高中物理选修3-5教案

116．1实验：探究碰撞中的不变量一、三维目标知识与技能1、明确探究碰撞中的不变量的基本思路2、掌握同一条直线上运动的两个物体碰撞前后的速度的测量方法3、掌握实验数据处理的方法过程与方法1、学习根据实验要求，设计实验，完成某种规律的探究方法2、学习根据实验数据进行猜测、探究、发现规律的探究方法情感、态度与价值观1、通过对实验方案的设计，培养学生积极主动思考问题的习惯，并锻炼其思考的全面性、准确性与逻辑性2、通过对实验数据的记录与处理，培养学生实事求是的科学态度，能使学生灵活地运用科学方法来研究问题，解决问题，提高创新意3、在对实验数据的猜测过程中，提高学生合作探究能力4、在对现象规律的语言阐述中，提高了学生的语言表达能力，还体现了各学科之间的联系，可引伸到各事物间的关联性，使自己溶入社会二、教学重点碰撞中的不变量的探究三、教学难点实验数据的处理四、教学过程（一）引入新课课件演示：（1）台球由于两球碰撞而改变运动状态（2）微观粒子之间由于相互碰撞而改变状态，甚至使得一种粒子转化为其他粒子2师：碰撞是日常生活、生产活动中常见的一种现象，两个物体发生碰撞后，速度都发生变化师：两个物体的质量比例不同时，它们的速度变化也不一样师：物理学中研究运动过程中的守恒量具有特别重要的意义，本节通过实验探究碰撞过程中的什么物理量保持不变（守恒）（二）进行新课1、实验探究的基本思路1．1一维碰撞师：我们只研究最简单的情况——两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿同一直线运动，这种碰撞叫做一维碰撞．课件：碰撞演示如图所示，A、B是悬挂起来的钢球，把小球A拉起使其悬线与竖直线夹一角度a，放开后A球运动到最低点与B球发生碰撞，碰后B球摆幅为β角．如两球的质量mA=mB，碰后A球静止，B球摆角β=α，这说明A、B两球碰后交换了速度如果mAmB，碰后A、B两球一起向右摆动如果mAmB，碰后A球反弹、B球向右摆动师：以上现象可以说明什么问题？结论：以上现象说明A、B两球碰撞后，速度发生了变化，当A、B两球的质量关系发生变化时，速度变化的情况也不同．1．2追寻不变量师：在一维碰撞的情况下与物体运动有关的量只有物体的质量和物体的速度设两个物体的质量分别为m1、m2，碰撞前它们速度分别为v1、v2，碰撞后的速度分别为1v、2v规定某一速度方向为正，碰撞前后速度的变化和物体的质量m的关系，我们可以做如下猜测：（1）22112211vmvmvmvm（2）222211222211vmvmvmvm3（3）22112211mvmvmvmv分析：①碰撞前后物体质量不变，但质量并不描述物体的运动状态，不是我们追寻的“不变量”②必须在各种碰撞的情况下都不改变的量，才是我们追寻的不变量2、实验条件的保证、实验数据的测量2．1实验必须保证碰撞是一维的，即两个物体在碰撞之前沿同一直线运动，碰撞之后还沿同一直线运动2．2用天平测量物体的质量2．3测量两个物体在碰撞前后的速度师：测量物体的速度可以有哪些方法？生：讨论总结：速度的测量：可以充分利用所学的运动学知识，如利用匀速运动、平抛运动，并借助于斜槽、气垫导轨、打点计时器和纸带等来达到实验目的和控制实验条件．课件：参考案例――一种测速原理如图所示，图中滑块上红色部分为挡光板，挡光板有一定的宽度，设为L．气垫导轨上黄色框架上安装有光控开关，并与计时装置相连，构成光电计时装置当挡光板穿入时，将光挡住开始计时，穿过后不再挡光则停止计时，设记录的时间为t，则滑块相当于在L的位移上运动了时间t，所以滑块匀速运动的速度v=L/t43、实验方案3．1用气垫导轨作碰撞实验（如图所示）实验记录及分析（a-1）碰撞前碰撞后质量m1=4m2=4m1=4m2=4速度v1=9v2=01v=32v=6mv2211vmvm2211vmvmmv2222211vmvm222211vmvmv/m2211mvmv2211mvmv实验记录及分析（a-2）碰撞前碰撞后质量m1=4m2=2m1=4m2=2速度v1=9v2=01v=4.52v=9mv2211vmvm2211vmvmmv2222211vmvm222211vmvmv/m2211mvmv2211mvmv5实验记录及分析（a-3）碰撞前碰撞后质量m1=2m2=4m1=2m2=4速度v1=6v2=01v=-22v=4mv2211vmvm2211vmvmmv2222211vmvm222211vmvmv/m2211mvmv2211mvmv实验记录及分析（b）碰撞前碰撞后质量m1=4m2=2m1=4m2=2速度v1=0v2=01v=22v=-4mv2211vmvm2211vmvmmv2222211vmvm222211vmvmv/m2211mvmv2211mvmv实验记录及分析—（c）碰撞前碰撞后质量m1=4m2=2m1=4m2=2速度v1=9v2=01v=62v=6mv2211vmvm2211vmvmmv2222211vmvm222211vmvm6v/m2211mvmv2211mvmv3．2用小车研究碰撞将打点计时器固定在光滑桌面的一端，把纸带穿过打点计时器，连在小车的后面。让小车A运动，小车B静止。在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥，碰撞时撞针插入橡皮泥中，把两个小车连接成一体（如上图）。通过纸带测出它们碰撞前后的速度。五、板书设计16．1实验：探究碰撞中的不变量1．基本思路（一维碰撞）与物体运动有关的物理量可能有哪些？碰撞前后哪个物理量可能是不变的？2．需要考虑的问题碰撞必须包括各种情况的碰撞物体质量的测量（天平）碰撞前后物体速度的测量（利用光电门或打点计时器等）六、课后作业优化方案七、教学辅助手段投影片，多媒体辅助教学设备；完成该实验实验室提供的实验器材，如气垫导轨、滑块八、教学反思思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。716．2动量和动量定理一、三维目标知识与技能1、理解动量定理的确切含义和表达式，知道动量定理适用于变力2、会用动量定理解释有关物理现象，并能掌握一维情况下的计算问题过程与方法运用牛顿运动定律和运动学公式推导出动量定理表达式情感、态度与价值观通过运用所学知识推导新的规律，培养学生学习的兴趣，激发学生探索新知识的欲望二、教学重点理解动量定理的确切含义和表达式三、教学难点会用动量定理解释有关物理现象，并能掌握一维情况下的计算问题四、教学过程（一）引入新课小实验引入新课：演示实验1：鸡蛋落地【演示】事先在一个白铁桶的底部垫上一层海绵（不让学生知道），让一个鸡蛋从一米多高的地方下落到白铁桶里，事先让学生推测一下鸡蛋的“命运”，然后做这个实验。结果发现并没有象学生想象的那样严重：发现鸡蛋不会被打破演示实验2：缓冲装置的模拟【演示】用细线悬挂一个重物，把重物拿到一定高度，释放后重物下落可以把细线拉断，如果在细线上端拴一段皮筋，再从同样的高度释放，就不会断了【让学生在惊叹中开始新课内容】在日常生活中，有不少这样的事例：跳远时要跳在沙坑里；跳高时在下落处要放海绵垫子；从高8处往下跳，落地后双腿往往要弯曲；轮船边缘及轮渡的码头上都装有橡皮轮胎等，这样做的目的是为了什么呢？而在某些情况下，我们又不希望这样，比如用铁锤钉钉子。这些现象中的原因是什么呢？通过我们今天的学习来探究其中的奥秘。（二）进行新课1、用动量概念表示牛顿第二定律师：给出问题（投影）假设一个物体在恒定的合外力作用下，做匀变速直线运动，在t时刻初速度为v，在t′时刻的末速度为v′，试推导合外力的表达式。学生：用牛顿第二定律F=ma以及匀变速直线运动的公式自己推导。（教师巡回指导，及时点拨、提示）推导过程：如图所示，由牛顿第二定律得，物体的加速度vtvva合力F=mattppttmvvmvtvvm由于ppp，ttt所以，tpF（1）结论：上式表示，物体所受合外力等于物体动量的变化率。这就是牛顿第二定律的另一种表达式2、动量定理教师：将（1）式写成mvvm)(ttF（2）（师生讨论上式的物理意义）总结：表达式左边是物体从t时刻到t′时刻动量的变化量，右边是物体所受合外力与这段时间的乘积。（2）式表明，物体动量的变化量，不仅与力的大小和方向有关，还与时间的长短有关，力越大、作用时间越长，物体动量的变化量就越大。)(ttF这个量反映了力对时间的积累效应教师（讲解）：物理学中把力F与作用时间的乘积，称为力的冲量，记为I，即)(ttFI，单位：N·s，读作“牛顿秒”v′vF9将（2）式写成Ipp（3）（3）式表明，物体动量的变化量等于物体所受合外力的冲量，这个结论叫做动量定理。讨论：如果物体所受的力不是恒力，对动量定理的表达式应该怎样理解呢？教师：引导学生阅读选修3－5教材24页第一段，理解动量定理的过程性总结：尽管动量定理是根据牛顿第二定律和运动学的有关公式在恒定合外力的情况下推导出来的。可以证明：动量定理不但适用于恒力，也适用于随时间变化的变力。对于变力情况，动量定理中的F应理解为变力在作用时间内的平均值。在实际中我们常遇到变力作用的情况，比如用铁锤钉钉子，球拍击乒乓球等，钉子和乒乓球所受的作用力都不是恒力，这时变力的作用效果可以等效为某一个恒力的作用，则该恒力就叫变力的平均值，如图所示，是变力与平均力的F-t图象，其图线与横轴所围的面积即为冲量的大小，当两图线面积相等时，即变力与平均力在t0时间内等效利用动量定理不仅可以解决匀变速直线运动的问题，还可以解决曲线运动中的有关问题，将较难计算的问题转化为较易计算的问题3、动量定理的方向性例如：匀加速运动合外力冲量的方向与初动量方向相同，匀减速运动合外力冲量方向与初动量方向相反，甚至可以跟初动量方向成任何角度。在中学阶段，我们仅限于初、末动量的方向、合外力的方向在同一直线上的情况（即一维情况），此时公式中各矢量的方向可以用正、负号表示，首先要选定一个正方向，与正方向相同的矢量取正值，与正方向相反的矢量取负值。如图所示，质量为m的球以速度v向右运动，与墙壁碰撞后反弹的速度为v’，碰撞过程中，小球所受墙壁的作用力F的方向向左。若取向左为正方向，则小球所受墙壁的作用力为正值，初动量取负值，末动量取正值，因而根据动量定理可表示为Ft=p′一p=mv′一（一mv）=mv′十mv。此公式中F、v、v′均指该物理量的大小（此处可紧接着讲课本上的例题）。小结：公式Ft=p′一P=△p是矢量式，合外力的冲量的方向与物体动量变化的方向相同。合外力冲量的方向可以跟初动量方向相同，也可以相反。v′vFF0t0t10演示实验3：小钢球碰到坚硬大理石后返回4、应用举例下面，我们应用动量定理来解释鸡蛋下落是否会被打破等有关问题鸡蛋从某一高度下落，分别与石头和海绵垫接触前的速度是相同的，也即初动量相同，碰撞后速度均变为零，即末动量均为零，因而在相互作用过程中鸡蛋的动量变化量相同。而两种情况下的相互作用时间不同，与石头碰时作用时间短，与海绵垫相碰时作用时间较长，由Ft=△p知，鸡蛋与石头相碰时作用大，会被打破，与海绵垫相碰时作用力较小，因而不会被打破接着再解释用铁锤钉钉子、跳远时要落入沙坑中等现象。在实际应用中，有的需要作用时间短，得到很大的作用力而被人们所利用，有的需要延长作用时间（即缓冲）减少力的作用。请同学们再举些有关实际应用的例子。加强对周围事物的观察能力，勤于思考，一定会有收获接着再解释缓冲装置在实际应用中，有的需要作用时间短，得到很大的作用力，而被人们所利用；有的要延长作用时间而减少力的作用，请同学们再举出一些有关实际应用的例子，加强对周围事物的观察，勤于思考，一定会