高中物理 人教版 選修一《動量守恒定律》第五課時《彈性碰撞與非彈性碰撞》 教學設計

2022年安徽省普通高中物理新課程新教材優(yōu)質課評選暨優(yōu)秀課例匯集活動課時教學設計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校名稱合肥一六八中學12022年安徽省普通高中物理新課程新教材優(yōu)質課評選暨優(yōu)秀課例匯集活動《1.5彈性碰撞與非彈性碰撞》教學設計一、教材分析本節(jié)教學內(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、典型、有意義的情境的對“動量守恒定律”的應用。前面幾節(jié)課主要從能動量的角度研究碰撞現(xiàn)象，學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)則進一步研究碰撞種能量的變化，教材編寫思路是以碰撞實例為載體，經(jīng)歷實驗探究、理論推導，在真實情境中建立彈性碰撞和非彈性碰撞的相關概念。教材創(chuàng)設了兩個小球彈性碰撞的情境，先引導學生應用動量守恒定律和機械能守恒定律去解決典型的碰撞問題，推導兩個小球在彈性碰撞后的速度表達式。隨后，又引導學生從一般到特殊，對三種特殊情況展開討論，得出碰后兩球末速度的表達式，便于快速判斷與評估生活中實際現(xiàn)象對應的碰撞類型。學生通過對彈性碰撞和非彈性碰撞的討論，進一步加深對動量和動能的理解，提升運動與相互作用觀及能量觀。二、學情分析經(jīng)過前面四節(jié)的學習，學生已經(jīng)從實驗到理論，再從理論到實驗，從動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，建立了動量變化與相互作用時間累積之間的關系。另一方面，通過上一節(jié)驗證動量守恒定律的實驗，學生已具備自主設計實驗方案采集和分析數(shù)據(jù)的科學探究的能力。學生雖然對于碰撞過程中能量的轉移與轉化也有所了解，但還不清晰，同時對于碰撞過程中的動力學分析較為陌生，對于彈性碰撞的規(guī)律還不了解。另外三、教學目標（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，并能對生活中的碰撞進行分類。（二）科學思維分別通過對非彈性碰撞和彈性碰撞的實例分析，提高模型建構、抽象概括、演繹推理和科學論證的能力，學會用能量觀、動量和動力學觀點解釋一維碰撞問題。（三）科學探究通過實驗探究和碰撞球實驗裝置的制作，經(jīng)歷觀察現(xiàn)象、提出問題、實驗探究、理論推導的科學探究過程，提升學生創(chuàng)新能力和動手能力。（四）科學態(tài)度與責任通過本節(jié)課的學習，認識碰撞的科學本質，了解生產(chǎn)生活中各類碰撞現(xiàn)象，樹立愛惜生命，保護資源等社會責任意識。四、教學重與難點教學重點：1.理解彈性碰撞與非彈性碰撞的物理過程及其特點；2.能應用機械能守恒定律和動量守恒定律，解決生產(chǎn)生活中相關的實際問題。教學難點：1.掌握碰撞過程的動量、能量和動力學分析；2.推導并理解彈性碰撞規(guī)律的。五、教學資源實驗器材：軌道、小車、光電門和數(shù)字計時器、自制碰撞實驗裝置等多媒體資源：實驗視頻、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下的以問題為導向教學法，具體教學法有：問題引導、實驗探究、分組討論、合作學習、講授與評價等。教學中始終以現(xiàn)實問題為主線，在驅動問題的提出和各個任務的學習中采取了問題引導法；探究法則是在學生自主設計實驗方案中得以體現(xiàn)；學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，則貫穿在項目實施的各個補充環(huán)節(jié)。以問題為導向教學法最大程度保障了學生的主體性和教師的主導性，整個教學過程始終圍繞教學目標展開。3七、教學過程教學線索設計本節(jié)課總體貫穿兩條線索，首先是物理觀念線索：實驗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→碰撞具體過程分析→碰撞實例的動量和能量分析；科學思維與探究線索：觀察現(xiàn)象→提出問題→實驗探究→抽象概括→演繹推理→反思交流→深入拓展。學習活動設計（一）創(chuàng)設真實情境、引入新課【創(chuàng)設情境】從宇宙中的天體到生活中的物體，再到微觀世界中的粒子，碰撞無處不學生活動：舉出生活中碰撞現(xiàn)象實例，并回顧碰撞的特點及碰撞中蘊含的物理規(guī)律。驅動問題：物體碰撞中動量守恒。那么，在各種碰撞中能量又是如何變化的？設計意圖一方面回顧已有知識，另一方面啟發(fā)學生從能量角度思考碰撞問題，進而引出驅動問題，從而引入新課。（二）任務一：實驗探究碰撞前后動能的變化碰撞后兩輛小車粘在一起運動，獲取實驗數(shù)據(jù)進行分析。4【問題1】依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，可以得出碰撞后總動能減少的結論。是否存在碰撞前后系統(tǒng)總動能不變的情況呢？學生活動：給出自己的觀點【問題2】請同學們思考下面問題并分組討論如何設計實驗方案:1.仔細觀察該實驗裝置及碰撞過程，想一想，總動能減少的原因是什么？2.如何改進實驗裝置盡量減少總動能的損失？師：播放碰撞慢動作視頻生：繼續(xù)討論問題2，并從改進碰撞裝置的角度設計實驗方案。學生可能會給出將面團彈簧或其他碰撞物體的方案總結：老師已經(jīng)在這三組滑塊上加裝了面團、橡皮泥、彈性碰撞架作為碰撞介質，我們可以在氣墊導軌上依次進行三次碰撞實驗。面團橡皮泥彈性碰撞架設計意圖創(chuàng)設問題情境，通過分析第一節(jié)課的實驗數(shù)據(jù)引導學生思考碰撞中的能量變化。通過問題1、2引導學生提出猜想，并改進實驗方案進行實驗探究。讓學生經(jīng)歷觀察現(xiàn)象、提出問題、實驗探究的科學探究過程。培養(yǎng)學生科學思維和科學探究能力。【問題3】為了得到碰撞前后系統(tǒng)的動能，我們需要測量哪些實驗數(shù)據(jù)？如何測量？生：需要測量小車的質量以及碰撞前后的速度，質量可以用天平測量，速度依然用光師：我已經(jīng)提前將滑塊的質量測出，并填在了表中，只要我們測出擋光時間，并將其輸入表格中，便能計算出碰撞前后的總動能。教師活動：指導學生依次進行3次實驗，并通過excel表格計算出碰撞前后系統(tǒng)的總動能以及動能損失比。學生活動：2位學生進行實驗操作，1位學生在電腦上記錄實驗數(shù)據(jù)，其他同學在學習5任務單上記錄實驗數(shù)據(jù)。【實驗1】用帶有面團的滑塊進行碰撞實驗【實驗2】用帶有橡皮泥的滑塊進行碰撞實驗【實驗3】用帶有彈性碰撞架的滑塊進行碰撞實驗設計意圖通過問題3引導學生進行數(shù)據(jù)測量，并再教師的指導下進行實驗操作，培養(yǎng)學生的動手能力。通過設計對比實驗，探究不同條件下動能損失的多少?！締栴}4】分析實驗數(shù)據(jù)，你有什么發(fā)現(xiàn)？為什么三次實驗中動能損失的越來越少？學生活動：猜想可能和碰撞介質的形變有關教師活動：播放三次碰撞的慢動作視頻，引導學生觀察碰撞介質的形變及形變恢復情學生歸納：三次碰撞中，碰撞介質均發(fā)生了明顯形變，但面團的形變基本沒恢復，橡皮泥的形變恢復了一部分，而彈性碰撞架的形變基本上完全恢復了。面團形變恢復的最少，碰撞中損失的動能最多；彈性碰撞架形變恢復的最多，碰撞中損失的動能最少。這說明碰撞中動能損失的多少和碰撞介質的形變恢復程度有關，形變恢復的越多，動能損失的就越少。引導：綜合以上實驗，不難想象，如果碰撞的形變能完全恢復，就可認為碰撞前后系統(tǒng)的動能不變。設計意圖通過問題4引導學生分析數(shù)據(jù)，并讓學生觀察碰撞過程慢動作視頻，引導學生尋找動能損失和形變恢復的關系，逐步構建彈性碰撞的模型，為建立彈性碰撞和非彈性碰撞的概念做好鋪墊，進而理解碰撞的實質。（三）任務二：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在物理學中，如果系統(tǒng)在碰撞前后動能不變，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、臺球碰撞時，動能損失很小，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)在碰撞后動能減少，這類碰撞叫作非彈性碰撞。總結：比如貼上橡皮泥的滑塊的碰撞，安全實驗中汽車的碰撞，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。理論分析和大量實驗都表明，如果碰撞后物體完全不反彈而粘在一起，系統(tǒng)的動能損失最大，在物理學中，我們這種碰撞稱為完全非彈性碰撞。比如，裝有面團的滑塊的碰撞中，二者碰后粘到了一起，面團形變基本沒有恢復，可認為是完全非彈性碰撞。設計意圖通過對碰撞中動能變化的總結，并從能量的角度對碰撞進行分類，落實抽象與概括的科學方法?！締栴}5】非彈性碰撞中系統(tǒng)損失的動能到哪里去了？生：轉化成熱量總結：沒錯，主要轉化成了物體的內(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，但有些碰撞會給我們的財物甚至是生命帶來損害。比如，在交通中我們務必要注意安全，避免碰撞的發(fā)生。設計意圖通過問題1加深學生對非彈性碰撞中能量轉化的理解，并提高學生的安全意識以及培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任?！纠}】設實驗1中粘有面團的兩個滑塊質量都是m，打開氣泵后，讓一個滑塊以速度v碰撞另一靜止滑塊。碰撞后兩個滑塊粘在一起，以一定速度繼續(xù)前進。請計算碰撞后該系統(tǒng)總動能損失了多少？7學生活動：進行理論推導，得出結論：碰撞后的總動能Ek′＝1/2Ek，碰撞后系統(tǒng)的總動能小于碰撞前系統(tǒng)的總動能。教師活動：投屏展示學生的計算結果，并引導學生結合前面的實驗數(shù)據(jù)，將理論推導和實驗數(shù)據(jù)進行對比。設計意圖理論推導碰撞前后動能是否改變，加深對概念的理解和規(guī)律的應用。將理論推導的結果與實驗數(shù)據(jù)對比，讓學生體會理論和實驗的統(tǒng)一美。（四）任務三：彈性碰撞實例分析體驗活動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動?；顒雍?，學生分享成功的秘訣。教師活動：介紹正碰的概念。設計意圖通過體驗活動1中的小游戲，讓學生在體驗中建立正碰的概念。體驗活動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動?；顒雍?，學生分享實驗現(xiàn)象。教師活動：總結現(xiàn)象，并提出下面驅動問題驅動問題：發(fā)生彈性碰撞的兩個物體，由于質量不同，碰撞后的速度將有哪些特點？設計意圖通過體驗活動2，讓學生觀察三種不同一維彈性正碰的現(xiàn)象，思考質量對速度的影響，并為彈性碰撞實例分析做好過度。創(chuàng)設情境：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學生活動：根據(jù)動量守恒定律和碰撞前后系統(tǒng)動能不變推導出碰撞后小球速度的表達'mm2v1教師活動：投屏展示學生的推導過程和結果，并引導學生討論以下兩個問題?！締栴}6】你能否利用表達式解釋活動2中的實驗現(xiàn)象？m1>m2?v1'>0，v2'>0，表明碰后二者同向運動；若m1<m2?v1'<0，v2'>0，表明碰后m1反彈、m2運動方向與v1相同。教師活動：用氣墊導軌上質量不等滑塊的碰撞演示這三種情況設計意圖通過創(chuàng)設情境，學生根據(jù)動量守恒和碰撞前后動能不變的特點，列出方程，推導出碰后速度表達式?！締栴}7】討論m1>>m2、m1<<m2兩種情況下，v1'和v2'的大??？學生活動：討論并給出結論：1>>m2，則v1?=v1，v2?=2v1（質量大的球速度不變，小的球2倍速運2>>m1，則v1?=-v1，v2?=0（質量小的球原速率反彈，質量大的球不設計意圖引導分析表達式得出三種情形下的碰后速度關系，解釋活動2中實驗現(xiàn)象。培養(yǎng)學生解釋與交流等能力。【問題8】如果碰前m2也有速度，要想計算碰后速度，我們應該在這兩個表達式添加什么？9生：需要考慮其初動量和初動能。師：只要發(fā)生的是彈性碰撞，我們都可以依據(jù)系統(tǒng)動量守恒和碰后總動能不變來解決問題。需要提醒的是，動量守恒方程是矢量式，我們在列這個方程時要注意速度的符再研究質量懸殊的物體間的碰撞，最后實踐檢驗理論。培養(yǎng)學生的證據(jù)意識。（五）課堂小結本節(jié)課我們首先通過實驗探究了碰撞中總動能的變化情況，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例，并用計算結果解釋了生活中一些有趣的碰撞現(xiàn)象。八、板書設計九、學習評價與作業(yè)設計【評價設計】1.過程性評價：對學生在課堂教學活動中的表現(xiàn)給以及時評價和反饋，修正學生的學習行為，促進學生的學習進階。評價依據(jù)有：學生口語報告、實驗操作過程、實驗報告完成等。2.形成性評價：對學生的課后活動作業(yè)及課時作業(yè)進行評價【作業(yè)設計】1.定量探究臺球撞擊乒乓球后速度關系；2.完成教材上的課后練習題。十、教學反思1.依據(jù)課標、教材及學情，始終以學生為中心進行教、學、評一體化設計，重視在學習活動中對學科核心素養(yǎng)的落實；基于PBL教學法實施教學，引導學生提出問題、實驗驗證、得出結論，最后應用規(guī)律。從教學效果來看，本節(jié)課能夠較好地完成教學目標，通過多個學習活動突破了教學重難點。2.為了讓學生經(jīng)歷概念的生成過程，設計了通過三種不同介質進行碰撞的實驗方案，并用手機慢動作功能拍攝碰撞過程，觀察碰撞時介質的形變。本實驗先通過研究彈性不同的三種介質的碰撞，發(fā)現(xiàn)三次碰撞中損失的動能不斷減小，再經(jīng)過合理的外推，逐步建構了彈性碰撞這種理想模型，充分地讓學生經(jīng)歷了通過實驗建構模型及建