资源简介

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1.4实验：验证动量守恒定律教学设计
一、教学目标
1.物理观念：深化对动量守恒定律的理解，明确实验中“系统”的选取标准，掌握“碰撞过程中系统动量守恒”的核心条件，建立“守恒”的物理观念。
2.科学思维：通过分析实验原理，学会将“动量守恒”的矢量规律转化为可测量的标量计算；通过数据处理与误差分析，培养逻辑推理、数据论证和抽象概括能力。
3.科学探究：参与“小球碰撞”分组实验，熟练掌握平抛运动装置的操作方法，规范完成实验操作、数据记录与处理；能设计实验改进方案，提升实验探究与创新能力。
4.科学态度与责任：通过实验操作培养严谨细致的科学态度，在误差分析中认识实验的客观性；结合动量守恒定律的应用实例，体会物理规律在生产生活中的价值，增强科学责任感。
二、教学重难点
1.教学重点
（1）实验原理的推导与理解：掌握利用平抛运动特性将“动量守恒”转化为“水平位移关系”的推导过程，明确实验的核心依据。
（2）实验操作与数据处理：规范完成“小球释放—落点标记—数据测量”等关键操作，掌握“多次测量取平均值”的数据处理方法，能通过计算验证动量守恒。
（3）实验结论的得出：根据数据计算结果，结合误差范围判断系统动量是否守恒，明确实验结论的科学表述。
2.教学难点
（1）实验原理的转化：理解“为什么可以用水平位移代替速度”，突破矢量规律向标量测量转化的思维障碍。
（2）实验误差的分析与控制：识别实验中“小球落点分散”“碰撞不共线”等误差来源，掌握“调整装置水平”“多次测量”等误差控制方法。
（3）不同碰撞情境的拓展：理解“弹性碰撞与非弹性碰撞”中动量守恒的共性，能将实验方法迁移到其他碰撞情境中。
三、教学方法与工具
1.教学方法：采用“原理推导—示范操作—分组实验—探究提升”的教学模式，结合“问题链驱动法”“实验演示法”“小组合作法”，实现从理论到实践的深度衔接。
2.教学工具：①实验器材：斜槽轨道、大小相同的入射小球与被碰小球（质量已知）、重垂线、复写纸、白纸、刻度尺、天平；②多媒体资源：实验原理动画、操作规范视频、误差分析课件；③探究任务单：含原理推导空白、数据记录表格、误差分析问题。
四、教学过程
（一）情境导入：从“碰撞现象”引发探究需求
1.双情境呈现：①播放“台球碰撞”视频，标注“白球撞击红球后，白球速度减小，红球获得速度”；②展示“火箭发射”示意图，配文字“燃料燃烧喷出气体，火箭获得反冲速度”。
2.递进式问题链：①“台球碰撞和火箭发射中，相互作用的物体组成的系统，总动量是否变化？”②“我们通过什么方法可以验证碰撞过程中系统动量守恒？”③“实验中需要测量哪些物理量？如何将抽象的‘动量’转化为可测量的量？”
3.课题引出：教师总结：“动量守恒定律是自然界重要的守恒定律之一，但它需要实验的验证。本节课我们将通过‘小球碰撞实验’，学习验证动量守恒定律的方法，探究碰撞过程中动量变化的规律。”
【设计意图】通过生活中熟悉的碰撞现象创设情境，激活学生对动量守恒定律的已有认知，以问题链激发探究欲望，自然引出实验课题。
（二）探究新知一：实验原理——从“动量守恒”到“位移测量”的转化
1.明确实验系统与守恒条件
（1）系统选取：确定“入射小球（m ）和被碰小球（m ）”组成的系统作为研究对象。
（2）守恒条件分析：引导学生讨论：“实验中如何满足‘系统合外力为零’的守恒条件？”总结得出：①斜槽轨道末端切线水平，保证小球碰撞后做平抛运动，竖直方向重力与支持力平衡；②碰撞时间极短，外力（如摩擦力）的冲量远小于内力冲量，可忽略不计，系统动量近似守恒。
2.原理推导：将动量守恒转化为位移关系
（1）提出问题：“动量p=mv，实验中如何测量小球碰撞前后的速度？”引导学生回忆平抛运动规律：小球从同一高度水平抛出，运动时间t相同，水平位移x=vt，因此速度v与水平位移x成正比（v∝x）。
（2）分组推导任务：各小组结合动量守恒定律和平抛运动规律，推导碰撞前后系统动量的表达式。教师巡视指导，强调矢量方向（取水平向右为正方向）。
（3）推导过程展示与总结：
①碰撞前：入射小球速度为v ，被碰小球静止（v =0），系统总动量p =m v ；
②碰撞后：入射小球速度为v '，被碰小球速度为v '，系统总动量p =m v '+m v '；
③根据动量守恒定律：m v =m v '+m v '；
④由平抛运动规律：v =x /t，v '=x '/t，v '=x '/t（x 为入射小球单独下落的水平位移，x '为碰撞后入射小球的水平位移，x '为碰撞后被碰小球的水平位移），代入动量守恒式得：
m x =m x '+m x '
（4）核心结论：只要测量出入射小球和被碰小球的质量m 、m ，以及对应的水平位移x 、x '、x '，代入上式验证等式是否成立，即可验证碰撞过程中系统动量是否守恒。
【设计意图】通过问题引导和分组推导，让学生亲历“矢量规律→标量转化”的过程，突破原理理解的难点，为实验操作奠定理论基础。
（三）探究新知二：实验操作——规范流程，控制误差
1.实验器材介绍与调试
（1）器材展示：逐一介绍斜槽轨道、小球、重垂线、复写纸等器材的作用，强调“入射小球质量m 大于被碰小球质量m ”的原因（避免入射小球反弹，简化位移测量）。
（2）关键调试步骤（教师示范，学生同步操作）：
①调整斜槽轨道：将轨道末端切线调至水平——方法：让小球从轨道某点静止释放，若小球在轨道末端静止或匀速滚动，则切线水平；
②固定白纸与复写纸：在轨道末端正下方地面铺白纸，上方覆盖复写纸，用重垂线标出轨道末端在白纸上的投影点O（作为位移测量的原点）；
③确定小球释放点：在斜槽轨道上做标记，确保入射小球每次从同一位置静止释放，保证碰撞前速度v 不变。
2.实验操作步骤（分组进行，每组4人分工）
（1）分工安排：1人负责释放小球，1人负责标记落点，1人负责测量数据，1人负责记录数据，确保操作规范、高效。
（2）具体操作：
①测量入射小球单独下落的位移x ：将被碰小球移至轨道末端外侧（不参与碰撞），让入射小球从标记点静止释放，撞击复写纸在白纸上留下落点A；重复释放10次，用圆规画出包含所有落点的最小圆，圆心即为平均落点A，测量OA的距离，记为x ；
②测量碰撞后两小球的位移x '和x '：将被碰小球放在轨道末端的支柱上（确保两小球球心等高，碰撞时速度方向与球心连线共线），让入射小球从同一标记点静止释放，与被碰小球碰撞后，两小球分别落在白纸上，留下落点B（入射小球）和C（被碰小球）；重复10次，确定平均落点B和C，测量OB的距离记为x '，测量OC的距离记为x '；
③测量小球质量：用天平测量入射小球质量m 和被碰小球质量m ，记录数据（实验室已提前标注，可直接核对）；
④重复实验：改变入射小球释放点，重复上述步骤2次，获得多组数据，减小偶然误差。
3.实验注意事项（教师巡回指导，及时纠正错误）
①小球释放：必须从静止释放，避免用手推小球导致初速度不一致；
②碰撞共线：确保两小球碰撞时球心在同一高度，且碰撞瞬间速度方向与球心连线共线，避免出现斜碰导致动量不守恒；
③落点标记：每次落点需清晰标记，若落点分散，应增加重复次数（不少于10次），确保平均落点的准确性；
④数据测量：刻度尺需与位移方向平行，读数时视线与刻度线垂直，估读到毫米的下一位（如25.35cm）。
【设计意图】通过明确分工、规范操作步骤和强调注意事项，培养学生的实验操作能力和严谨态度，同时通过“多次测量取平均”的方法控制偶然误差，为精准验证奠定基础。
（四）探究新知三：数据处理与误差分析——论证守恒，优化实验
1.数据处理（分组计算，展示结果）
（1）数据记录表格（每组完成1份，示例如下）：
实验次数 m (g) m (g) x (cm) x '(cm) x '(cm) m x (g·cm) m x '+m x '(g·cm) 相对误差(%)
1 50.0 25.0 60.00 20.10 79.80 3000.0 50×20.10+25×79.80=2995.0 |3000.0-2995.0|/3000.0×100≈0.17
2 50.0 25.0 65.00 21.50 86.20 3250.0 50×21.50+25×86.20=3255.0 |3250.0-3255.0|/3250.0×100≈0.15
（2）计算与结论：每组根据多组数据计算“m x ”和“m x '+m x '”的值，若相对误差在5%以内（实验允许范围），则可得出“在小球碰撞过程中，m 、m 组成的系统动量守恒”的结论。
2.误差分析（小组讨论，全班交流）
（1）误差来源探究：各小组结合实验操作过程，讨论“为什么两次计算结果不完全相等？”，总结误差来源：
①偶然误差：小球落点分散导致平均落点确定有偏差；刻度尺读数有误差；小球释放位置略有变动导致v 不稳定；
②系统误差：斜槽轨道存在摩擦力，导致小球速度减小；轨道末端切线未完全水平，小球做斜抛运动而非平抛；两小球碰撞并非完全对心碰撞，导致动量在垂直方向有分量。
（2）误差控制与实验改进方案：针对误差来源，各小组提出改进建议，教师总结优化措施：
①减小偶然误差：增加重复实验次数（15次以上）；使用更精密的刻度尺（毫米刻度尺）；在轨道释放点安装定位卡，确保释放位置固定；
②减小系统误差：选用光滑度更高的斜槽轨道，减小摩擦力；用水平仪调整轨道末端，确保切线水平；调整支柱高度，精确对齐两小球球心，保证对心碰撞。
3.实验拓展：不同碰撞情境的动量守恒
（1）提出问题：“弹性碰撞和非弹性碰撞中，系统动量都守恒吗？”引导学生思考：动量守恒的条件是“系统合外力为零”，与碰撞类型无关，因此无论是弹性碰撞还是非弹性碰撞，只要满足守恒条件，动量都守恒。
（2）拓展实验建议：用橡皮泥包裹被碰小球，使两小球碰撞后粘在一起（完全非弹性碰撞），重复上述实验，验证动量是否守恒，进一步加深对动量守恒条件的理解。
【设计意图】通过数据处理、误差分析和拓展探究，让学生从“验证结论”上升到“理解规律本质”，培养科学思维和创新能力，同时突破“误差分析”这一难点。
（五）重点知识归纳：实验核心知识体系
1.实验核心原理
①守恒条件：系统（m 、m ）合外力为零（碰撞时间短，外力冲量可忽略）；
②关键转化：平抛运动中v∝x，将动量守恒定律转化为m x =m x '+m x '；
③实验结论：在误差允许范围内，碰撞过程中系统动量守恒。
2.实验操作关键步骤
调水平→定原点→标落点（单独+碰撞）→测位移→算动量→判守恒
3.误差分析与改进
误差类型 主要来源 改进措施
偶然误差 落点分散、读数误差、释放点变动 多次测量取平均、精密仪器、定位卡固定释放点
系统误差 轨道摩擦、末端不水平、非对心碰撞 光滑轨道、水平仪调平、对齐球心
4.实验注意事项
①m >m ，避免入射小球反弹；
②两小球球心等高，保证对心碰撞；
③入射小球每次从同一位置静止释放；
④位移测量以轨道末端投影点O为原点。
（六）课堂练习：分层巩固，落实重难点
1.基础题（巩固实验原理与操作）
在“验证动量守恒定律”实验中，选取入射小球和被碰小球时，下列说法正确的是（）
A.入射小球质量应小于被碰小球质量
B.两小球的直径应不同
C.入射小球质量应大于被碰小球质量
D.两小球的材质必须相同
答案：C
解析：为避免入射小球碰撞后反弹，导致位移方向反向，增加测量难度，入射小球质量应大于被碰小球质量，A错误，C正确；为保证对心碰撞，两小球直径应相同，B错误；材质与动量守恒无关，D错误。
实验中用水平位移代替速度的依据是（）
A.小球做匀速直线运动
B.小球做自由落体运动
C.小球做平抛运动，水平方向匀速，运动时间相同
D.小球碰撞前后速度方向相同
答案：C
解析：实验中轨道末端水平，小球碰撞后做平抛运动，竖直方向下落高度相同，运动时间t相同，水平方向不受力，做匀速直线运动，v=x/t，因此v与x成正比，可用水平位移代替速度，C正确。
某小组在实验中测得数据如下：m =50g，m =25g，x =60.0cm，x '=20.0cm，x '=80.0cm。请验证碰撞过程中系统动量是否守恒。
答案：左侧m x =50×60.0=3000g·cm；右侧m x '+m x '=50×20.0+25×80.0=1000+2000=3000g·cm；左侧=右侧，在误差允许范围内，系统动量守恒。
解析：直接代入实验原理公式计算，比较两侧数值是否相等，结合误差范围得出结论。
2.提升题（强化误差分析与实验改进）
在实验中，若斜槽轨道末端切线未调至水平，会导致（）
A.小球碰撞后做斜抛运动，水平位移测量不准确
B.小球碰撞前速度不稳定
C.两小球无法发生对心碰撞
D.小球质量测量误差增大
答案：A
解析：轨道末端不水平，小球碰撞后做斜抛运动，水平方向不再是匀速直线运动，v=x/t不再成立，导致水平位移无法准确反映速度，A正确；速度稳定性与释放点有关，B错误；对心碰撞与球心高度有关，C错误；与质量测量无关，D错误。
某小组在实验中发现“m x ”始终略大于“m x '+m x '”，分析可能的误差来源，并提出改进措施。
答案：可能的误差来源：①斜槽轨道存在摩擦力，导致小球碰撞前速度v 减小，实际v 小于理论值；②小球碰撞过程中存在能量损失，导致动量有微小损失；③落点标记时，平均落点偏左，导致x '或x '测量值偏小。改进措施：①选用更光滑的斜槽轨道，减小摩擦力；②增加小球释放高度，增大碰撞前速度，减小摩擦力的影响；③增加重复实验次数，提高平均落点标记的准确性。
解析：结合实验原理，分析“左侧大于右侧”的原因，从系统误差和偶然误差角度排查，针对性提出改进措施。
3.拓展题（培养实验迁移能力）
若将实验中的“平抛运动”改为“匀速直线运动”（如在光滑水平面上用小车碰撞），请设计验证动量守恒定律的实验方案，说明实验原理、需要测量的物理量及动量守恒的表达式。
答案：①实验原理：选取两辆小车组成系统，在光滑水平面上碰撞，系统合外力为零，动量守恒；用打点计时器记录小车碰撞前后的运动情况，根据纸带计算速度（v=Δx/Δt），验证m v +m v =m v '+m v '（若被碰小车初始静止，则m v =m v '+m v '）。②需要测量的物理量：两辆小车的质量m 、m ；碰撞前入射小车的速度v ，被碰小车的速度v （静止时v =0）；碰撞后两小车的速度v '、v '。③动量守恒表达式：m v =m v '+m v '（被碰小车初始静止时）。
解析：将小球碰撞的实验方法迁移到小车碰撞情境，核心是利用“匀速运动”测量速度，结合动量守恒条件设计方案，培养实验迁移能力。
（七）课堂小结与作业布置
1.课堂小结
教师引导学生回顾：“本节课我们通过小球碰撞实验，学习了验证动量守恒定律的方法。核心是掌握‘平抛运动特性实现速度与位移的转化’的实验原理，规范完成实验操作与数据处理，通过误差分析理解实验的客观性。动量守恒定律是自然界的普遍规律，其应用贯穿于天体运动、核反应等多个领域。”
2.分层作业
（1）基础作业：整理实验报告，包括实验原理、操作步骤、数据记录与处理、实验结论及误差分析，完成教材第34页“问题与练习”1-3题。
（2）提升作业：针对本节课实验中的误差来源，设计一份“实验改进方案”，详细说明改进措施、预期效果及理论依据。
（3）拓展作业：查阅资料，了解“动量守恒定律在火箭发射中的应用”，撰写一篇200字左右的短文，阐述其工作原理。
五、教学反思
1.亮点：本节课通过“原理推导—操作示范—分组实验—探究提升”的递进式设计，有效突破了重难点。分组实验中明确的分工安排提高了课堂效率，误差分析环节的小组讨论激发了学生的主动性，拓展题的设计培养了实验迁移能力，充分落实了核心素养的培养要求。
2.不足：①部分学生在原理推导时对“矢量转化为标量”的理解仍存在障碍，需在课前复习平抛运动规律和动量守恒定律的矢量性；②实验操作中，部分小组对“平均落点”的确定方法掌握不熟练，导致数据误差较大，需在操作前加强示范。
3.改进：①课前发放预习任务单，复习平抛运动规律和动量守恒定律的矢量表达，为课堂原理推导铺垫；②增加“平均落点确定”的专项示范，用动画展示“最小圆法”的操作过程，确保学生掌握正确方法。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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