1.1 基于STEM理念的高中物理实验教学探究-以“探究碰撞过程中的守恒量”为例 教学设计 -高二上学期物理教科版（2019）选择性必修第一册

1.1基于STEM理念的高中物理实验教学探究——以“探究碰撞过程中的守恒量”为例教学设计-高二上学期物理教科版（2019）选择性必修第一册学校授课教师课时授课班级授课地点教具设计思路本节课以“探究碰撞过程中的守恒量”为例，基于STEM理念，将物理知识与实际应用相结合。通过实验探究，让学生理解动量守恒定律和能量守恒定律，培养学生的科学探究能力和创新思维。教学设计紧密联系教材，注重实践操作，旨在提高学生物理实验技能和科学素养。核心素养目标分析本节课旨在培养学生以下核心素养：科学探究精神，通过实验设计、数据分析和结果解释，提升学生提出问题、解决问题和科学推理的能力；科学思维素养，引导学生理解动量守恒和能量守恒的科学原理，发展抽象思维和逻辑推理能力；科学态度与责任，强调实验严谨性和团队合作，培养学生对科学研究的尊重和责任感。学习者分析1.学生已经掌握了哪些相关知识：

学生已经学习了力学的基本概念，如力、运动、速度等，以及牛顿运动定律。在碰撞现象方面，学生可能对弹性碰撞和非弹性碰撞有一定的了解，但对碰撞过程中的动量守恒和能量守恒的定量分析还不够深入。

2.学生的学习兴趣、能力和学习风格：

学生对物理实验通常表现出较高的兴趣，喜欢通过实验验证理论知识。学生具备一定的实验操作能力，能够熟练使用实验器材。学习风格上，部分学生偏好直观操作和动手实验，而另一部分学生则更倾向于理论分析和数学推导。

3.学生可能遇到的困难和挑战：

学生在探究碰撞过程中的守恒量时，可能会遇到以下困难和挑战：一是理解动量守恒和能量守恒的数学表达和物理意义；二是如何设计实验来验证这些守恒量；三是如何处理实验误差和数据分析。此外，学生在团队合作中可能存在沟通不畅、分工不均等问题。教学方法与手段教学方法：

1.讲授法：通过系统讲解碰撞守恒定律的基本原理，为学生奠定理论基础。

2.讨论法：组织学生围绕实验设计和数据分析进行小组讨论，培养学生的合作探究能力。

3.实验法：引导学生亲自动手进行实验，通过实际操作体验物理规律。

教学手段：

1.多媒体展示：利用PPT展示实验原理、步骤和预期结果，直观辅助教学。

2.实验软件辅助：运用教学软件模拟实验过程，提高学生实验操作技能。

3.现场演示：教师现场演示实验操作，确保学生准确掌握实验技巧。教学过程一、导入新课

同学们，我们之前学习了牛顿的运动定律，了解了力与运动的关系。今天，我们将一起探究一个更深入的物理现象——碰撞过程中的守恒量。请大家回忆一下，碰撞有哪些类型？它们有什么特点？

二、新课讲授

1.碰撞类型与守恒定律

（老师）同学们，碰撞可以分为弹性碰撞和非弹性碰撞。在弹性碰撞中，系统的动量和机械能都守恒；而在非弹性碰撞中，机械能不守恒，但动量仍然守恒。

（学生）弹性碰撞和非弹性碰撞有什么区别？

（老师）弹性碰撞是指碰撞前后，系统的机械能不变；非弹性碰撞是指碰撞前后，系统的机械能减少。

2.动量守恒定律

（老师）接下来，我们来探讨动量守恒定律。首先，请同学们回顾一下动量的定义。动量是物体质量和速度的乘积，表示为P=mv。

（学生）动量是矢量，既有大小，又有方向。

（老师）很好，那么动量守恒定律是什么呢？请一位同学来复述一下。

（学生）当两个物体发生碰撞时，它们的总动量在碰撞前后保持不变。

（老师）非常好！现在，我们来通过一个实例来验证动量守恒定律。

3.能量守恒定律

（老师）除了动量守恒定律，我们还要探讨能量守恒定律。能量守恒定律是指在一个封闭系统中，能量不会凭空产生或消失，只会从一种形式转化为另一种形式。

（学生）能量守恒定律是自然界的一个基本规律。

（老师）是的，那么能量守恒定律在碰撞过程中是如何体现的呢？

（学生）在弹性碰撞中，机械能守恒；在非弹性碰撞中，机械能不守恒。

（老师）很好，同学们对能量守恒定律的理解很到位。

三、实验探究

1.实验准备

（老师）接下来，我们进行实验探究。首先，请同学们分组，每组准备以下实验器材：两个小球、平板、尺子、秒表、打点计时器等。

（学生）明白了，我们每组都要完成实验。

2.实验步骤

（老师）实验步骤如下：

（1）将两个小球放在平板的一端，让它们沿着平板运动。

（2）使用打点计时器记录小球在平板上的运动轨迹。

（3）分析小球在碰撞前后的动量和能量变化。

（4）根据实验数据，验证动量守恒定律和能量守恒定律。

3.实验讨论

（老师）请同学们分组讨论，分析实验结果，并得出结论。

（学生）我们小组已经讨论过了，实验结果显示，在弹性碰撞中，动量和机械能都守恒；在非弹性碰撞中，动量守恒，但机械能不守恒。

四、课堂小结

1.回顾今天所学内容

（老师）今天我们学习了碰撞过程中的守恒量，包括动量守恒定律和能量守恒定律。请同学们总结一下，这两种守恒定律在碰撞过程中是如何体现的？

（学生）在弹性碰撞中，动量和机械能都守恒；在非弹性碰撞中，动量守恒，但机械能不守恒。

2.强调重点

（老师）今天我们要重点掌握的是动量守恒定律和能量守恒定律在碰撞过程中的应用。请同学们课后复习相关内容，并尝试运用所学知识解决实际问题。

五、课后作业

1.请同学们完成以下练习题：

（1）两个质量分别为m1和m2的小球发生弹性碰撞，碰撞前速度分别为v1和v2，碰撞后速度分别为v1'和v2'。请根据动量守恒定律和能量守恒定律，求出碰撞后的速度v1'和v2'。

（2）一个质量为m的小球以速度v0沿水平方向运动，碰撞一个静止在光滑水平面上的质量为M的大球。请根据动量守恒定律和能量守恒定律，求出碰撞后小球和大球的速度。

2.请同学们结合所学知识，思考以下问题：

（1）在碰撞过程中，为什么动量守恒定律和能量守恒定律成立？

（2）在现实生活中，有哪些现象可以用动量守恒定律和能量守恒定律来解释？

六、板书设计

1.碰撞类型

-弹性碰撞

-非弹性碰撞

2.动量守恒定律

-碰撞前后，系统的总动量保持不变

3.能量守恒定律

-碰撞前后，系统的总机械能保持不变（弹性碰撞）

4.实验探究

-动量守恒

-能量守恒

5.课后作业

-练习题

-思考题学生学习效果学生学习效果主要体现在以下几个方面：

1.理解与掌握碰撞守恒定律：

2.提高实验操作能力：

学生在实验探究环节中，通过实际操作打点计时器、记录数据等，提高了实验操作的技能。他们学会了如何设计实验、如何处理实验数据，以及如何通过实验验证物理定律。

3.培养科学探究能力：

学生在探究碰撞过程中的守恒量时，需要提出假设、设计实验、分析数据、得出结论。这一过程培养了学生的科学探究能力，使他们学会了如何进行科学研究。

4.强化数学与物理的结合：

本节课的教学内容涉及到物理和数学的结合，学生通过解决实际问题，如计算动量和能量，提高了数学应用能力，并加深了对物理量的理解。

5.增强团队合作与沟通能力：

在小组讨论和实验探究中，学生需要与同伴合作，共同完成任务。这有助于培养学生的团队合作精神和沟通能力，他们学会了如何分工合作，如何表达自己的观点，并倾听他人的意见。

6.提升问题解决能力：

学生在面对实验中的误差和复杂问题时，需要运用所学知识进行分析和解决。这一过程提高了学生的问题解决能力，使他们能够在面对未知问题时，能够运用已有的知识框架进行思考和探索。

7.增强对物理学科的兴趣：

8.培养严谨的科学态度：

在实验过程中，学生需要遵守实验规程，严谨对待实验数据。这有助于培养学生的科学态度，使他们认识到科学研究的严谨性和客观性。板书设计①碰撞类型

-弹性碰撞：碰撞前后系统的机械能守恒

-非弹性碰撞：碰撞前后系统的机械能不守恒，但动量守恒

②动量守恒定律

-动量定义：动量P=mv（质量m乘以速度v）

-动量守恒条件：系统的总动量在碰撞前后保持不变

-动量守恒公式：m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'

③能量守恒定律

-机械能定义：动能与势能之和

-机械能守恒条件：在无外力做功的情况下，系统的总机械能在碰撞前后保持不变

-机械能守恒公式：E_k1+E_p1=E_k2+E_p2

④碰撞过程中的守恒量关系

-动量守恒：mv1+mv2=mv1'+mv2'

-机械能守恒：1/2m1v1^2+1/2m2v2^2=1/2m1v1'^2+1/2m2v2'^2

⑤实验探究步骤

-实验准备：准备实验器材，如打点计时器、平板、小球等

-实验操作：进行实验，记录碰撞前后的速度和位移数据

-数据分析：分析数据，验证动量和能量守恒定律

-结论得出：根据实验结果，得出碰撞过程中守恒量的结论课堂小结，当堂检测课堂小结：

今天我们学习了碰撞过程中的守恒量，重点探讨了动量守恒定律和能量守恒定律在弹性碰撞和非弹性碰撞中的应用。通过实验探究，同学们掌握了如何验证动量和能量的守恒，以及如何分析实验数据。以下是本节课的重点内容：

1.碰撞类型：弹性碰撞和非弹性碰撞的区别。

2.动量守恒定律：碰撞前后系统的总动量保持不变。

3.能量守恒定律：在弹性碰撞中，系统的总机械能保持不变；在非弹性碰撞中，系统的总机械能减少。

4.实验探究：通过实验验证动量和能量守恒定律。

当堂检测：

为了检测同学们对本节课内容的掌握情况，以下是一些测试题：

1.下列哪种碰撞属于弹性碰撞？

A.球与球碰撞后粘在一起

B.球与墙碰撞后反弹

C.球与桌面碰撞后弹起

D.球与空气碰撞后减速

2.在弹性碰撞中，下列哪个物理量保持不变？

A.动能

B.势能

C.动量

D.机械能

3.两个质量分别为m1和m2的小球发生弹性碰撞，碰撞前速度分别为v1和v2，碰撞后速度分别为v1'和v2'。根据动量守恒定律，下列哪个等式成立？

A.m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'

B.m1v1-m2v2=m1v1'-m2v2'

C.m1v1+m2v2=m1v1'-m2v2'

D.m1v1-m2v2=m1v1'+m2v2'

请同学们认真作答，并在课后复习相关知识，巩固所学内容。课后作业1.一质量为m的小球以速度v0沿水平方向运动，碰撞一个静止在光滑水平面上的质量为M的大球。求碰撞后小球和大球的速度。

解答：根据动量守恒定律，碰撞前后系统的总动量不变，即：

m*v0=m*v1+M*v2

由于大球初始静止，v2=0，因此：

m*v0=m*v1

解得：v1=v0

小球碰撞后速度不变，大球获得速度v2，根据动量守恒：

m*v0=M*v2

解得：v2=m*v0/M

2.两个质量分别为m1和m2的物体在光滑水平面上发生弹性碰撞，碰撞前速度分别为v1和v2，碰撞后速度分别为v1'和v2'。求碰撞后两物体的速度。

解答：根据动量守恒定律：

m1*v1+m2*v2=m1*v1'+m2*v2'

根据能量守恒定律：

1/2*m1*v1^2+1/2*m2*v2^2=1/2*m1*v1'^2+1/2*m2*v2'^2

解这两个方程组，得到：

v1'=(m1-m2)/(m1+m2)*v1+2*m2/(m1+m2)*v2

v2'=2*m1/(m1+m2)*v1-(m1-m2)/(m1+m2)*v2

3.一质量为m的小球以速度v0沿水平方向运动，碰撞一个静止在光滑水平面上的质量为M的大球。求碰撞后小球和大球的速度，假设碰撞是完全非弹性的。

解答：在完全非弹性碰撞中，两物体碰撞后粘在一起，共同运动。根据动量守恒定律：

m*v0=(m+M)*v

解得：v=m*v0/(m+M)

4.两个质量分别为m1和m2的物体在光滑水平面上发生弹性碰撞，碰撞前速度分别为v1和v2，且m1>m2。求碰撞后两物体的速度。

解答：根据动量守恒定律和能量守恒定律，解得：

v1'=(m1-m2)/(m1+m2)*v1+2