资源简介

《1.5 弹性碰撞与非弹性碰撞》教学设计
一、教材分析
1.本章教材概述
本节教学内容选自人教版高中物理教材选择性必修第一册第一章第 5 节。本章前 4节从实验到理论、再从理论到实验，多角度阐述了“动量” “动量定理”“动量守恒定律”等概念和规律，第 5 节和第 6 节则是在两种真实、典型、有意义的情境中对“动量守恒定律”的应用。
2.本节教材分析
前面几节课主要从能动量的角度研究碰撞现象，学生对碰撞中的能量变化也有一定的了解，但还不清楚。本节则进一步研究碰撞中能量的变化，教材编写思路是以碰撞实例为载体，经历实验探究、理论推导，在真实情境中建立弹性碰撞和非弹性碰撞的相关概念。随后，教材创设了两个小球弹性碰撞的情境，先引导学生应用动量守恒定律和机械能守恒定律去解决典型的碰撞问题，推导两个小球在弹性碰撞后的速度表达式，又引导学生从一般到特殊，对三种特殊情况展开讨论，得出碰后两球末速度的表达式，便于快速判断与评估生活中实际现象对应的碰撞类型。学生通过对弹性碰撞和非弹性碰撞的讨论，进一步加深对动量和动能的理解，提升运动与相互作用观及能量观。
二、学情分析
1.已有基础
经过前面四节的学习，学生已经从实验到理论，再从理论到实验，从动量的角度讨论和分析了多种碰撞现象，如汽车的碰撞陨石的撞击等，建立了动量变化与相互作用时间累积之间的关系。另一方面，通过上一节验证动量守恒定律的实验，学生已具备自主设计实验方案采集和分析数据的科学探究的能力。
2.需要提升
学生虽然对于碰撞过程中能量的转移与转化也有所了解，但还不清晰，同时对于碰撞过程中的动力学分析较为陌生，对于弹性碰撞的规律还不了解。
三、教学目标
物理观念：
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通过对碰撞前后动能变化的研究，了解弹性碰撞和非弹性碰撞碰撞特点，并能对生活中的碰撞进行分类。
科学思维：
分别通过对非弹性碰撞和弹性碰撞的实例分析，提高模型建构、抽象概括、演绎推理和科学论证的能力，学会用能量观、动量和动力学观点解释一维碰撞问题。
科学探究：
通过实验探究和碰撞球实验装置的制作，经历观察现象、提出问题、实验探究、理论推导的科学探究过程，提升学生创新能力和动手能力。
科学态度与责任：
通过本节课的学习，认识碰撞的科学本质，了解生产生活中各类碰撞现象，树立爱惜生命，保护资源等社会责任和意识。
四、教学重与难点
重点：1.理解弹性碰撞与非弹性碰撞的物理过程及其特点；
2.会用动量和能量的观点解决生产生活中与一维碰撞相关的实际问题。难点：1.掌握碰撞过程的动量、能量和动力学分析；
2.推导并理解弹性碰撞的规律。
五、教学资源
实验器材：轨道、小车、光电门和数字计时器、自制碰撞实验装置等
多媒体资源：实验视频、多媒体课件
六、方法与策略
本节主要采用基于大单元教学下的以问题为导向的教学法（PBL 教学法），具体教学法有：问题引导、实验探究、分组讨论、合作学习、讲授与评价等。
教学中始终以现实问题为主线，在驱动问题的提出和各个任务的学习中采取了问题引导法；探究法则是在学生自主设计实验方案中得以体现；学生分组利用讨论法得出弹性碰撞和非弹性碰撞的概念的内容；教师的讲授和评价，则贯穿在项目实施的各个补充环节。以问题为导向教学法最大程度保障了学生的主体性和教师的主导性，整个教学过程始终围绕教学目标展开。
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七、教学过程
1.教学线索设计
本节课总体贯穿两条线索，首先是物理观念线索：实验探究碰撞前后动能的变化情况→弹性碰撞与非弹性碰撞概念和特点→碰撞实例的动量和能量分析；科学思维与探究线索：观察现象→提出问题→ 实验探究→抽象概括→演绎推理→反思交流。
2.学习活动设计
学习任务 学习活动设计 设计意图
创设情境、引入新课 【创设情境】从宇宙中的天体到生活中的物体，再到微观世界中的粒子，碰撞无处不在。 学生活动：举出生活中碰撞现象实例，并回顾碰撞的特点及碰撞中蕴含的物理规律。 驱动问题：物体碰撞中系统的动量守恒。那么，在各种碰撞中能量又是如何变化的？ 一方面回顾 已有知识，另一 方面启发学生 从能量角度思 考碰撞问题，进 而引出驱动问 题，从而引入新 课。
问题情境：在本章第 1 节教材图 1.1-2 所示的实验中，使运动滑块与静止滑块发生碰撞，碰撞后两辆小车粘在一起运动，获取实验数据进行分析。 问题 1：依据实验数据，可以得出碰撞后总动能减少 创设问题情 境，通过分析第 一节课的实验 数据引导学生 思考碰撞中的 能量变化。通过 问题 1 、2 引导 学生提出猜想， 并改进实验方 案进行实验探 究。让学生经历
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任务一：实验探究碰撞前后动能的变化 的结论。是否存在碰撞前后系统总动能不变的情况呢？学生活动：给出自己的观点 问题 2 ：请同学们思考下面问题并分组讨论如何设计实验方案:1.仔细观察该实验的碰撞装置及碰撞过程，想一想，总动能减少的原因是什么？2.如何改进碰撞装置尽量减少总动能的损失？ 教师活动：播放碰撞慢动作视频 学生活动：讨论问题 2，并从改进碰撞装置的角度设计实验方案。学生可能会给出将面团弹簧或其他碰撞物体的方案 教师总结：老师已经在这三组滑块上加装了面团、橡皮泥、弹性碰撞架作为碰撞物体，我们可以在气垫导轨上依次进行三次碰撞实验。 观察现象、提出 问题、实验探究 的科学探究过 程。培养学生科 学思维和科学 探究能力。 通过设计对 比实验，探究不 同条件下动能 损失的多少。 通过问题 3 引导学生进行 数据测量，并在 教师的指导下 进行实验操作， 培养学生的动 手能力。
面团 橡皮泥 弹性碰撞架 问题 3：为了得到碰撞前后系统的动能，我们需要测量哪些实验数据？如何测量？ 学生回答：需要测量小车的质量以及碰撞前后的速度，质量可以用天平测量，速度依然用光电门测量。 教师总结：我已经提前将滑块的质量测出，并填在了表中，只要我们测出挡光时间，并将其输入表格中，便能计算出碰撞前后的总动能。 教师活动：指导学生依次进行 3 次实验，并通过 excel表格计算出碰撞前后系统的总动能以及动能损失比。 学生活动：1 位学生进行实验操作，1 位学生在电脑上记录实验数据，其他同学在学习任务单上记录实验数据。 【实验 1】用带有面团的滑块进行碰撞实验
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【实验 2】用带有橡皮泥的滑块进行碰撞实验 【实验 3】用带有弹性碰撞架的滑块进行碰撞实验 问题 4：分析实验数据，你有什么发现？为什么三次实验中动能损失的越来越少？ 学生活动：猜想可能和碰撞物体的形变有关 通过问题 4 引导学生分析 数据，并让学生 观察碰撞过程 慢动作视频，引 导学生寻找动 能损失和形变 恢复的关系，逐 步构建弹性碰 撞的模型，为建 立弹性碰撞和 非弹性碰撞的 概念做好铺垫， 进而理解碰撞 的实质。
实验 1 实验 2 实验 3
教师活动：播放三次碰撞的慢动作视频，引导学生观察碰撞物体的形变及形变恢复情况。 学生归纳：三次碰撞中，碰撞物体均发生了明显形变，但面团的形变基本没恢复，橡皮泥的形变恢复了一部分，而弹性碰撞架的形变基本上完全恢复了。面团形变恢复的最少，碰撞中损失的动能最多；弹性碰撞架形变恢复的最多，碰撞中损失的动能最少。这说明碰撞中动能损失的多少和碰撞物体的形变恢复程度有关，形变恢复的越多，动能损失的就越少。 教师引导：综合以上实验，不难想象，如果碰撞的形变能完全恢复，就可认为碰撞前后系统的动能不变。
教师活动：根据碰撞前后总动能的变化情况，提出弹性碰撞与非弹性碰撞的概念，并举例讨论加深理解。 [概念介绍]在物理学中，如果系统在碰撞前后动能不变，这类碰撞叫作弹性碰撞。 教师举例：在宏观世界中，钢球、玻璃球、台球碰撞时，动能损失很小，它们的碰撞可以看作弹性碰撞。在微观世界中，分子、原子以及更小的微粒之间的碰撞同样可以看作弹性碰撞。 通过对碰撞 中动能变化的 总结，并从能量 的角度对碰撞 进行分类，落实 抽象与概括的 科学方法。
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任务二： 建立并理 解弹性碰 撞与非弹 性碰撞的 概念 [概念介绍]如果系统在碰撞后动能减少，这类碰撞叫作非弹性碰撞。 教师总结：比如贴上橡皮泥的滑块的碰撞，安全实验中汽车的碰撞，天体间的碰撞，都是典型的非弹性碰撞。在非弹性碰撞中有一种特殊情况。理论分析和大量实验都表明，如果碰撞后物体完全不反弹而粘在一起，系统的动能损失最大，在物理学中，我们这种碰撞称为完全非弹性碰撞。比如，装有面团的滑块的碰撞中，二者碰后粘到了一起，面团形变基本没有恢复，可认为是完全非弹性碰撞。 问题 1：非弹性碰撞中系统损失的动能到哪里去了？ 学生回答：转化成热量 教师总结：没错，主要转化成了物体的内能。人们曾观察到彗星的碎片与木星发生猛烈碰撞。碰撞产生的爆炸，相当于上亿颗原子弹爆炸的威力，在木星上留下的“伤痕”尺度几乎达到地球直径大小。虽然在生活中我们利用了很多碰撞改善我们的生活，但有些碰撞会给我们的财物甚至是生命带来损害。比如，在交通中我们务必要注意安全，避免碰撞的发生。 【例题】设实验 1 中粘有面团的两个滑块质量都是m，打开气泵后，让一个滑块以速度 v 碰撞另一静止滑块。碰撞后两个滑块粘在一起，以一定速度继续前进。请计算碰撞后该系统总动能损失了多少？ 通过问题 1 加深学生对非 弹性碰撞中能 量转化的理解， 并提高学生的 安全意识以及 培养学生的科 学态度与责任。 理论推导碰 撞前后动能是 否改变，加深对 概念的理解和 规律的应用。 将理论推导 的结果与实验
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学生活动：进行理论推导，得出结论：碰撞后的总动能 E k, ＝1/2Ek ，碰撞后系统的总动能小于碰撞前系统的总动能。 教师活动：投屏展示学生的计算结果，并引导学生结合前面的实验数据，将理论推导和实验数据进行对比。 数据对比，让学生体会理论和实验的统一美。
任务三：弹性碰撞的实例分析 体验活动 1：在桌面/地面上，将一钢球沿某一方向弹出，碰撞另一相同的静止钢球。要求：碰后静球沿同一方向运动。活动后，学生分享成功的秘诀。 教师活动：介绍正碰的概念。 体验活动 2 ：在轨道上，用不同的球进行一维碰撞（动碰静），仔细观察两球碰后瞬间的运动情况。活动后，学生分享实验现象。 教师活动：总结现象，并提出下面驱动问题 驱动问题：发生弹性碰撞的两个物体，由于质量不同，碰撞后的速度将有哪些特点？ 创设情境：物体 m1 以速度 v1与原来静止的物体 m2生弹性正碰后它们的速度分别为 v1'和 v2'，请推导出二者碰后的速度 v1' 和 v2'表达式。 通过体验活 动 1 中的小游 戏，让学生在体 验中建立正碰 的概念。 通过体验活 动 2，让学生观 察三种不同一 维弹性正碰的 现象，思考质量 对速度的影响， 并为弹性碰撞 实例分析做好 过度。
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m1 m2 m1 m2 学生活动：根据动量守恒定律和碰撞前后系统动能不 变推导出碰撞后小球速度的表达式： 教师活动：投屏展示学生的推导过程和结果，并引导学生讨论以下两个问题。 问题 1 ：你能否利用表达式解释活动 2 中的实验现象？ 学生活动：讨论并给出结论：若 m1=m2 v1' =0 ，v2'=v1表明二者交换速度；若 m1>m2 v1' >0 ，v2' >0，表明碰后二者同向运动；若 m10，表明碰后 m1 反弹、m2 运动方向与 v1 相同。 教师活动：用气垫导轨上质量不等滑块的碰撞演示这三种情况 问题 2：讨论 m1>>m2、m1<> m2 ， 则 v1, = v1 ， v2, = 2v1 （质量大的球速度不变，小的球 2 倍速运动） (2) 若 m2 >> m1 ， 则 v1, = -v1 ， v2, = 0（质量小的球原速率反弹，质量大的球不动） 教师活动：用乒乓球和台球演示（1）和（2）。 问题 3：如果碰前 m2 也有速度，要想计算碰后速度，我们应该在这两个表达式添加什么？ 学生回答：需要考虑其初动量和初动能。 通过创设情 境，学生根据动 量守恒和碰撞 前后动能不变 的特点，列出方 程，推导出碰后 速度表达式。 引导分析表 达式得出三种 情形下的碰后 速度关系，解释 活动 2 中实验 现象。培养学生 解释与交流等 能力。 再研究质量 悬殊的物体间 的碰撞，最后实 践检验理论。培 养学生的证据 意识。
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教师总结：只要发生的是弹性碰撞，我们都可以依据系统动量守恒和碰后总动能不变来解决问题。需要提醒的是，动量守恒方程是矢量式，我们在列这个方程时要注意速度的符号。
课堂小结 本节课我们首先通过实验探究了碰撞中总动能的变化情况，然后从能量的角度将碰撞分为弹性碰撞和非弹性碰撞，最后又分析了一种弹性碰撞的实例，并用计算结果解释了生活中一些有趣的碰撞现象。 总结提升、构建知识网络
八、板书设计
九、学习评价与作业设计
【评价设计】
1.过程性评价：对学生在课堂教学活动中的表现给以及时评价和反馈，及时修正学生的学习行为，促进学生的学习进阶。评价依据有：学生口语报告、实验操作过程、实验报告完成等。
2.形成性评价：对学生的课后活动作业及课时作业进行评价【作业设计】
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1. 定量探究台球撞击乒乓球后速度关系；
2. 完成教材上的课后练习题。
十、教学反思
1.依据课标、教材及学情，始终以学生为中心进行教、学、评一体化设计，重视在学习活动中对学科核心素养的落实；基于 PBL 教学法实施教学，引导学生提出问题、实验验证、得出结论，最后应用规律。从教学效果来看，本节课能够较好地完成教学目标，通过多个学习活动突破了教学重难点。
2.为了让学生经历概念的生成过程，设计了通过三种不同物体进行碰撞的实验方案，并用手机慢动作功能拍摄碰撞过程，观察碰撞时物体的形变。本实验先通过研究弹性不同的三种物体的碰撞，发现三次碰撞中损失的动能不断减小，再经过合理的外推，逐步建构了弹性碰撞这种理想模型，充分地让学生经历了通过实验建构模型及生成概念的过程。通过对慢动作视频中物体的形变及形变恢复过程的观察与研究，使学生理解碰撞的实质以及碰撞中能量转化的规律，同时培养学生基于观察分析问题的能力。总之，该实验方案不仅弥补了教材中实验的不足，还能很好地发展学生的科学思维、科学探究等核心素养。
3.本节可拓展内容较多、生活实例丰富、可供选择的演示实验也很多， 教师要懂得取舍，不可贪多。要始终抓住教学主线，控制好教学的难度与深度，突出教学重点、突破教学难点。
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