基于学科核心素养的“动量守恒定律”教学设计

邱小彬

郑州市实验高级中学，郑州 450045

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》指出，物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面，这四个方面是彼此联系、共同发展的。学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是该学科在落实立德树人根本任务中所作出的独特贡献，是个体在信息化、全球化、学习型社会，面对复杂的不确定情境时，综合运用本学科所学的知识、观念、方法解决实际问题所表现出来的价值观念、必备品格与关键能力［1-2］。课堂是教学的主阵地，也是培养学生核心素养的重要场所。因此，教师应基于学科核心素养进行教学设计，开展课堂教学。本文以“动量守恒定律”为例，讨论基于物理学科核心素养的课堂教学设计。

1 教材分析

动量守恒定律是自然界中最重要、最普遍的守恒定律之一。本节课是普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3-5第16章“动量守恒定律”的第3节，编排在“实验：探究碰撞中的不变量”和“动量和动量定理”之后，“碰撞”和“反冲运动火箭”之前，具有承上启下的作用。同时，本节课也是这一章的核心内容，对于学生理解本章知识、理解运动与相互作用观念意义重大。本节课是一节概念规律课，学生在理解动量守恒定律的内涵后，会对物体间相互作用的规律认识得更加深刻和完整，对于后续学习“碰撞”“反冲运动 火箭”等动量守恒的应用模型大有裨益。

2 学情分析

学生通过本章第1节“实验：探究碰撞中的不变量”与第2节“动量和动量定理”的学习，已经初步建立相关概念，并意识到碰撞前后总动量很有可能是相等的，但又不能完全确定。而这节课则需要学生明确动量守恒的条件，理解动量守恒定律的内涵，思维跨度比较大，这是教学难点所在。因而，本节课的设计思路是，引导学生在规律的认知过程之中，逐步深化对动量守恒的理解。通过铺设3个台阶（台阶1：碰撞前后这两个时刻，物体的总动量的确相等；台阶2：在碰撞过程中，物体的总动量是守恒的；台阶3：系统动量守恒是需要一定条件的），放缓学生对规律的认知进程，减小思维跨度，以突破重难点。考虑到物理规律的科学性与严谨性，笔者在探究动量守恒规律以及寻找守恒条件的过程中，还从实验探究和理论推导两个维度进行了设计，以期进一步培养学生科学严谨的学科思维，提高其科学探究的能力。

3 教学目标

3.1 物理观念

（1）通过实验探究，引导学生明确相等和守恒的区别，理解动量守恒的内涵，形成守恒的物理观念。

（2）通过引导学生用动量和动量守恒的语言解释生活中碰撞的现象，深化其运动与相互作用的物理观念。

3.2 科学思维

（1）通过引导学生利用提供的实验器材，自主设计分组碰撞实验，培养学生模型建构的能力。

（2）通过引导学生处理实验数据，观察碰撞中的动量-时间图像，得出动量守恒结论，提升学生在科学探究中的分析综合、推理论证能力。

（3）通过导轨倾斜系统所受合外力不为0时，系统动量是否守恒的提问和检验，鼓励学生养成质疑、批判以及对结论进行检验的习惯，培养学生提出创造性见解的能力和品格。

3.3 科学探究

（1）引导学生发现问题，分析问题，提出猜想和假设。

（2）指导学生经历科学探究的过程：制订实验方案、进行实验操作、收集并分析处理数据、得到探究结果、分享交流探究过程和探究结果。

3.4 科学态度与责任

（1）通过小组讨论与合作，设计实验方案，进行实验操作，激发学生学习兴趣，培养其动手能力、团队意识与合作精神。

（2）通过回顾动量及其守恒定律建立的历史过程，体会物理概念和规律建立过程中的曲折与艰辛，激发学生探索自然的内在动力，引导学生逐渐养成持之以恒的科学态度。

（3）通过观看动量守恒定律的应用短片，深化运动与相互作用观念，体会物质世界的多样性与统一性，感受动量守恒定律的简洁性与普适性。

4 教学重难点

动量守恒定律的得出过程和对其内涵的理解。

5 教学资源

轮滑鞋、体重秤、有色胶带、气垫导轨及配套小车、光电门及DIS数字化传感器设备、电子秤、智能手机、Tracker视频追踪软件、弹性绳、橡皮筋、剪刀、垫块、电磁铁、PPT多媒体设备、课堂探究记录单。

6 教学过程

6.1 课堂导入，引入新课

教师安排一较重的男同学和一较轻的女同学穿上相同的轮滑鞋，站在标有刻度线的地面上（沿刻度线方向站立）。女生向前用力推开男生，观察推开后两位同学在刻度线上运动的距离。

师：我们发现女生的位移比男生大，这说明推开后女生获得的速度大。

为什么质量大的男生向前运动，获得的速度小，质量小的女生向后运动，获得的速度大呢？这里面蕴藏着怎样的物理原理呢？今天就让我们来一探究竟。

【设计意图】通过观察体重不同的男、女生相互推开后运动的距离大小，创设情境，引入新课。

6.2 课堂探究：碰撞中的不变量

（1）知识回顾，唤醒旧知

师：前两节课，我们通过实验研究了两个物体的碰撞过程，我们意识到在碰撞前后这两个时刻，两物体的总动量很有可能是相等的。这多少带有一些猜想的性质。

下面我们先通过实验对上节课中这个猜想的正确性进行检验。请大家利用桌面上提供的器材自主确定实验方案，并进行实验测量。

（2）分组实验，展示交流

学生分小组借助桌面上提供的实验器材自主设计实验探究方案，并进行实验测量，实验完毕进行小组展示交流。

学生实验方案1：在水平气垫导轨上用一个运动的小车碰撞另一个静止的小车。小组4人分工合作，2人操作实验，1人操作电脑，1人进行数据记录。

学生实验方案2：水平的气垫导轨上放置两辆静止的小车。小车上的弹射器在橡皮筋的作用下处于压缩状态，剪断橡皮筋，两小车同时反方向弹开。小组4人分工合作，2人操作实验，1人操作电脑，1人进行数据记录。

两个小组分别选取代表介绍各自的实验过程和结论（图 1、图 2）。

图1 第1组学生实验数据记录处理表

图2 第2组学生实验数据记录处理表

教师总结发言。

师：以上的实验，实验情境不同，实验结论却相同。至此，我们完全可以确定，碰撞前后这两个时刻，两物体的总动量确实是相等的。

板书：碰撞中总动量前后相等。

【设计意图】通过让学生利用提供的实验器材，自主设计实验方案，进行实验探究，结合数据得出实验结论，进一步消除第1节“实验：探究碰撞中的不变量”中碰撞前后总动量是否相等的疑惑，为本节课后续动量不但相等而且守恒创设思维上的接口。

6.3 课堂探究：碰撞过程中的守恒量

师：然而，我们知道碰撞是一个相互作用的过程，那在作用过程中的任意时刻，两物体总动量是否都等于作用前的总动量呢？为此，我们就需要研究碰撞的具体过程，想办法测量碰撞中任意时刻两个物体的动量值。

（1）实验探究：碰撞中的守恒量

教师介绍实验器材和实验原理。

如图3所示，这是两个中间固定有弹性绳的小车。将小车放置在气垫导轨上，拉伸弹性绳到适当远的距离后静止释放，小车就在弹力的作用下相向运动。我们就用这个较长的运动过程来模拟碰撞的短暂作用。这就解决了碰撞过程很短暂，难以捕捉和测量的难题。为了控制小车同时释放，我们在导轨两端加装了两个电磁铁，利用设计好的电路实现电磁铁的同时通断电。

图3 弹性绳-小车装置模拟碰撞过程示意图

接下来，我们利用视频追踪软件Tracker进行数据处理，它能通过分析手机录制的小车的运动视频，确定各个时刻小车的动量值，并自动绘制小车运动过程中的动量-时间图像。

实验操作，现场处理数据。首先追踪A车的动量值，接下来追踪B车在与A车相同时刻的各个动量值，获得两个小车碰撞过程中的动量-时间图像（图 4）。

图4 Tracker软件处理后获得的动量-时间图像

师：请大家仔细观察，这两个图像有什么样的位置关系？能够说明什么问题呢？

生：两个图像关于横轴上下对称，可以说明在过程中的任意时刻两物体总动量都是0。

师：为了更加精确地确定各个时刻小车的动量和，我们可以把小车的动量值粘贴到Excel表格中，借助公式快速求和（图5）。处理后发现各个时刻小车总动量的数量级都为10-3，考虑到误差的影响，可以确定在各个时刻两小车的总动量都为0，与释放小车之前总动量相等。

图5 用Excel表格计算的各个时刻小车的动量和（最右侧一列）

教师及时进行总结和思路引导。

师：借助这个软件，我们又有了新的发现。我们发现，对于碰撞现象，不但碰撞后这两个时刻，两物体的总动量与碰撞前相等，而且在碰撞过程中的任意时刻，两物体的总动量都与碰撞前相等。也就是说，在整个作用过程中，两物体的总动量是保持不变的。因此，我们可以说，在碰撞过程中两物体的总动量是守恒的。

板书：碰撞过程中总动量守恒。

【设计意图】借助教师自主设计的创新教具以及Tracker追踪软件，让学生经历碰撞过程中的动量守恒探究过程，让学生亲身体会到“守恒”二字的内涵，有助于其物理观念的养成。

（2）理论推导：碰撞中的动量守恒

师：前面我们通过橡皮筋实验以及运动小车碰撞静止小车的实验得出了动量守恒的结论。那如果是运动的物体碰撞另一个运动的物体呢？结论还是这样吗？我们把这个过程抽象为下面的一个模型。

如图6所示，在光滑的水平桌面上做匀速运动的两个小球，质量分别为m1和m2，沿着同一直线向相同的方向运动，速度分别为v1和v2，v1＞v2。当第一个小球追上第二个小球时两球碰撞。碰撞后，两小球速度分别为v'1和v'2。请利用动量定理推导碰撞前后系统总动量的数量关系。

图6 两小球碰撞示意图

教师介绍碰撞情境，给出系统、内力、外力的概念。

教师引导学生根据这个物理情境，利用上节课所学习的动量定理推导碰撞前后系统总动量的数量关系。

教师展示一个学生的推导过程（图7）。

图7 学生推导过程展示图

师：你写的第一个表达式的含义和研究过程分别是什么？

学生介绍研究过程及含义。

师：在撞击的过程中相互作用力是恒力吗？合力的冲量可以用F△t来表示吗？

教师引导学生利用微元法进行处理。即从整个作用过程中截取一段非常短的时间，由于时间很短，两物体间的作用力可以看成是恒力。于是，分别对m1和m2列出动量定理的方程。

根据牛顿第三定律，这两个力F与F'总是等大反向的，教师板书：F=-F'。

所以，它们的合冲量为零，系统总的动量变化量也为0。我们知道，整个作用的过程是由许许多多个这样很短过程的叠加。

教师板书：将Σ求和号写在上述两个公式之中。

由于在每个很短的过程中动量变化量都为0，所以整个过程系统动量的变化量也为0。我们就可以得到这样一个表达式：

这个表达式就说明两物体碰撞后的动量之和等于碰撞前的动量之和，并且该关系式对于碰撞过程中的任意时刻都成立。我们通过理论推导，再次得出了两物体碰撞过程中总动量守恒的结论。

【设计意图】一方面，构建碰撞的理论模型，从理论推导的角度再次理解碰撞中的动量守恒规律，另一方面也为后续探究动量守恒的条件时仍从实验探究和理论推导两个方向入手的研究思路作铺垫。

6.4 课堂探究：动量守恒的条件

教师总结：至此，我们通过实验探究和理论推导这两种方式都得出了碰撞过程中动量守恒的结论。那么，是不是在任何相互作用的过程中，两物体总动量都守恒呢？

（1）提出猜想

教师进行演示实验，学生配合一起做实验。打开气垫导轨，放置好小车，这次让一个学生始终用手挡住一辆小车，剪断橡皮筋，操作实验，学生观察现象。

师：这个过程中系统动量是否守恒呢？

生：动量不守恒，因为剪断前系统动量为0，剪断后系统动量不为0。

师：那这是为什么呢？动量守恒与否可能与什么因素有关呢？我们先来采访一下刚才手扶小车的这位同学，看看有没有一些线索。

师：你全程参与了刚才的实验，你觉得总动量不守恒的原因可能是什么？

【设计意图】此处的设计是为了借助学生的感官感受，提出力与动量守恒可能有关的设想。让学生结合自身感受提出猜想，比直接告诉他们更有助于学科素养的培养。

生：我感觉可能跟受力有关系，因为刚才剪断橡皮筋过程中，我感觉到小车对手有力的作用，所以我猜也许是跟手对小车施加了力有关系。

（2）制订检验方案

那是不是由于手对小车有力的作用导致了系统的动量不守恒呢？怎样去检验这个猜想呢？我们知道，理论研究和实验探索都是物理学研究问题常用的手段，也许我们还可以从这两个角度进行思考。

请大家小组讨论，给出自己的检验方案。

小组代表发言1：对参与碰撞的两物体进行理论分析，如果手对小车有力的作用，那么利用动量定理列式时，该公式（对 m1，F△t=m1v1'-m1v1）的左边就会多了一个手的作用力的冲量，经过处理之后就没法得到动量守恒的表达式了，因而确实应该是由于手对小车有力的作用导致了系统的动量不守恒。动量是否守恒应与系统所受的外力有关。

教师总结：F和F'为系统内力，内力引起的是相互作用的两个物体的动量发生变化，但是两物体的总动量保持不变。手的作用力为系统受到的外力，外力对系统的作用导致系统动量发生了变化，于是动量就不再守恒了。

小组代表发言2：可以做一些对比实验，系统所受合外力为0的实验，以及系统所受合外力不为0的实验，通过大量的数据测量以及实验条件的对比分析说明动量是否守恒与受力有关系。

教师展示动量守恒定律的内容。

众多的理论和事实都表明：当系统不受外力或所受外力矢量和为0时，系统动量守恒。这就是动量守恒定律的内容。

（3）定量实验检验，检验得出的守恒条件是否正确

师：动量守恒定律明确了判断动量是否守恒的依据，也即是说当系统所受外力矢量和不为0时，系统的动量就不守恒。是这样吗？下面我们来做一个定量的检验。

在刚才的弹性绳小车实验的基础上，把调平的气垫导轨一端垫高，让导轨倾斜，使得系统所受外力矢量和不为0，再来测量碰撞中某时刻系统的总动量（图8）。实验发现，系统所受合外力不为0时，释放小车后系统的总动量的数量级为10-1。与刚才导轨水平时相比，其数量级扩大了100倍（图9）。这说明导轨倾斜时，系统合外力不为0时，系统总动量确实是不守恒的。

图8 系统所受外力矢量和不为0时的验证装置示意图

图9 上述实验数据记录处理表

教师总结：通过前后两个实验的对比分析，充分说明了动量守恒定律的正确性以及守恒条件的合理性。

【设计意图】通过理论推导和实验验证两个维度对守恒条件进行分析和检验，符合学生本节课的认知习惯，同时也能鼓励学生养成质疑、批判以及进行检验和修正的习惯，培养学生提出创造性见解的能力和品格［3］。

6.5 动量及其守恒定律建立的历史过程

师：通过本节课的探究，我们较为顺利地找到了动量守恒的规律。但是，我要告诉大家的是，历史上动量以及动量守恒规律的建立经历了较为曲折和艰辛的过程（图10）。

图10 动量概念和动量守恒定律建立的历程

【设计意图】用时间轴展现动量概念和动量守恒定律建立的历程［4］，简要说明动量及其守恒定律建立的过程中笛卡尔学派和莱布尼茨学派旷日持久的争论。

师：我们从中可以体会到物理概念和规律建立过程中的这种艰辛。但是，物理概念和规律一旦建立，就会极大地促进科学的发展。当然，也可以解释生活中的一些现象。

6.6 动量守恒定律的应用及普适性

从动量的角度来解释课堂导入中互推实验的实验现象，观看包含各种动量守恒现象的短片，体会其普适性。

师：你能从动量的角度来解释本节课导入部分的实验现象吗？

生：在女生推开男生的过程中，系统动量守恒，因为初动量为0，所以质量大的男生获得的速度小，质量小的女生获得的速度大。

师：在女生推男生的作用过程中，因为推力比地面的摩擦力大得多，所以系统的动量可以近似看成守恒的。这也体现了模型建构中抓住主要因素、忽略次要因素的学科思想。我们学习物理就是要逐渐形成这种科学严谨的思维方式。

【设计意图】教师的总结更加准确、严谨，有助于学生体会模型建构中抓住主要因素、忽略次要因素的学科思想，养成严谨的科学思维。

其实，动量守恒定律的应用不止于此。下面观看包含各种动量守恒现象的短片。

教师总结：通过观看视频，我们发现大到天体的碰撞，再到身边物体的碰撞（汽车碰撞、台球碰撞等），再小到微观粒子的碰撞，都与动量守恒密切相关，这些形形色色的碰撞现象都可以用“动量”以及“动量守恒”的语言来描述。这也充分体现了物质世界的多样性和统一性，而我们的物理规律却展现出了它的简洁性与普适性。

【设计意图】通过观看动量守恒现象的短片，认识到物质世界的多样性和统一性，感受物理规律的简洁性与普适性。

6.7 课堂小结及作业

（1）课堂小结

今天我们通过实验探究和理论推导的方式，挖掘出了隐藏在碰撞现象背后的物理规律——动量守恒定律。这标志着我们对物体间相互作用的研究又多了一条新的路径。后续几节课我们将继续研究与动量守恒相关的现象和模型，并尝试用这套动量和动量守恒的新的语言去描述其中的规律。

在刚才的短片中，你一定注意到了这样一个器材（牛顿摆），每次抬起一定数量的小球，撞击剩余的小球，总有等数量的小球弹起。这又是为什么呢？下一节课我们接着探究。

【设计意图】既总结本节课知识，又引出下节课“碰撞”的内容，承上启下，为下节课的学习提前留下思维接口。

（2）作业

①预习“碰撞”，尝试理解碰撞中的速度交换问题。

②搜集资料，自主制作“水火箭”。

7 板书设计

如图11所示。

图11 动量守恒定律板书设计图

8 教学反思

本节课突出了对学生物理学科核心素养的培养，通过实验探究和理论推导，说明相互作用的两个物体不仅作用前后系统总动量相等，并且在相互作用过程中，系统的总动量也是时刻保持相等的，从而深化了学生对动量守恒定律内涵的理解。本节课还适时适当地对动量守恒定律的条件进行了实验探究，又从理论上对动量守恒定律及其守恒条件进行了推导，突出了物理学科思维的严密性。

本节课在课堂教学中突出了实验仪器的创新，恰当利用视频追踪Tracker信息技术软件助力课堂教学，收到了不错的效果。

总之，本节课通过实验和理论推导，促进学生核心素养的形成，教学气氛融洽，教学效果较好。