人教版 (2019)选择性必修 第一册第一章 动量守恒定律4 实验：验证动量守恒定律优秀教案

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备课人
学科
物理
课题
1.4 实验： 验证动量守恒定律
教学内容分析
教材在第1节通过教师演示实验引导学生寻求碰撞中的不变量，后面又通过理论推导得出了动量守恒定律。学生通过必修课程的学习，已经储备了丰富的运动与相互作用关系的知识，初步形成了运动与相互作用观和能量观。本节主要是引导学生在初步掌握动量守恒定律的基础上，利用已有的知识进行实验设计、实验观察和数据分析。本节的重点应放在实验方案设计和实验数据分析上。
学情分析
学生学习了动量守恒定律，熟悉在各种情境下运用动量守恒定律解决问题，知道动量守恒定律的条件，这些知识帮助学生分析动量是否守恒，为学生设计实验方案提供启发。学生独立设计实验方案能力较差，对实验方案缺乏全面分析，实验操作、数据获取、数据处理能力有待进一步提升。
教学目标
1.能依据已有知识合理设计实验方案。
2.能合理地选择实验器材，获得实验数据，分析实验数据，形成结论。
3.能撰写实验报告，用学过的物理术语、图表等交流本实验的探究过程与结论。
4.坚持实事求是，在合作中既能坚持观，点又能修正错误。
教学重难点
1.教学重点：分析处理实验数据，根据实验数据验证动量守恒定律。
2.教学难点：设计验证动量守恒定律的实验方案。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
新课导入
提出问题：
1.系统动量守恒的条件是什么？
对学生回答的条件进行标记总结，帮助学生理解。
提出问题：
2.系统满足动量守恒定律的公式是什么？
引导学生思考：上一节课我们分别通过动量定理和牛顿运动定律两个不同的角度，理论上证明了动量守恒定律，那么我们如何通过实验来加以验证呢？
学生回答动量守恒定律的条件：
(1)系统不受外力；
(2)系统受到外力，但外力的合力为零；
(3)系统所受外力合力不为零，但系统内力远大于外力，外力相对来说可以忽略不计，因而系统动量近似守恒；
(4)系统总的来看虽不符合以上三条中的任何一条，但在某一方向上符合以上三条中的某一条，则系统在这一方向上动量守恒.
在回顾知识的基础上引导学生深入思考，这样过度顺利，也能顺利搭建学生知识体系。
新课教学
第一部分：实验思路
问题：生活中什么样的过程可以尽可能的满足动量守恒的条件？
碰撞过程——尽管生活中碰撞的物体所受合外力不能为零，但在这一过程中往往内力远大于外力，我们可以近似认为碰撞满足动量守恒定律的条件。
学生尝试回答问题并与其他同学交流
学生在进行交流回答中加强对动量守恒定律的条件的理解。
第二部分：物理量的测量
根据动量守恒定律的表达式：m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'，实验中我们需要测量哪些物理量？
2.如何测两个物体的质量？
3.如何测量物体碰撞前后的速度？根据你所学以往知识能说出几种？
学生回答：
（1）测量物体的质量：m1和m2
（2）测量物体碰撞前后的速度：v1、v2、v1'、v2'
回答问题：
物体质量可用天平直接测量
回答问题：
（1）利用打点计时器测速
（2）利用光电门测速
（3）利用机械能守恒定律测速
（4）利用平抛运动测速
引导学生深入思考，为后面进行实验设计做好铺垫。
第三部分：数据分析
提出问题：
利用碰撞进行验证动量守恒定律时，在数据分析上会存在哪些困难，我们如何设计实验才能方便数据分析？
教师总结：
动量是矢量，在计算两物体碰撞前后动量之和时可能设计用到平行四边形法则，这在计算上难度大，为了减少数据分析困难，我们可以利用碰撞前后物体都在同一直线上运动（一维碰撞问题）。
学生回答尝试回答并交流。
培养学生在实验中简化实验操作的能力。
第四部分:方案设计
（一）实验器材
展示：可供选择的实验器材：
提问：你是否可以从以上器材中选择其中的一些，设计除符合要求的实验方案来？
方案设计
方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
实验器材：
设计思路：
（1）如何调整使系统合外力为0？
（2）实验得到什么样的结果说明系统动量守恒？
教师在学生回答问题基础上和学生一起归纳实验步骤：
(1)用天平测量两滑块的质量m1、m2，填入预先设计好的表格中。
(2)安装光电门，使两个光电门之间的距离约为50cm。
(3)导轨通气后，调节气垫导轨水平，使滑块在气垫导轨上保持不动或匀速直线运动。
(4)使两滑块依次发生上图三种碰撞情况，计算滑块碰撞前后的速度。
(5)改变滑块质量，重复步骤(4)。
(6)整理实验仪器，数据处理，寻找守恒量。
实验数据记录与处理
提出问题：如何进行设计分析得出什么样的结论？
教师引导归纳并对数据分析进一步归纳得出：
mA＞mB , 运动滑块A撞击静止滑块B。
mAv1=mAv2+mBv3
运动滑块A撞击静止滑块B，撞后两者粘在一起。
mAv=(mA+mB)v共
两静止滑块被弹簧弹开，一个向左，一个向右
0=mAvA-mBvB

实验结论
在实验误差允许范围内，碰撞前后两个小车的动量守恒。
注意事项：
利用该实验进行实验时，应怎样注意哪些事项？
教师在学生回答的基础上总结注意事项：
（1）保证是一维碰撞。
（2）气垫导轨是一种精度较高的现代化教学仪器。切忌振动、重压，严防碰伤和划伤，绝对禁止在不通气的情况下将滑行器在轨面上滑磨。调整水平时注意利用水平仪。
（3）由于碰撞的情形很多，猜想的不变量只有在各种方案中都不变才能符合要求，成为实验结论。
（4）考虑到速度的矢量性，记录数据时应规定正方向。若速度方向与规定的正方向相同，则速度取正值，若速度方向与规定方向相反，则取负值。
方案二：用平抛演示仪装置验证动量守恒定律
实验器材：
设计思路：
（1）该实验动量守恒的条件是什么？
（2）实验得到什么样的结果说明系统动量守恒？
实验步骤：
(1)先用天平称量出两个小球的质量m1、m2。
(2)安装好实验装置，注意使实验器的斜槽末端点的切线水平。
(3)在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸。
(4)在白纸上记下重垂线所指的位置 O，它表示入射小球 m1碰撞前球心的竖直投影点。
(5)先不放被碰小球，让入射小球从斜槽上同一位置处静止滚下，重复 10 次，用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面，圆心就是入射小球不碰撞时的落地点。
（6）把被碰小球放在斜槽轨道末端，让入射小球从同一位置静止滚下，使它们发生正碰，重复 10 次，同理求出入射小球落点的平均位置 M 和被碰小球落点的平均位置N。
实验数据记录与处理
提出问题：如何进行设计分析得出什么样的结论？
教师引导归纳并对数据分析进一步归纳得出：
用刻度尺测出线段 OM、OP、ON 的长度，把两小球的质量和相应的水平位移数值代入m1OP＝m1OM＋m2ON，看等式是否成立。
实验结论
m1OP＝m1OM＋m2ON
结论:碰撞前两小球的动量之和等于碰撞后两小球的动量之和。
利用该实验进行实验时，应怎样注意哪些事项？
教师在学生回答的基础上总结注意事项：
（1）斜槽末端要切线要水平；
（2）每次小球下滑要从同一位置处由静止释放；
（3）要保证对心碰撞，两球必须大小相等；
（4）小球的诸多落点要用用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点都圈在里面，该小圆的圆心即为小球的平均落点 ；
（5） 入射小球的质量m1和被碰小球的质量m2的大小关系是m1 > m2 。
方案三：单摆测速验证动量守恒
实验器材：
设计思路：
（1）该实验动量守恒的条件是什么？
（2）实验得到什么样的结果说明系统动量守恒？
实验步骤：
(1)先用天平称量出两个小球的质量m1、m2。
(2)安装好实验装置，注意使两球球心在同一水平线上。
(3)现将A球拉开让细绳与竖直方向夹角为θ，然后将细绳由静止释放，然后让其与B球相撞，然后记下AB组合达到最高点时细绳与竖直方向的夹角β。
(4)记录对应的θ和β。
实验数据记录与处理
提出问题：如何进行设计分析得出什么样的结论？
教师引导归纳并对数据分析进一步归纳得出验证以下结就可以得出结论：
实验结论
结论:碰撞前两小球的动量之和等于碰撞后两小球的动量之和。
方案四：用打点计时器验证动量守恒
实验器材
问题
（1）如何调节使该实验装置动量守恒？
（2）实验得到什么样的结果说明系统动量守恒？
实验步骤
1)先用天平称量出两个小车的质量m1、m2。
(2)安装好实验装置，注意使两小车重心在同一水平线上。
(3)将固定带有打点计时器的一端垫高，将小车放在轨道上，轻轻推动小车，让小车在轨道上做匀速直线运动。
(4)将纸带穿过打点计时器并固定在小车A的一端，让小车B静止的放置在木板上；
（5）先接通电源，再释放纸带，接着与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体继续运动；
（6)关闭电源，取下纸带，换上新纸带，重复步骤(4)(5)(6)，选出较理想的纸带如图乙所示；
实验数据记录与处理
提出问题：如何进行设计分析得出什么样的结论？
教师引导归纳并对数据分析进一步归纳得出验证以下结就可以得出结论：
实验结论
在实验误差允许范围内，碰撞前后两个小车的动量守恒。
学生选择实验器材、设计自己的实验方案并与其他同学进行交流。
学生在老师提出的设计思路再次完成实验方案设计。
学生和教师一起归纳实验步骤。
学生尝试回答数据分析方法。
学生对实验注意事项提出自己的想法并交流。
学生在老师提出的设计思路再次完成实验方案设计。
学生和教师一起归纳实验步骤。
学生尝试回答数据分析方法。
学生对实验注意事项提出自己的想法并交流。
学生在老师提出的设计思路再次完成实验方案设计。
学生和教师一起归纳实验步骤。
学生尝试回答数据分析方法。
学生在老师提出的设计思路再次完成实验方案设计。
学生和教师一起归纳实验步骤。
学生尝试回答数据分析方法。
培养学生实验设计能力，锻炼学生利用实验解决问题能力。
通过设计交流锻炼学生的实验设计能力。
通过设计交流锻炼学生的实验设计能力。
课堂总结
方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案二：用平抛演示仪装置验证动量守恒定律
方案三：单摆测速验证动量守恒
方案四：用打点计时器验证动量守恒
数据分析
实验思路
实验：验证动量守恒动量
物理量的测量
方案设计
板书设计
方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案二：用平抛演示仪装置验证动量守恒定律
方案三：单摆测速验证动量守恒
方案四：用打点计时器验证动量守恒
数据分析
实验思路
实验：验证动量守恒动量
物理量的测量
方案设计
作业设计
作业分为两块，一是课堂练习，旨在对本堂课学习中动量的概念和实验思路进行检测，一是分层练习，分层次的训练学生对知识的掌握情况。
教学反思与评价
（一）优点
本节实验课明确将教学重点确定为用不同实验方案验证动量守恒的实验思路与注意事项，将难点确定为用不同实验方案中各物理量的测量及实验数据分析，并通过以下策略成功突出重点，突破难点：
1.课前精心准备，对实验方案设计进行充分预设，然后有意按照不同实验方案精选器材分组准备；
2.课上能做到体现为中心教学设计，先用知识回顾，顺利引入新课，再用发散问题，顺利启发学生深入思考，按照各自手中的实验器材设计出实验方案。
3.学生通过交流实验方案，交流实验结果，让学生对动量守恒定律的条件和普遍适用性能有更深层次的理解。
（二）不足
本节实验课对学生预估不足，学生实验能力不够强，学生表达能力不强，导致实验课存在以下不足：
1.学生自主设计实验表述不完善，需要老师补充完善，这样学生导致方案设计耗时太长，学生实验有些仓促。
2.实验方案二中学生找平均圆心位置及实验方案三重测量β值的误差较大。
4.由于时间关系，本实验限制各组学生实验器具，对学生思想培养力度不够。
5.教师和学生对实验创新性的挖掘不够。
（三）改进思路
本实验继续坚持不同小组的实验方案操作的好做法，这样学生在方案交流和实验结果展示过程中，能充分体会理解动量守恒定律适用条件。同时可以做如下改进：
1.在实验教学中可以适当引入频闪照相、传感器等现代科技提高实验精确度，这样原始实验与科技相结合，能深入体会动量守恒定律的条件和普遍适用性。
2.提高单元整体性教学思考，在上完第三节动量守恒定律时就将实验设计方案作为课后作业布置给学生，这样既可以加深第三节课知识内容的理解，又可以让教师充分掌握学生实验设计实验程度，同时还可节省课上方案设计和点评时间，延长做实验的时间，让学生做实验时间更充分，学生实验结果互评更充分。