高中物理 人教版 選修一《動(dòng)量守恒定律》第五課時(shí)《彈性碰撞與非彈性碰撞》 教學(xué)設(shè)計(jì)

2022年安徽省普通高中物理新課程新教材優(yōu)質(zhì)課評選暨優(yōu)秀課例匯集活動(dòng)課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)教材版本人教版高中物理教材授課章節(jié)選擇性必修第一冊第一章授課教師學(xué)校名稱合肥一六八中學(xué)12022年安徽省普通高中物理新課程新教材優(yōu)質(zhì)課評選暨優(yōu)秀課例匯集活動(dòng)《1.5彈性碰撞與非彈性碰撞》教學(xué)設(shè)計(jì)一、教材分析本節(jié)教學(xué)內(nèi)容選自人教版高中物理教材選擇性必修第一冊第一章第5節(jié)。本章前4等概念和規(guī)律，后2節(jié)則是在兩種真實(shí)、典型、有意義的情境的對“動(dòng)量守恒定律”的應(yīng)用。前面幾節(jié)課主要從能動(dòng)量的角度研究碰撞現(xiàn)象，學(xué)生對碰撞種的能量變化也有一定的了解，但還不清楚。本節(jié)則進(jìn)一步研究碰撞種能量的變化，教材編寫思路是以碰撞實(shí)例為載體，經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究、理論推導(dǎo)，在真實(shí)情境中建立彈性碰撞和非彈性碰撞的相關(guān)概念。教材創(chuàng)設(shè)了兩個(gè)小球彈性碰撞的情境，先引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用動(dòng)量守恒定律和機(jī)械能守恒定律去解決典型的碰撞問題，推導(dǎo)兩個(gè)小球在彈性碰撞后的速度表達(dá)式。隨后，又引導(dǎo)學(xué)生從一般到特殊，對三種特殊情況展開討論，得出碰后兩球末速度的表達(dá)式，便于快速判斷與評估生活中實(shí)際現(xiàn)象對應(yīng)的碰撞類型。學(xué)生通過對彈性碰撞和非彈性碰撞的討論，進(jìn)一步加深對動(dòng)量和動(dòng)能的理解，提升運(yùn)動(dòng)與相互作用觀及能量觀。二、學(xué)情分析經(jīng)過前面四節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)到理論，再從理論到實(shí)驗(yàn)，從動(dòng)量的角度討論和分析了多種碰撞現(xiàn)象，如汽車的碰撞隕石的撞擊等，建立了動(dòng)量變化與相互作用時(shí)間累積之間的關(guān)系。另一方面，通過上一節(jié)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已具備自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案采集和分析數(shù)據(jù)的科學(xué)探究的能力。學(xué)生雖然對于碰撞過程中能量的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化也有所了解，但還不清晰，同時(shí)對于碰撞過程中的動(dòng)力學(xué)分析較為陌生，對于彈性碰撞的規(guī)律還不了解。另外三、教學(xué)目標(biāo)（一）物理觀念2通過對碰撞前后能量變化的研究，了解彈性碰撞和非彈性碰撞碰撞特點(diǎn)，并能對生活中的碰撞進(jìn)行分類。（二）科學(xué)思維分別通過對非彈性碰撞和彈性碰撞的實(shí)例分析，提高模型建構(gòu)、抽象概括、演繹推理和科學(xué)論證的能力，學(xué)會(huì)用能量觀、動(dòng)量和動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)解釋一維碰撞問題。（三）科學(xué)探究通過實(shí)驗(yàn)探究和碰撞球?qū)嶒?yàn)裝置的制作，經(jīng)歷觀察現(xiàn)象、提出問題、實(shí)驗(yàn)探究、理論推導(dǎo)的科學(xué)探究過程，提升學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)碰撞的科學(xué)本質(zhì)，了解生產(chǎn)生活中各類碰撞現(xiàn)象，樹立愛惜生命，保護(hù)資源等社會(huì)責(zé)任意識(shí)。四、教學(xué)重與難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：1.理解彈性碰撞與非彈性碰撞的物理過程及其特點(diǎn)；2.能應(yīng)用機(jī)械能守恒定律和動(dòng)量守恒定律，解決生產(chǎn)生活中相關(guān)的實(shí)際問題。教學(xué)難點(diǎn)：1.掌握碰撞過程的動(dòng)量、能量和動(dòng)力學(xué)分析；2.推導(dǎo)并理解彈性碰撞規(guī)律的。五、教學(xué)資源實(shí)驗(yàn)器材：軌道、小車、光電門和數(shù)字計(jì)時(shí)器、自制碰撞實(shí)驗(yàn)裝置等多媒體資源：實(shí)驗(yàn)視頻、多媒體課件六、方法與策略本節(jié)主要采用基于大單元教學(xué)下的以問題為導(dǎo)向教學(xué)法，具體教學(xué)法有：問題引導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)探究、分組討論、合作學(xué)習(xí)、講授與評價(jià)等。教學(xué)中始終以現(xiàn)實(shí)問題為主線，在驅(qū)動(dòng)問題的提出和各個(gè)任務(wù)的學(xué)習(xí)中采取了問題引導(dǎo)法；探究法則是在學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案中得以體現(xiàn)；學(xué)生分組利用討論法得出彈性碰撞和非彈性碰撞的概念的內(nèi)容；教師的講授和評價(jià)，則貫穿在項(xiàng)目實(shí)施的各個(gè)補(bǔ)充環(huán)節(jié)。以問題為導(dǎo)向教學(xué)法最大程度保障了學(xué)生的主體性和教師的主導(dǎo)性，整個(gè)教學(xué)過程始終圍繞教學(xué)目標(biāo)展開。3七、教學(xué)過程教學(xué)線索設(shè)計(jì)本節(jié)課總體貫穿兩條線索，首先是物理觀念線索：實(shí)驗(yàn)探究碰撞前后的能量變化→彈性碰撞與非彈性碰撞的概念特點(diǎn)→碰撞具體過程分析→碰撞實(shí)例的動(dòng)量和能量分析；科學(xué)思維與探究線索：觀察現(xiàn)象→提出問題→實(shí)驗(yàn)探究→抽象概括→演繹推理→反思交流→深入拓展。學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)（一）創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境、引入新課【創(chuàng)設(shè)情境】從宇宙中的天體到生活中的物體，再到微觀世界中的粒子，碰撞無處不學(xué)生活動(dòng)：舉出生活中碰撞現(xiàn)象實(shí)例，并回顧碰撞的特點(diǎn)及碰撞中蘊(yùn)含的物理規(guī)律。驅(qū)動(dòng)問題：物體碰撞中動(dòng)量守恒。那么，在各種碰撞中能量又是如何變化的？設(shè)計(jì)意圖一方面回顧已有知識(shí)，另一方面啟發(fā)學(xué)生從能量角度思考碰撞問題，進(jìn)而引出驅(qū)動(dòng)問題，從而引入新課。（二）任務(wù)一：實(shí)驗(yàn)探究碰撞前后動(dòng)能的變化碰撞后兩輛小車粘在一起運(yùn)動(dòng)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。4【問題1】依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出碰撞后總動(dòng)能減少的結(jié)論。是否存在碰撞前后系統(tǒng)總動(dòng)能不變的情況呢？學(xué)生活動(dòng)：給出自己的觀點(diǎn)【問題2】請同學(xué)們思考下面問題并分組討論如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案:1.仔細(xì)觀察該實(shí)驗(yàn)裝置及碰撞過程，想一想，總動(dòng)能減少的原因是什么？2.如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置盡量減少總動(dòng)能的損失？師：播放碰撞慢動(dòng)作視頻生：繼續(xù)討論問題2，并從改進(jìn)碰撞裝置的角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生可能會(huì)給出將面團(tuán)彈簧或其他碰撞物體的方案總結(jié)：老師已經(jīng)在這三組滑塊上加裝了面團(tuán)、橡皮泥、彈性碰撞架作為碰撞介質(zhì)，我們可以在氣墊導(dǎo)軌上依次進(jìn)行三次碰撞實(shí)驗(yàn)。面團(tuán)橡皮泥彈性碰撞架設(shè)計(jì)意圖創(chuàng)設(shè)問題情境，通過分析第一節(jié)課的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)引導(dǎo)學(xué)生思考碰撞中的能量變化。通過問題1、2引導(dǎo)學(xué)生提出猜想，并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。讓學(xué)生經(jīng)歷觀察現(xiàn)象、提出問題、實(shí)驗(yàn)探究的科學(xué)探究過程。培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力?！締栴}3】為了得到碰撞前后系統(tǒng)的動(dòng)能，我們需要測量哪些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？如何測量？生：需要測量小車的質(zhì)量以及碰撞前后的速度，質(zhì)量可以用天平測量，速度依然用光師：我已經(jīng)提前將滑塊的質(zhì)量測出，并填在了表中，只要我們測出擋光時(shí)間，并將其輸入表格中，便能計(jì)算出碰撞前后的總動(dòng)能。教師活動(dòng)：指導(dǎo)學(xué)生依次進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，并通過excel表格計(jì)算出碰撞前后系統(tǒng)的總動(dòng)能以及動(dòng)能損失比。學(xué)生活動(dòng)：2位學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，1位學(xué)生在電腦上記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其他同學(xué)在學(xué)習(xí)5任務(wù)單上記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?！緦?shí)驗(yàn)1】用帶有面團(tuán)的滑塊進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)2】用帶有橡皮泥的滑塊進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)3】用帶有彈性碰撞架的滑塊進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖通過問題3引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，并再教師的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。通過設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，探究不同條件下動(dòng)能損失的多少?！締栴}4】分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，你有什么發(fā)現(xiàn)？為什么三次實(shí)驗(yàn)中動(dòng)能損失的越來越少？學(xué)生活動(dòng)：猜想可能和碰撞介質(zhì)的形變有關(guān)教師活動(dòng)：播放三次碰撞的慢動(dòng)作視頻，引導(dǎo)學(xué)生觀察碰撞介質(zhì)的形變及形變恢復(fù)情學(xué)生歸納：三次碰撞中，碰撞介質(zhì)均發(fā)生了明顯形變，但面團(tuán)的形變基本沒恢復(fù)，橡皮泥的形變恢復(fù)了一部分，而彈性碰撞架的形變基本上完全恢復(fù)了。面團(tuán)形變恢復(fù)的最少，碰撞中損失的動(dòng)能最多；彈性碰撞架形變恢復(fù)的最多，碰撞中損失的動(dòng)能最少。這說明碰撞中動(dòng)能損失的多少和碰撞介質(zhì)的形變恢復(fù)程度有關(guān)，形變恢復(fù)的越多，動(dòng)能損失的就越少。引導(dǎo)：綜合以上實(shí)驗(yàn)，不難想象，如果碰撞的形變能完全恢復(fù)，就可認(rèn)為碰撞前后系統(tǒng)的動(dòng)能不變。設(shè)計(jì)意圖通過問題4引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)，并讓學(xué)生觀察碰撞過程慢動(dòng)作視頻，引導(dǎo)學(xué)生尋找動(dòng)能損失和形變恢復(fù)的關(guān)系，逐步構(gòu)建彈性碰撞的模型，為建立彈性碰撞和非彈性碰撞的概念做好鋪墊，進(jìn)而理解碰撞的實(shí)質(zhì)。（三）任務(wù)二：建立并理解彈性碰撞與非彈性碰撞的概念根據(jù)碰撞前后總動(dòng)能的變化情況，提出彈性碰撞與非彈性碰撞的概念，并舉例討論加深理解。6在物理學(xué)中，如果系統(tǒng)在碰撞前后動(dòng)能不變，這類碰撞叫作彈性碰撞。教師舉例：在宏觀世界中，鋼球、玻璃球、臺(tái)球碰撞時(shí)，動(dòng)能損失很小，它們的碰撞可以看作彈性碰撞。在微觀世界中，分子、原子以及更小的微粒之間的碰撞同樣可以看作彈性碰撞。如果系統(tǒng)在碰撞后動(dòng)能減少，這類碰撞叫作非彈性碰撞。總結(jié)：比如貼上橡皮泥的滑塊的碰撞，安全實(shí)驗(yàn)中汽車的碰撞，天體間的碰撞，都是典型的非彈性碰撞。在非彈性碰撞中有一種特殊情況。理論分析和大量實(shí)驗(yàn)都表明，如果碰撞后物體完全不反彈而粘在一起，系統(tǒng)的動(dòng)能損失最大，在物理學(xué)中，我們這種碰撞稱為完全非彈性碰撞。比如，裝有面團(tuán)的滑塊的碰撞中，二者碰后粘到了一起，面團(tuán)形變基本沒有恢復(fù)，可認(rèn)為是完全非彈性碰撞。設(shè)計(jì)意圖通過對碰撞中動(dòng)能變化的總結(jié)，并從能量的角度對碰撞進(jìn)行分類，落實(shí)抽象與概括的科學(xué)方法?！締栴}5】非彈性碰撞中系統(tǒng)損失的動(dòng)能到哪里去了？生：轉(zhuǎn)化成熱量總結(jié)：沒錯(cuò)，主要轉(zhuǎn)化成了物體的內(nèi)能。人們曾觀察到彗星的碎片與木星發(fā)生猛烈碰撞。碰撞產(chǎn)生的爆炸，相當(dāng)于上億顆原子彈爆炸的威力，在木星上留下的“傷痕”尺度幾乎達(dá)到地球直徑大小。雖然在生活中我們利用了很多碰撞改善我們的生活，但有些碰撞會(huì)給我們的財(cái)物甚至是生命帶來損害。比如，在交通中我們務(wù)必要注意安全，避免碰撞的發(fā)生。設(shè)計(jì)意圖通過問題1加深學(xué)生對非彈性碰撞中能量轉(zhuǎn)化的理解，并提高學(xué)生的安全意識(shí)以及培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任?！纠}】設(shè)實(shí)驗(yàn)1中粘有面團(tuán)的兩個(gè)滑塊質(zhì)量都是m，打開氣泵后，讓一個(gè)滑塊以速度v碰撞另一靜止滑塊。碰撞后兩個(gè)滑塊粘在一起，以一定速度繼續(xù)前進(jìn)。請計(jì)算碰撞后該系統(tǒng)總動(dòng)能損失了多少？7學(xué)生活動(dòng)：進(jìn)行理論推導(dǎo)，得出結(jié)論：碰撞后的總動(dòng)能Ek′＝1/2Ek，碰撞后系統(tǒng)的總動(dòng)能小于碰撞前系統(tǒng)的總動(dòng)能。教師活動(dòng)：投屏展示學(xué)生的計(jì)算結(jié)果，并引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合前面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。設(shè)計(jì)意圖理論推導(dǎo)碰撞前后動(dòng)能是否改變，加深對概念的理解和規(guī)律的應(yīng)用。將理論推導(dǎo)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，讓學(xué)生體會(huì)理論和實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一美。（四）任務(wù)三：彈性碰撞實(shí)例分析體驗(yàn)活動(dòng)1在桌面上，將一鋼球沿某一方向彈出，碰撞另一相同的靜止鋼球。要求：碰后靜球沿同一方向運(yùn)動(dòng)。活動(dòng)后，學(xué)生分享成功的秘訣。教師活動(dòng)：介紹正碰的概念。設(shè)計(jì)意圖通過體驗(yàn)活動(dòng)1中的小游戲，讓學(xué)生在體驗(yàn)中建立正碰的概念。體驗(yàn)活動(dòng)2在桌面上，將一鋼球沿某一方向彈出，碰撞另一相同的靜止鋼球。要求：碰后靜球沿同一方向運(yùn)動(dòng)。活動(dòng)后，學(xué)生分享實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。教師活動(dòng)：總結(jié)現(xiàn)象，并提出下面驅(qū)動(dòng)問題驅(qū)動(dòng)問題：發(fā)生彈性碰撞的兩個(gè)物體，由于質(zhì)量不同，碰撞后的速度將有哪些特點(diǎn)？設(shè)計(jì)意圖通過體驗(yàn)活動(dòng)2，讓學(xué)生觀察三種不同一維彈性正碰的現(xiàn)象，思考質(zhì)量對速度的影響，并為彈性碰撞實(shí)例分析做好過度。創(chuàng)設(shè)情境：物體m1以速度v1與原來靜止的物體m2生彈性正碰后它們的速度分別為v1'81v1'v2'm1m2m1m2學(xué)生活動(dòng)：根據(jù)動(dòng)量守恒定律和碰撞前后系統(tǒng)動(dòng)能不變推導(dǎo)出碰撞后小球速度的表達(dá)'mm2v1教師活動(dòng)：投屏展示學(xué)生的推導(dǎo)過程和結(jié)果，并引導(dǎo)學(xué)生討論以下兩個(gè)問題。【問題6】你能否利用表達(dá)式解釋活動(dòng)2中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？m1>m2?v1'>0，v2'>0，表明碰后二者同向運(yùn)動(dòng)；若m1<m2?v1'<0，v2'>0，表明碰后m1反彈、m2運(yùn)動(dòng)方向與v1相同。教師活動(dòng)：用氣墊導(dǎo)軌上質(zhì)量不等滑塊的碰撞演示這三種情況設(shè)計(jì)意圖通過創(chuàng)設(shè)情境，學(xué)生根據(jù)動(dòng)量守恒和碰撞前后動(dòng)能不變的特點(diǎn)，列出方程，推導(dǎo)出碰后速度表達(dá)式。【問題7】討論m1>>m2、m1<<m2兩種情況下，v1'和v2'的大??？學(xué)生活動(dòng)：討論并給出結(jié)論：1>>m2，則v1?=v1，v2?=2v1（質(zhì)量大的球速度不變，小的球2倍速運(yùn)2>>m1，則v1?=-v1，v2?=0（質(zhì)量小的球原速率反彈，質(zhì)量大的球不設(shè)計(jì)意圖引導(dǎo)分析表達(dá)式得出三種情形下的碰后速度關(guān)系，解釋活動(dòng)2中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。培養(yǎng)學(xué)生解釋與交流等能力?！締栴}8】如果碰前m2也有速度，要想計(jì)算碰后速度，我們應(yīng)該在這兩個(gè)表達(dá)式添加什么？9生：需要考慮其初動(dòng)量和初動(dòng)能。師：只要發(fā)生的是彈性碰撞，我們都可以依據(jù)系統(tǒng)動(dòng)量守恒和碰后總動(dòng)能不變來解決問題。需要提醒的是，動(dòng)量守恒方程是矢量式，我們在列這個(gè)方程時(shí)要注意速度的符再研究質(zhì)量懸殊的物體間的碰撞，最后實(shí)踐檢驗(yàn)理論。培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)。（五）課堂小結(jié)本節(jié)課我們首先通過實(shí)驗(yàn)探究了碰撞中總動(dòng)能的變化情況，然后從能量的角度將碰撞分為彈性碰撞和非彈性碰撞，最后又分析了一種彈性碰撞的實(shí)例，并用計(jì)算結(jié)果解釋了生活中一些有趣的碰撞現(xiàn)象。八、板書設(shè)計(jì)九、學(xué)習(xí)評價(jià)與作業(yè)設(shè)計(jì)【評價(jià)設(shè)計(jì)】1.過程性評價(jià)：對學(xué)生在課堂教學(xué)活動(dòng)中的表現(xiàn)給以及時(shí)評價(jià)和反饋，修正學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)階。評價(jià)依據(jù)有：學(xué)生口語報(bào)告、實(shí)驗(yàn)操作過程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成等。2.形成性評價(jià)：對學(xué)生的課后活動(dòng)作業(yè)及課時(shí)作業(yè)進(jìn)行評價(jià)【作業(yè)設(shè)計(jì)】1.定量探究臺(tái)球撞擊乒乓球后速度關(guān)系；2.完成教材上的課后練習(xí)題。十、教學(xué)反思1.依據(jù)課標(biāo)、教材及學(xué)情，始終以學(xué)生為中心進(jìn)行教、學(xué)、評一體化設(shè)計(jì)，重視在學(xué)習(xí)活動(dòng)中對學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)；基于PBL教學(xué)法實(shí)施教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生提出問題、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、得出結(jié)論，最后應(yīng)用規(guī)律。從教學(xué)效果來看，本節(jié)課能夠較好地完成教學(xué)目標(biāo)，通過多個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)突破了教學(xué)重難點(diǎn)。2.為了讓學(xué)生經(jīng)歷概念的生成過程，設(shè)計(jì)了通過三種不同介質(zhì)進(jìn)行碰撞的實(shí)驗(yàn)方案，并用手機(jī)慢動(dòng)作功能拍攝碰撞過程，觀察碰撞時(shí)介質(zhì)的形變。本實(shí)驗(yàn)先通過研究彈性不同的三種介質(zhì)的碰撞，發(fā)現(xiàn)三次碰撞中損失的動(dòng)能不斷減小，再經(jīng)過合理的外推，逐步建構(gòu)了彈性碰撞這種理想模型，充分地讓學(xué)生經(jīng)歷了通過實(shí)驗(yàn)建構(gòu)模型及建