《验证动量守恒定律创新实验设计与分析》说课稿全国实验说课大赛获奖案例.docx

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《验证动量守恒定律创新实验设计与分析》说课稿全国实验说课大赛获奖案例

《验证动量守恒定律——创新实验设计与分析》说课稿

一、教材分析

本节课的设计依托于人教版高中《物理选修3-5》第十六章动量守恒定律，教材在本章的开始设计了一节实验探究课——《实验：

探究碰撞中的不变量》。

通过研究教材发现以下问题：

1.教材中给出了具体的实验设计方案，不利于学生创新能力的提升；2.教材中的实验方法限制了学生只能在实验室内进行实验，不能课下持续探究，不利于调动学生探究的积极性；3.高考考纲中明确表示，本章的实验考查内容为《验证动量守恒定律》，课本内容安排与高考考纲内容有差异。

为紧扣新课程标准和高考考纲，我在本章内容的最后增加了创新实验课。

二、学情分析

1.知识基础：

学生已经掌握了一些运动规律，并且通过对“动量守恒定律”这一章的学习，已经对相关的知识比较熟悉，能将理性的碰撞知识与感性的生活认知相联系。

2.能力基础：

学生通过在前面实验课中的学习与实践，已经了解了物理学的研究方法，具备了实验设计的能力和实验操作的技能，有一定的分析能力和逻辑推理能力。

另外，学生在“能量守恒定律”一章中有过类似的实验创新课的经历和体验。

3.薄弱环节：

虽然学生在平常学习中掌握了一定的物理模型和物理思想，有利于开拓思维，但对于学生来说，利用基本的物理模型和生活实例来设计创新实验，进行实验误差分析并优化实验方案，这是一个难点，需要学生加强训练，教师给予指导。

三、实验教学目标

（一）物理观念

1.通过创新性实验的演示，使学生具有初步的动量守恒的观念，能从物理学的视角描述和解释与动量守恒有关的现象。

2.通过创新性实验装置的设计，使学生具有相对清晰的动量守恒的观念。

3.通过对各小组实验装置的原理分析和误差分析，使学生具有清晰的动量守恒的观念，并掌握用实验装置测速度或用其他物理量表示速度的大小的方法。

（二）科学思维

1.通过创新性实验的演示与分析，使学生初步感受将实际问题中的研究对象转换成物理模型的科学思维。

2.通过创新性实验装置的设计，使学生初步体会在具体的物理情境中对综合性物理问题进行分析和推理的能力。

3.通过对各小组实验装置的原理分析和误差分析，使学生初步做到能从多个视角审视已有观点的正确性，并能提出相应的创新性观点。

（三）科学探究

1.通过创新性实验装置的设计，使学生能够在教师的指导和小组合作的基础上制定科学探究方案，掌握设计验证性实验的一般思路和方法。

2.通过对各小组实验装置的原理分析和误差分析，使学生能够主动交流、反思科学探究过程。

（四）科学态度与责任

1.通过用生活中常见的物品制作教具，拉近科学与学生的距离，使学生感到科学就在身边，调动学生学习的积极性，培养学生的学习兴趣。

2．通过学生合作学习，培养学生的团结合作精神和协作意识，敢于提出与别人不同的见解。

3．通过创新实验设计，培养学生建立物理模型、灵活运用物理模型的科学学习方法，锻炼学生的发散思维能力。

四、教学重点与难点

1.创新实验的设计、分析与优化。

2.掌握用实验装置测速度或用其他物理模型间接表示速度大小的方法。

五、教法与学法

探究式教学模式，以实验方案设计为主轴，以探究学习为主要形式，以鼓励创新为目的，引导学生小组合作、实验探究。

六、实验创新要点

（一）创新型实验装置

图1

实验仪器：

简易跷跷板、玩具小车、轻弹簧、细线、打火机、配重

实验现象1：

释放夹在辆小车中的轻弹簧，小车运动过程中，跷跷板处于平衡状态（如图2）。

图2

实验原理1：

设左右两边小车的质量分别为m1、m2，将两辆小车由静止开始释放，两辆小车在运动过程中受到的滚动摩擦力矢量和为零，两小车组成的系统动量守恒。

初始状态两小车的动量矢量和为零，中间过程的动量矢量和也为零，故m1v1=m2v2 ，由于运动的同时性，两边同乘gt，可得m1gL1=m2gL2 ,L1、L2 分别为左右两个小车在相同时间内走过的路程，由杠杆平衡原理可得，跷跷板将处于平衡状态，不左右摆动。

实验现象2：

将其中一辆小车的车轮绑住，释放夹在辆小车中的轻弹簧，小车运动过程中，跷跷板发生晃动（如图3）。

图3

实验原理2：

将其中一辆小车的车轮绑住后，小车所受的摩擦力从滚动摩擦变成滑动摩擦，两辆小车所受的摩擦力矢量和不为零，两小车组成的系统动量不守恒，不满足杠杆平衡条件，翘翘板发生晃动。

实验创新要点：

1.实验装置简单易做，学生课下可以自主操作，能够调动学生的积极性；

2.模型是学生熟悉的跷跷板，让学生感受到物理来源于生活，服务于生活；

3.实验现象明显，有趣味性，能激发学生的学习兴趣，激活学生的思维。

（二）学生半自主设计型创新实验（验证动量守恒的条件）

图4

实验仪器：

带刻度的轨道、小车、弹簧、电磁铁、光电开关、指示灯、学生电源、导线、电子秤、配重等（如图4）。

实验准备：

将导轨的两端分别固定一个电磁铁，两个电磁铁串联，吸附两辆小车，以保证两辆小车可以同时由静止释放。

将两个光电开关分别与一个指示灯串联，当两个小车经过光电开关时，指示灯亮起。

根据导轨上的刻度，调节两辆小车的前端分别到两个光电开关的距离相等。

选择两辆材料完全一样的小车，通过增加配重，使两辆小车的质量相同，在两辆固定的小车中间连接上被拉伸的劲度系数较小的弹簧。

实验现象及实验原理：

1.因为两辆小车的材料和质量都相同，所以两辆小车在释放的过程中受到的摩擦阻力大小相等、方向相反，两辆小车和弹簧组成的系统所受的合外力为零，系统动量守恒，两辆小车在运动的过程中速度的大小时刻相同，二者应该同时到达等距离的光电开关，与光电开关串联的指示灯将同时亮起。

2.将其中一辆小车的底部贴上一块橡胶片，使得两辆小车在运动过程中所受的摩擦力的矢量和不为零，系统的动量不守恒，两辆小车在运动的过程中速度的大小不能时刻相同,两辆小车不能同时通过光电开关，指示灯不能同时亮起。

3.在两辆小车所受的摩擦力大小不同的前提下，增加两辆小车中间的弹簧个数，使内力远大于外力，系统的动量近似守恒，两辆小车几乎同时达到光电开关，两个指示灯几乎同时亮起。

实验创新要点：

1.在这一环节中，不是直接展示设计成品，而是让学生将一个半成品的实验装置，通过思考与讨论，设计成一个完整的创新实验，初步享受设计实验的成就感，提升发现问题、解决问题的能力。

2.实验器材相对简单易寻，设计方案体现了课程内的知识综合，既方便学生课下动手操作，也能激活学生的思维。

（三）利用Tracker软件将定性实验转化成定量实验

图5

实验创新要点：

Tracker软件的引入，使学生掌握了一种能随时随地分析实验、处理数据的方法，让学生体会到物理与现代科技的密切联系，拉近学生与物理学科的距离，进而真正激发学生学习物理的兴趣和主动性。

七、教学过程设计

（一）创新实验演示与分析

1.演示跷跷板实验，释放弹簧，观察跷跷板是否处于稳定状态（如图2和图3）。

2.  学生思考并解释实验原理（见前面叙述）

3.  （问题引导）如何改变小车才能让翘翘板在小车释放的过程中发生晃动？

学生思考提出方案：

（1）将其中一辆小车的车轮绑住，变滚动摩擦为滑动摩擦，使两辆小车所受到的摩擦力的矢量和不为零，系统动量不守恒，翘翘板不稳定。

（2）增大其中一辆小车的质量，使这辆小车受到的滚动摩擦力增大。

（3）给其中一辆小车挂上风帆，增加其所受到的空气阻力。

4.  教师给学生提供半成品的实验装置，通过问题引导，学生小组讨论，设计定性实验验证一维运动中动量守恒的条件。

（此时学生通过前面的学习，已经有了理论的储备，但缺乏感性的认识。

）（实验设计思路及原理见前面叙述）

5.  （思维深入）如何将定性实验装置改为定量实验装置？

学生通过讨论发现问题的关键使如何测量速度，学生提出观点：

利用平抛运动，光电门，打点计时器，频闪照相法、压力传感器、轨迹跟踪软件等。

（教师给予及时肯定与评价）

为了让学生能在课下进行深入的研究与分析，我们在本节课采用Tracker软件来追踪研究对象的轨迹，选择其中一组，展示定量操作的实验并进行数据处理。

6.物理回归生活，分小组利用Tracker软件分析学生自己打乒乓球时的动量守恒问题，通过对获得的数据进行分析，学生思考在乒乓球与台子碰撞的过程中水平方向动量是否守恒？

为什么？

有的小组分析获得的数据发现，乒乓球与台子碰撞后瞬间，水平方向的动量略有增加，请学生提出猜想，课后重新录制几段视频，进行进一步的分析，并查阅相关资料，探讨这是意外还是有更深入的原因。

（二）创新实验设计与展示

1.  教师设计问题，引导学生进行小组讨论，设计实验装置图。

2.  通过小组内讨论和小组间的实验分享和互评，进行误差分析、优化实验方案。

3.  实验原理图展示，教师给予及时地评价与指导

图片6

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图片11

（1）图6实验原理：

由静止释放弹簧后，A、B两滑快在气垫导轨上做匀速运动，分别测出A和B的运动路程和时间，就可得到二者分离后的速度。

（2）图7实验原理：

利用平抛运动得到m1、m2两小球由静止释放后各自的速度，从而验证动量守恒定。

（3）图8实验原理：

利用动能和重力势能的相互转化来求得两小球碰前和碰后的速度。

（4）图9实验原理：

利用动能和重力势能的相互转化来求得A小球碰前和碰后的速度，利用平抛运动来测定B小球碰后的速度.

（5）图10实验原理：

利用平抛运动来测定B小球在弹簧释放后的速度，利用测定的摩擦因数及A在水平面上移动的距离来测得A在弹簧释放后的速度。

（6）图11实验原理：

用压力传感器结合圆周运动向心力公式求速度。

图12

（7）图12实验原理：

利用带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式求速度。

（这种方法在高中阶段没办法实现，但设计方案充分体现了学生的知识迁移能力，教师需要给予表扬）

4.各小组对其他小组展示的实验原理图进行分析，并总结用实验装置测速度或用其他物理量表示速度的方法。

①打点计时器或光电门和数字计时器组合使用可以测量速度。

②利用平抛运动可以间接表示速度的大小。

③利用单摆或其他模型中重力势能和动能的转化可以间接表示速度的大小。

④利用物块在水平面上做匀减速运动，测量动摩擦因数和位移，可以表示速度的大小。

⑤利用物块在气垫导轨上做近似匀速运动表示速度。

     ······

八、实验效果评价

（一）创新思维的提升

在课堂引入阶段采用的自制实验教具兼顾了“趣味性、科学性”，彰显实验魅力，成功激发了学生的学习兴趣，激活了学生的思维。

（二）建模能力的提升

在创新实验设计环节，学生能通过教师的引导及小组合作讨论，充分利用已学的物理模型创造新装置，解决新问题。

通过这堂课，笔者发现学生的能力真的是不可限量，例如有一个学生提出利用带电粒子在匀强磁场中运动的轨迹圆半径求得碰前和碰后的速度，虽然可行性不高，但这充分体现出学生对带电粒子在匀强磁场中的运动模型的掌握的很到位，且能很自然的进行知识的迁移应用。

（三）探究能力的提升

创新实验设计是本节实验课的重点也是难点，这不仅要求学生有创新性思维和一定的构建模型的能力，还要求学生能够按照实验探究的一般步骤分析实验原理、实验器材、实验步骤、实验数据处理以及实验误差等方面所需要注意的细节问题，最后通过小组自评和互评的形式真正地提升提出问题和解决问题的能力。

（四）合作能力的提升

实验设计环节始终是以小组为单位进行的，通过小组内的合作和各小组间的方案共享，让学生充分体会到合作的重要性，增强了学生的合作意识，提高了学生的合作能力。

本节课以小实验带动大创新，从实验装置的创新，到实验方法的创新，再到教学方式的创新，其根本目的是想让学生真正成为学习的主体，享受从感性认知到理性思索的探究过程，真正提升学生的创新思维能力、建模能力、探究能力、合作能力等，从本质上落实了本节课的核心素养目标。

我的说课到此结束，感谢各位专家、各位评委老师！