高中物理实验：验证动量守恒定律教案设计

这是一份高中物理实验：验证动量守恒定律教案设计，共5页。
实验：验证动量守恒定律
教学目标
1．物理观念：学生通过实验理解动量守恒定律的内涵，认识到动量守恒是自然界中普遍存在的基本规律之一，形成对物体相互作用过程中动量变化的科学观念。
2．科学思维：培养学生对实验数据进行分析、推理和归纳演绎获得结论并作出解释，引导学生在实验过程中思考动量守恒的条件和适用范围，发展学生的科学思维能力。
3．科学探究：
（1）学生能够熟练掌握气垫导轨和传感器的操作方法，学会测量滑块或小球的质量、速度等物理量，通过实验探究验证动量守恒定律，提高学生的实验探究能力；
（2）能合理地选择实验器材，在报告中能呈现设计的实验表格、数据分析过程及实验结论，能交流实验过程和结果并能进行反思，分析误差来源，提升批判性思维与逻辑推理能力；
（3）学生通过对台球二维斜碰的拓展学习，认识到动量守恒是自然界普遍规律；通过追踪软件Tracker获得x-t图以及Pythn编程绘图分析实验数据，体会AI在数据处理中的直观、便捷、准确的优点。
4．科学态度与责任：
（1）能认识科学探索中的实验研究的重要性，实验观测数据可以为理论提供验证和支撑，使得物理学理论能够不断完善和发展。
（2）激发学生对物理实验的兴趣，培养学生严谨的科学态度和团队协作精神，在实验过程中注重数据的真实性和可靠性，能做到实事求是，增强学生科学探究的责任感。
（3）学生通过动量守恒在体育运动、交通安全、航空航天及天宫课堂中的应用，使学生体会到物理来源于生活，服务于生活，同时增强学生的民族自豪感和使命感。
教学重点：
通过实验方案验证动量守恒规律的实验方法与注意事项。
教学难点：
（1）设计实验方案，准确实验条件的控制，尤其是“系统合外力为零”的近似实现。
（2）各物理量的测量、实验数据分析，多因素误差（摩擦、空气阻力）的识别与分析。
教学过程
创设情景，引入新课
回顾动量守恒的内容、表达式和条件。实验观测数据可以为理论提供验证和支撑，使得物理学理论能够不断完善和发展，引出本节课的内容——实验：验证动量守恒定律。
播放冰壶比赛视频，提问两次冰壶碰撞有何区别？
设计意图：激发学生学习兴趣，提供动量守恒的感性材料，让学生知道碰撞前后速度可在一条直线上，也可不在一条直线上，从而引出碰撞的分类：正碰和斜碰。
在实验室中，我们为了实验验证的方便，用哪个情景来验证动量守恒定律会更加简单？
设计意图：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，为了减少数据采集和分析困难，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）。碰撞过程中系统动量近似守恒。
小组讨论，设计实验
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？
设计意图：知道要测量两物体的质量和各自碰撞前后的速度。
如何测两个物体的质量？天平
如何测量物体碰撞前后的速度？
设计意图：知道测速有如下多种方法：①利用打点计时器测速；②利用光电门测速（气垫导轨）；③利用平抛运动测速；④利用机械能守恒定律测速（单摆）；⑤利用频闪照相法测速等。其中，频闪照相法为理解实验拓展中验证台球斜碰的动量守恒实验方案打下基础。
请你利用所选测速方法，思考如何设计实验？
设计意图：培养学生自行设计实验的思维和能力，落实物理学科核心素养观念。
进行实验，得出结论
实验目的：验证系统动量守恒。
实验方案一：验证气垫导轨上碰撞前后两滑块动量守恒
实验器材
注意事项
①滑块A碰撞滑块B时，系统受哪些力，哪些力属于外力？
②为了让动量守恒定律在实验中成立，我们应该创设怎样的条件？
③为了创设该条件，应如何调节？
实验步骤
①测量两滑块的质量m1、m2，填入学习任务单的表格中。
②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。
③轻推滑块，分别记录两滑块碰前和碰后经过两光电门的速度v1、v2、v1'、v2'，填在表格中。
④改变质量，重复实验。实验结束关闭气泵，整理实验仪器。
⑤计算滑块碰撞前后的速度和系统碰撞前后的总动量。
⑥分析实验数据，得出结论。
⑦分析实验误差和实验方案还可以改进的地方。
实验数据记录
碰撞
情景
质量m（kg）
速度（m/s）
A和B的系统总动量p=mv（kg·m/s）
次数
滑块A
滑块B
A碰前 v1
B碰前v2
A碰后v1’
B碰后v2'
碰撞前
碰撞后
相对差值
1
2
3
4
5
实验结论
在实验误差允许范围内，系统碰撞前后的总动量不变。
实验方案二：利用朗威DISLab验证在碰撞过程中任意两个时刻系统的总动量守恒。
实验器材
不同碰撞情景的实验结果
情景一：运动小车碰撞静止小车，碰后粘在一起向前运动
情景二：运动小车碰撞静止小车，碰后相互弹开
情景三：两静止小车，相互排斥而相互弹开
实验结论
在误差允许的范围内，系统在碰撞过程中的任意两个时刻总动量不变。
实验拓展：斜碰中的动量守恒——以台球为例
（1）斜碰中动量是否守恒？如何验证两质量相同的台球碰撞前后系统动量是否守恒？
设计意图：系统速度不共线时，计算两物体碰撞前后速度之和用到平行四边形法则。启发学生思考如何采集速度的大小和方向，一起探讨验证二维碰撞的实验方案。
（2）教师介绍验证二维碰撞动量守恒的实验方案，学生参与并处理数据。用Tracker轨迹追踪获得小球不同时刻的坐标，再借助Pythn编程语言处理数据得到碰撞前后的速度，并用计算机用平行四边形原理绘制碰撞前后的系统速度之和，结合两小球质量相等，得到结论。
（4）实验结果
（5）实验结论：在误差允许的范围内，系统在斜碰过程中的总动量也守恒。
更多的研究表明，无论是一维直线上滑块间发生相互作用，还是二维平面上桌球间发生相互作用，我们都能找到两个物体相互作用前后动量的矢量和基本保持不变的现象。
也就是物体是否在一维方向运动，并不是动量的矢量和是否不变的决定因素。不管一维还是二维运动，只要系统合外力为零，系统动量就守恒。
拓展：若击球点不在中心，小球会旋转，查阅资料看小球旋转之后动量是否还守恒？
知识小结，学以致用
（1）小结：本节课用两个实验方案验证了无论是一维还是二维碰撞，系统碰撞前后动量守恒，证实了动量守恒定律的普适性。此外，害通过传感器方案，验证了系统碰撞过程中任意两个时刻的动量守恒。
（2）做2024山东高考真题，体会实验思想。
（3）课后思考如下两个问题：
①如何用开始提到的其他测速方案来验证动量守恒？应注意哪些事项？
②在两个物体碰撞的过程中，动量是守恒的，那么机械能是否也守恒呢？用本节课数据进行计算。