 的关键所在。给出参考表格，可自己设计更方便的表格。研究方案一：运动的小球撞击静止的小球 幻灯片 实验小结：1、由于各种误差的存在，相对误差在 5 姬内的，我们可以认为这两个值相等，由于我们 使用的方法、器材的局限，能在 10%以内也算可以了，但超过 20%以上的，一般就不认为 相等了。2、提问：能小于 10%勺是第几组物理量？征集：讨论的问题中，有相对差值小于 5%的。3、展示成果：得到结论：在误差允许的范围内，从实验结果看，在各种碰撞的前后，系统 值；而系统“m/之和有的情况下是一个定值，而有时变化很大。刚才大家所研究的都是一个运动的物体去碰一个静止的物体 1 质量的测量：天平；2、保证一维碰撞：利用斜槽末 端水平槽控制小球做水平方 向运动；3、速度的测量：由于入射球和 被碰小球碰撞前后均由同一 高度飞出做平抛运动，飞行时 间相等，若取飞行时间为单位 时间，则数值上可用水平位移 代替水平速度。17g 和 2.5g 研究方案二：运动的小车撞击静 止的小车后成为一个整体。1、质量的测量：天平；2、保证一维碰撞：四轮小车 在平板上运动 3、速度的测量：利用打点计 时器和跟随小车的纸带来测 量小车的速度。(Vi=Sio/IOT，Vi=V2=Slo/IOT)機皮遛 打点汁时器 mV之和是一个定(弹性很不好的时候成为 一个整体，弹性比较的时候分开），那么如果两个物体都具有一定的初速度，刚才的结论 还成立吗？研究方案三：气垫导轨上两个滑块的碰撞 1 质量的测量：弹簧秤；2、保证一维碰撞：气垫导轨保证了两滑块 碰撞前后都在同一直线上 3、速度的测量：利用光电计时器计下挡光 片挡光的时间 t，再测出挡光片的长度 L,可得滑块的速度 v=L/t。4、实验操作：1）有弹性圈 2）橡皮泥 3）碰后成为一整体 数据评点：1、各时间的物理意义 2、有关速度的方向 3、每组数据三个比较 4、得出结论：（看时间可让学生讨论，得出结论）结论：系统各部分的“mV（矢量，要考虑方向）的总和是一个定值，所以我们给“mV 一个名称叫动量 P。刚才的结论就是一个很重要的定律一一动量守恒定律。这是个适用范 围比牛顿定律还要广的定律。它不仅仅适用于一维碰撞，还适用于二维、三维，多个物体 之间的作用，当然，它有一定的适用条件，具体我们要到后面详细研究。思考：有些情况下，系统“mV2”之和在碰撞前后相等，这能否给我们一些启示?提示：要是 mvi2+mv22=miVi/2+njV2/2两边同时乘以 1/2 呢？回顾玩具碰：为什么？课后思考：满足什么样的条件，两个小球碰撞以后会交换速度?