動量定理教學設計

廣東省2010年普通高中物理課堂教學設計參評課例動量和動量定理人教版教材 3-5模塊 第十六章第二節(jié)作者姓名：王琳工作單位：珠海市第一中學聯(lián)系電話： 郵 箱：【課題】動量和動量定理（1課時）【教學內(nèi)容分析】1. 課程標準對本節(jié)的要求：理解動量和沖量的概念，理解動量定理及其表達式，會正確計算出做一維運動的物體的動量變化，能夠利用動量定理解釋有關現(xiàn)象和解決實際問題。2. 教材的地位和作用：動量守恒定律這一章講述動量的概念，以及動量定理和動量守恒定律及應用。這一章是牛頓力學的進一步展開，通過動量守恒定律為解決力學問題開辟了新的途徑，是力學部分的重點章節(jié)。第一節(jié)探究了碰撞中的不變量，為講述動量和動量定理作鋪墊，而動量守恒定律又是由動量定理推導出來的，所以動量和動量定理一節(jié)在本章中起到承上啟下的至關重要的地位。3教材的編寫思路：全章內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，脈絡清晰，結構嚴謹。本節(jié)內(nèi)容是上一節(jié)“探究碰撞中的不變量”的內(nèi)容的繼續(xù)，通過演示實驗和定量的公式推導，得出合外力的沖量與物體的動量變化之間的關系，雖然動量定理是在恒力作用的情況下推導得到的，但應使學生明白，動量定理也適用于變力，動量定理公式中的F應理解為變力在作用時間內(nèi)的平均值。正是因為如此，動量定理在實際中有廣泛的應用，尤其是在解決作用時間短、作用力大而且隨時間變化的打擊、碰撞等問題時，動量定理要比牛頓運動定律方便得多。 3. 教材的特點：本章動量概念引入方式的改變以及動量定理的導出，目的是引導學生嘗試用動量的概念表示牛頓第二定律，從而明確動量定理的物理實質與牛頓第二定律是相同的。這樣處理有助于對動量概念以及描述力與運動的關系問題有更深入的理解。5教材處理：首先從科學上的角度展示幾代科學家在追尋“不變量”的努力中，逐漸形成“動量”概念的歷史過程；其次在理解動量時明確動量p=mv中的v是指物體的瞬時速度，從而說明動量是狀態(tài)量，是矢量；第三要明確動量變化的意義，即是兩個矢量的差。動量定理的研究對象是單個物體(或系統(tǒng))，應用定理解題時需對研究對象進行受力分析，以確定其在研究過程中各個力的沖量值，要區(qū)分初、末狀態(tài)的動量值。對于動量定理必須明確以下幾點：1、理論推導要強調“合外力”、“恒力”。推導過程的主要步驟要有板書。對變力的問題，我們同樣可以應用動量定理，這個說明是很重要的，因為應用動量定理時，大量情況下物體受的合外力是變力。2、動量定理I=P是一個矢量式，應用時一定要注意各個矢量的方向關系。在一維的情況下，要規(guī)定一個正方向，再根據(jù)各已知量的方向確定它們的正負，代入公式運算。3、動量定理和牛頓第二定律的關系。它們從不同側面反映的力和運動的關系。牛頓第二定律反映的是力與運動的瞬時關系；動量定理反映的是力的時間積累與動量變化的關系。 【教學對象分析】1.學生的興趣：高中的學生具有好奇、好動、好強的心理特點。教學中要注意培養(yǎng)學生對物理的興趣，充分發(fā)揮演示實驗與學生實驗的作用，調動學生學習的積極性和主動性。2.學生的知識基礎：學生在學習這一章時，對矢量的概念和牛頓第二定律的應用已經(jīng)比較熟練，在之前的能量守恒的學習中對“守恒”的觀點也已經(jīng)有了初步的認識。3.學生的認識特點：要真正理解沖量的效果是使物體獲得動量，必須要經(jīng)過感性認識到理性認識的過程，教學的起始要求不能太高，要循序漸進，從生活中眾多實例出發(fā)，通過分析、感受真正體驗動量和動量定理的內(nèi)涵?！窘虒W目標】1. 知識與技能1） 理解動量和動量的變化及其矢量性，會正確計算做一維運動的物體的動量變化2）從牛頓運動定律和運動學公式推導出動量定理的表達式，理解動量定理的確切含義和表達式，知道動量定理適用于變力；3）會用動量定理解釋現(xiàn)象和處理有關的問題。2.過程與方法1）通過實驗和理論分析，探究動量定理；2）通過師生互動與多媒體輔助教學，引導學生思考，會用動量定理解釋處理有關問題。2. 情感態(tài)度與價值觀1）通過對動量和動量定理的學習，體驗科學、技術、社會的緊密聯(lián)系；2）通過用動量定理解釋現(xiàn)象和處理有關的問題，培養(yǎng)學生的推理能力、用辯證的觀點分析問題和理論聯(lián)系實際、用理論分析實際問題的能力。【教學重點】1、 動量和動量變化及其矢量性的理解；2、 動量定理的推導；2、利用動量定理解釋有關現(xiàn)象，并能掌握一維情況下的計算問題。【教學難點】 理解動量定理的確切含義和表達式，動量、沖量的方向問題，是使用動量定理的難點。如何正確理解合外力的沖量等于物體動量的變化；如何正確應用動量定理分析打擊和沖撞一類短時間作用的力學問題。【教學策略設計】1、變演示實驗為課前學生自主探究實驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。 課堂演示實驗一般以教師為主體，學生僅僅是旁觀者，沒有直接參與，不利于其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。以“雞蛋落地不破”的探索性實驗，讓學生在課前設計各種不同的方法舉行“雞蛋落地不破，看誰舉得高”設計比賽，在課堂上演示，讓學生充分的動腦、動手、動口，發(fā)揮學生的主體作用，從而有利于學生創(chuàng)造性思維的激發(fā)。2、通過對例題的分析和講解，得到動量定理解題的方法和步驟。3、從學生的生活實際出發(fā)，感受和體驗動量定理在生活實際中的應用。充分體現(xiàn)新課程標準中提出的“從生活走向物理，從物理走向社會”要求。讓學生自己開口說出實驗現(xiàn)象，培養(yǎng)學生的表達能力。讓學生對實際物理現(xiàn)象進行分析，培養(yǎng)學生的理論分析能力?！窘虒W用具】雞蛋、沙、細線、橡皮筋、小鐵球、鐵架臺、壘球等【教學流程圖】創(chuàng)設情境，激趣引入觀察實驗，形象感知建立模型，得到定理知識應用 拓展提高投擲小球，理解動量和動量變化的概念學生分組演示他們設計的實驗引出問題：雞蛋摔不破的條件用牛頓運動定律分析建立的物理模型得到動量定理給出動量定理使用的注意事項分析分組實驗例題求解與分析課后思考和拓展【教學過程設計】教學環(huán)節(jié)和教學內(nèi)容教師活動學生活動設計意圖創(chuàng)設情境，激趣引入復習上節(jié)內(nèi)容明確動量概念是在前面科學探究的基礎上提出的，同時從科學史的角度，展示幾代科學家在追尋“不變量”的努力中逐漸形成“動量”概念的歷史過程。提出問題：運動物體與另一個物體發(fā)生作用時，作用的效果是由速度決定，還是由質量決定，還是由質量和速度共同決定？探究一：（生活實例探究）以同樣速度運動著的鉛球和皮球撞在木制圍欄上時，鉛球造成的損壞比較嚴重，這是因為鉛球的質量M比較大。由此可見，運動物體的作用效果與其質量有關。由步槍里發(fā)射出的子彈比用手拋出的子彈穿透作用要強得多，這是因為由步槍里發(fā)射出的子彈的速度V比較大。由此可見，運動物體的作用效果與其速度有關。歸納總結：在物理學中，物體的質量是m 和速度v的乘積mv叫做動量。板書：一、動量1、定義式：p=mv（v是瞬時速度）2、單位：kg.m/s3、方向：矢量，和v同向。4、動量變化P =Pt - Po = mvt - mvo 例題1一個質量是0.1kg的鋼球，以6m/s的速度在光滑水平面向右運動，碰到一個堅硬的障礙物后被彈回，沿著同一直線以6m/s的速度水平向左運動，（如圖所示）求：1、碰撞前后鋼球的動量是否相同？2、碰撞前后鋼球的動量變化？解：1、定碰撞前速度方向為正方向碰撞前 Po=mVo=0.1x6(kg.m/s)=0.6kg.m/s碰撞后Pt=mVt=0.1x(-6)(kg.m/s)= -0.6kg.m/sPo不等于Pt2、P=Pt-Po=-0.6-0.6(kg.m/s)= -1.2kg.m/s負號表示P與Vo反向師：首先，我們來做一個游戲。我這兒有一個棒棒糖（或乒乓球），扔出去，看誰能接到（取出一只鉛球）：我還有一只鉛球，一樣快慢地扔出去，看誰能接到不敢接的理由？ 你能舉出類似的例子嗎？思考分析興奮思考足球，就能去頂（頭球攻門）；鉛球，則不能。速度小，就能去接。速度大，就不能。學生歸納總結：運動物體與另一物體發(fā)生作用時，作用的效果有運動物體的質量和速度共同決定。思考分析回答學生總結解題注意要點：計算同一直線上動量變化，首先要選正方向，將矢量運算轉化為代數(shù)運算，文字說明P方向。用貼近時事和生活的例子引入課題，提出要解決的問題，激發(fā)學生學習興趣?！居^察實驗，形象感知】課前準備一個質量為60g的雞蛋，從高處落到水泥地面上后完整無損，要求高度越高越好。請你設計可行的方案，并能演示。其理論依據(jù)是什么？能否根據(jù)你所學過的知識加以論證呢？課前學生小組討論并提出方案：方案一：在地上放一層厚的海棉方案二：用棉布把雞蛋包住方案三：做一個小降落傘帶著雞蛋往下放方案四：在地上放沙（或一盆水）方案五：把雞蛋煮熟，然后師：我們請?zhí)岢龇桨傅耐瑢W上講臺把實驗做給同學們看一看。師：同學們能不能講一講這樣做的理由嗎？請討論一下。學生上講臺站在凳上做這個實驗：讓雞蛋從某一高度（3m處）自由下落在沙地上。生：（自由討論得出）減少地面對雞蛋的作用力、緩沖了一下啟發(fā)學生思維，讓學生大膽說出自己的想法。從而了解學生的前概念，并根據(jù)學生的前概念，調整和改進教學設計。 【建立模型，得到定理】下面以一個物體在恒定的合外力作用下進行動量定理的理論推導. 推導的依據(jù)：牛頓第二定律和運動學的有關公式.如上圖板書：設一質量為m的物體，初速度為V，在恒力F作用下在時間t內(nèi)，速度變化到V。由于物體作勻加速運動，則有a（VV）/t再根據(jù)牛頓第二定律，有Fma可得F（mVmV）/tFtmVmV式子左側是物體受到所有外力合力的沖量，用I表示。mV和mV是沖量作用前、作用后的動量。分別用P和P表示。PP是物體動量的改變，又叫動量的增量。等式的物理意義是：物體動量的改變等于物體所受外力沖量的總和。這就是動量定理。板書：IPP即物體所受合外力的沖量等于物體動量的變化，這個結論叫做動量定理。Fpp或Fvv對于動量定理及其表達式應注意的幾點： 動量定理中的Ft指的是合外力的沖量（不是某一個力的沖量）公式中p指的是動量的變化，不能理解為動量，它的方向與動量方向可以相同，也可以相反，甚至可以和動量方向成任意角度，但p一定跟合外力沖量I合方向相同；動量定理描述的是一個過程，它表明物體所受合外力的沖量是物體動量變化的原因，物體動量的變化是由它受到的外力經(jīng)過一段時間積累的結果。動量定理Ft=pp是一個矢量式，運算應遵循平行四邊形定則。若公式中各量均在一條直線上，可規(guī)定某一方向為正，根據(jù)已知各量的方向確定它們的正負，從而把矢量運算簡化為代數(shù)運算。動量定理既適用于恒力，也適用于變力對于變力的情況，動量定理中的F應理解為變力在作用時間內(nèi)的平均值。F=,即物體所受的合外力等于物體動量的變化率。物體動量變化的快慢決定于物體所受的合外力，合外力大的物體，動量變化的快；合外力小的物體，動量變化的慢。師：能不能從理論上加以論證呢？提示、總結抽象出模型師：由上式可知在從同高度落下的情況下，（mVmV）是一個定值，要使F減少，只要增加力的作用時間。所以上述所有的方案中是為了增加作用時間t或是減少落地速度。師：合外力的沖量應如何求解？師（總結）：如果作用在被研究對象上的各個外力的作用時間不同，就只能先求每個外力在相應時間內(nèi)的沖量，然后再求出所受外力沖量的矢量和。思考回答推導恍然大悟十分興奮理解記憶生：在所研究的物理現(xiàn)象中，如果作用在物體上的各個外力的作用時間相同，求合外力的沖量可先求所有力的合外力，再乘以時間，也可以求出各個力的沖量再按矢量運算法則求所有力的合沖量。由淺入深，層層遞進，引導學生動腦思考，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力和口頭表達能力通過老師的引導，使學生在觀察的過程中思維得到啟發(fā)?！局R應用 拓展提高】一、 分析分組實驗：雞蛋從某一高度下落，分別與石頭和沙接觸前的速度是相同的，也即初動量相同，碰撞后速度均變?yōu)榱?，即末動量均為零，因而在相互作用過程中雞蛋的動量變化量相同（必須強調）。而兩種情況下的相互作用時間不同，與石頭碰時作用時間短，與沙相碰時作用時間較長，由Ft=p知，雞蛋與石頭相碰時作用大，會被打破，與沙相碰時作用力較小，因而不會被打破?？偨Y：用動量定理解釋現(xiàn)象可分為下列三種情況：1、p一定，t短則F大，t長則F?。?2、F一定，t短則p小，t長則p大；3、t一定，F(xiàn)大則p大，F(xiàn)小則p小。做一做，課本上的緩沖裝置摸擬的實驗，用一條細線懸掛一個重物，把重物拿到懸掛點附近，釋放，重物可以把細線拉斷。如果在細線上端栓一段橡皮筋，再重復試驗，細線不斷，請兩個同學到講臺上操作，討論：在動量變化量p一定的情況下，F(xiàn)和t之間有什么關系？二、例題求解及分析一個質量為0.18kg的壘球，以25 m/s水平速度飛向球棒，被球棒打擊后反向水平飛回，速度的大小為45 m/s，設球棒與壘球的作用時間為0.01 s，求球棒對壘球的平均作用力有多大？出示分析思考題你準備選哪個物體作為研究對象？在題述過程中研究對象受到哪些力的作用？合力的作用時間多長？物體初動量和末動量各是多大？選定哪個方向為正方向？本題中的力是恒力還是變力？能用動量定理求解嗎？三、用動量定理解釋現(xiàn)象跳遠時跳落在沙坑里釘釘子用鐵錘，而不用橡皮錘輪船碼頭上裝有橡皮輪胎打籃球接球時有緩沖動作總結解釋用鐵錘釘釘子、跳遠時要落入沙坑中等現(xiàn)象.在實際應用中，有的需要作用時間短，得到很大的作用力而被人們所利用，有的需要延長作用時間(即緩沖)減少力的作用。師：我們再來分析同學們設計的方案。師：據(jù)上述關系，我們得到：在p一定時，要增大力F，可縮短作用時間；要減小力F，可以使力的作用時間延長。師：學習了動量定理后，對上面同學的實驗方案就能理解，并希望能自覺地運用。下面請每一個同學自己再舉些有關實際應用的例子，來感受一下動量定理的應用。互相討論，交流想法領悟回答生：在相互作用過程中雞蛋的動量變化量相同，與石頭碰時作用時間短，與沙相碰時作用時間較長，雞蛋與石頭相碰時作用大，會被打破，與沙相碰時作用力較小，不會被打破。學生總結運用動量定理解題的步驟：確定研究對象；對研究對象進行受力分析，確定全部外力及作用時間；先選定正方向，對物體進行狀態(tài)分析，寫出初、末狀態(tài)的動量，并求出研究過程中的動量的變化量。應用動量定理列式求解學生舉例：蹦極、在搬運易碎物品時，在箱子里放一些碎紙、泡沫、緩沖裝置等。引導思考的方向：通過老師一步步的引導，提高學生的邏輯推理能力；并將規(guī)律教學導入應用階段，培養(yǎng)學生學以致用的能力，讓學生感受到物理的科學性和實用性。通過分組討論，培養(yǎng)學生的交流合作能力，提高學生的口頭表達能力。【課后思考】思考題目：有一種雜技表演，一個人躺在地上，上面壓一個質量較大的石板。另一個人手持大錘狠狠地打到石板上。問躺著的人是否會有危險？為什么？閱讀材料：飛機為何“怕”小鳥？1996年9月22日，美國空軍一架E3A預警機以230海里小時的速度滑跑，在抬起前輪的一剎那，撞上了30多只加拿大鵝。瞬間兩臺發(fā)動機火光沖天。飛機墜毀在機場附近的洼地里。24名空勤人員全部遇難。1988年埃塞俄比亞的一架波音737飛機在起飛爬升到3800米時，遭遇鳥擊，結果造成機上85人死亡，21人受傷。據(jù)有關資料顯示，世界上第一起造成人員死亡的鳥撞飛機事件發(fā)生在1912年，地點在美國。到1974年，世界范圍內(nèi)公開報道的因鳥擊而墜毀的軍用飛機65架、民用飛機9架，共死亡130人。20多年來，世界各國鳥擊事件大幅度增加。有專家估算，世界上每年因機鳥相撞付出的代價高達100多億美元！ 練習題：一架飛機在空中以300m/S的速度勻速飛行，一只質量為1Kg的小鳥以10m/S的速度相向飛來，此時鳥相對于飛機的動量為310Kgm/s。機鳥相撞后這些動量完全轉化成小鳥對飛機的沖量。相撞時間為310-3秒。那么機鳥相撞而作用于飛機上的沖擊力為多少？（取三位有效數(shù)字）老師總結：由于鐵錘打擊石板的時間極短，鐵錘對石板的沖量極小、石板的動量幾乎不變，躺著的人不會受到傷害。好奇思考培養(yǎng)學生學以致用的能力，增長學生的見聞，豐富課堂，進步突出重點。激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生收集信息、處理信息的能力和獨立解決問題的能力。【板書設計】一、動量1、定義式：p=mv（v是瞬時速度）2、單位：kg.m/s3、方向：矢量，和v同向。4、動量變化P =Pt - Po = mvt - mvo二、 沖量1、定義式：I=F t 2、單位：N s3、方向：矢量與力的方向相同 三、 動量定理：1、 推導：一質量為m的物體初速度為V在恒力F作用下在時間t內(nèi)，速度變化到V。由于物體作勻加速運動，有a（VV）/t根據(jù)牛頓第二定律，有Fma可得F（mVmV）/t2、公式：FtmVmV I = P- P 【學案設計】1. 學習課題：動量和動量定理2. 課前實驗：一個質量為60g的雞蛋，從高處落到水泥地面上后完整無損，要求高度越高越好。請你和你所在的小組設計可行的方案，并能演示。3. 學習目標：知識點一 動量1） 定義： 2） 公式： ；動量是 量；動量的方向 。知識點二 動量定理1） 沖量表達式： 2） 理論推導： 3）內(nèi)容：物體在一個過程始末的 等于它在這個過程中所受的力的 。4）動量定理公式： 。4例題分析例題1：一個質量是0.1kg的鋼球，以6m/s的速度在光滑水平面向右運動，碰到一個堅硬的障礙物后被彈回，沿著同一直線以6m/s的速度水平向左運動，（如圖所示）求：1）碰撞前后鋼球的動量是否相同？2）碰撞前后鋼球的動量變化？例題2：一個質量為0.18kg的壘球，以25 m/s的水平速度飛向球棒，被球棒打擊后，反向水平飛回，速度的大小為45 m/s，設球棒與壘球的作用時間為0.01 s，求球棒對壘球的平均作用力有多大？5. 達標測評 1、A、B兩個物體都靜止在光滑水平面上，當分別受到大小相等的水平力作用，經(jīng)過相等時間，下列說法正確的是A、A、B所受的沖量相同B、A、B的動量變化相同C、A、B的末動量相同D、A、B的末動量大小相同2、質量為m的物體以速度v0做平拋運動，經(jīng)過時間t，下落的高度為h，速度大小為v，在這段時間內(nèi)，該物體動量變化量大小為 A、mv-mv0 B、mgt C、3、關于沖量、動量、動量的變化的下列說法中正確的是 A、物體的動量等于物體所受的沖量 B、物體所受外力的沖量大小等于物體動量的變化大小 C、物體所受外力的沖量方向與物體動量的變化方向相同 D、物體的動量變化方向與物體的動量方向相同 4、某物體受到一個-6Ns的沖量作用，則 A、物體的動量一定減小 B、物體的末動量一定是負值 C、物體動量增量的方向一定與規(guī)定的正方向相反 D、物體原來動量的方向一定與這個沖量的方向相反 5、水平飛行的子彈m穿過光滑水平面上原來靜止的木塊M，子彈在穿過木塊的過程中 A 、m和M所受的沖量相同 B、子彈與木塊相互作用力做功的數(shù)值相等 C、m速率的減少等于M速度的增加 D、m動量的減少等于M動量的增加 6、一質量為2kg的質點從靜止開始沿某一方向做勻加速直線運動，它的動量p隨位移變化的關系式為kgm/s，則此質點 A、加速度為8 m/s2 B、2s內(nèi)受到的沖量為32 Ns C、在相同的時間內(nèi)，動量的增量一定相等 D、通過相同的距離，動量的增量也可能相等 7、與勻變速運動的物體在某時間內(nèi)與動量變化量的方向相同的是 A這段時間內(nèi)的位移方向 B這段時間內(nèi)的平均速度方向 C這段時間內(nèi)速度變化量的方向 D物體運動的加速度方向 E物體所受合外力的方向 8、如圖所示，用0.5kg的鐵錘釘釘子，打擊時鐵錘的速度為4 m/s，打擊后鐵錘的速度為0，設打擊時間為0.01 s。(g取10m/s2)不計鐵錘的重量，鐵錘釘釘子的平均作用力是多大？考慮鐵錘的重量，鐵錘釘釘子的平均作用力又是多大？你分析一下，在計算鐵錘釘釘子的平均作用力時，在什么情況下可以不計鐵錘的重量？9、一個質量為1kg的物體，從20m的高處以速度v0=10m/s水平拋出，求：從拋出到落地前一瞬間物體動量的變化。物體拋出時受到的沖量（空氣阻力不計，g取10m/s2）10、從五層樓約20米的地方掉下一個重0.1千克的易拉罐，砸到人的頭上，若作用時間為0.01秒，則它對人的作用力多大？（強調：高空擲物的危害性）參考答案： 1、D2、B3、BC4、C5、D6、ABC7、CDE 8、.200N，方向豎直向下；205N，方向豎直向下；當作用時間t0.01s時，可不計重力9、20kgm/s 10Ns說明：通過以上2、8、9三題鞏固練習，要提醒學生注意：a.當作用時間t0.01s，可不計重力。b.當直接用Ft求沖量和用mvmv求動量變化困難時，可根據(jù)動量定理，通過求p達到求Ft的目的(如勻速圓周運動向心力的沖量)，同樣也可通過求Ft達到求p的目的（如平拋運動物體動量的變化量）。10、201N【教學反思】1、動量概念的掌握要注意矢量性運算的訓練，可以為動量守恒定律中碰撞前后動量的矢量和運算打好基礎。在教學中可以讓學生回憶速度的變化量。另外還要引導學生注意動量與動能的區(qū)別。2、本節(jié)課的重點是動量定理的物理意義。動量定理是由牛頓第二定律導出的，學生對于這個推導過程是沒有什么困難的。但是，有兩點學生不容易理解:第一，動量定理與牛頓第二定律的區(qū)別何在?第二，有了牛頓第二定律為什么還要動量定理？應該使學生明確，牛頓第二定律表示的是力的瞬時作用效果，而由它所導出的動量定理是力的持續(xù)作用的效果，在推導過程中出現(xiàn)的F和t“融為”一體，這就是沖量。恒力作用有沖量，變力作用也有沖量。只要物體受到的沖量相同，而無論力大還是力小，其動量變化就一定相同。這樣，即使在作用力比較復雜的情況下，牛頓第二定律難以應用時，動量定理卻完全可以應用。3、動量定理和現(xiàn)實生活