陜西省安康市石泉縣高中物理 第1章 碰撞與動(dòng)量守恒 1.1 探究動(dòng)量變化與沖量的關(guān)系教學(xué)設(shè)計(jì) 滬科版選修3-5.doc

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1.1 探究動(dòng)量變化與沖量的關(guān)系 課標(biāo)要求 知道動(dòng)量定理的適用條件和適用范圍； 三維目標(biāo) 一、知識(shí)目標(biāo) 1. 理解動(dòng)量的概念，知道動(dòng)量的定義，知道動(dòng)量是矢量；知道動(dòng)量的變化也是矢量，會(huì)正確計(jì)算一維的動(dòng)量變化 2、理解沖量的概念，知道沖量的定義，知道沖量是標(biāo)量。 3、知道動(dòng)量定理的適用條件和適用范圍； 二、能力目標(biāo) 1、會(huì)計(jì)算力的沖量和物體的動(dòng)量。 2、會(huì)計(jì)算一維情況下動(dòng)量的變化。 三、德育目標(biāo) 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維能力，建立正確的認(rèn)識(shí)論的方法論。 教材分析 本節(jié)內(nèi)容動(dòng)量定理是力學(xué)中的重要規(guī)律，它比牛頓運(yùn)動(dòng)定律具有更大的普遍性，牛頓運(yùn)動(dòng)定律不適用的領(lǐng)域，例如微觀粒子方面，動(dòng)量定理仍然適用。此外，在研究碰撞和反沖問題時(shí)，利用動(dòng)量定理要比運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律方便得多，不必詳細(xì)研究整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，只需要比較運(yùn)動(dòng)過程的初末狀態(tài)即可，給解決問題帶來了很大的方便。 學(xué)情分析 本節(jié)通過對(duì)“兩個(gè)概念，一個(gè)定理”的探究學(xué)習(xí)與簡單運(yùn)用，使學(xué)生初步掌握動(dòng)量與沖量的計(jì)算及其矢量性，會(huì)進(jìn)行一維動(dòng)量定理運(yùn)算并能解釋相關(guān)的簡單現(xiàn)象。為其更廣泛的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，體現(xiàn)學(xué)以致用的特點(diǎn)。同時(shí)，利用演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生體驗(yàn)活動(dòng)和多媒體教學(xué)等激發(fā)學(xué)生興趣，通過用所學(xué)知識(shí)解決有關(guān)問題的過程體會(huì)成就感?；钴S課堂氣氛，提高課堂教學(xué)效率。 教學(xué)重難點(diǎn) 教學(xué)重點(diǎn) 1、沖量和動(dòng)量的概念； 2、沖量和動(dòng)量的正確計(jì)算。 教學(xué)難點(diǎn) 1、對(duì)沖量和動(dòng)量概念的理解； 2、動(dòng)量變化的計(jì)算。 提煉的課題 動(dòng)量定理的理解 教學(xué)手段運(yùn)用 教學(xué)資源選擇 視頻、PPT、練習(xí)冊(cè)等 教 學(xué) 過 程 環(huán)節(jié) 學(xué)生要解決的問題或任務(wù) 教師教與學(xué)生學(xué) 教師個(gè)性化修改 一、導(dǎo)入新課 前面幾章我們主要應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律研究了物體的運(yùn)動(dòng)，但對(duì)于有些物體的運(yùn)用直接應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律就發(fā)生了困難。（請(qǐng)同學(xué)們觀看錄像片資料中的碰撞、爆炸、打擊、反沖等問題）同學(xué)們分析一下這幾類問題有什么共同特點(diǎn)？ 學(xué)生回答后教師小結(jié)：同學(xué)們回答得很好。這幾類問題中物體間作用時(shí)間都很短，作用力很大，而且作用力隨時(shí)間都在不斷地變化，并用變化規(guī)律很難確定。因些直接應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律就發(fā)生了困難。物理學(xué)家在研究這些問題時(shí)，引入了動(dòng)量的概念研究了與動(dòng)量有關(guān)的規(guī)律，確立了動(dòng)量守恒定律。就用有關(guān)動(dòng)量的知識(shí)，這些問題就容易解決了。這一節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)第一節(jié)—沖量和動(dòng)量。（出示課題） 二、新課教學(xué) （一）沖量 1、用多媒體出示下列問題： 一個(gè)靜止的質(zhì)量m=2kg的物體受到F=10N的水平恒力作用，問： 經(jīng)過時(shí)間t=4s物體的速度v變?yōu)槎啻螅浚╲=20m/s） 如果要使此物體的速度從靜止開始在t=1s的時(shí)間內(nèi)速度達(dá)到v , 則應(yīng)將作用力變?yōu)槎啻螅?F=40N) 學(xué)生給出答案后，詢問解題方法。 解：物體在力F的作用下得到的加速度為a=；經(jīng)時(shí)間t，據(jù)v=at=t。 3、拓展分析 把v=t。整理可得Ft=mv， 由此我們得到：對(duì)于一個(gè)原來靜止的物體（v0=0，m一定），要使它獲得一定的速度，你可采用哪些方法？ 學(xué)生答：a、可以用較大的力作用較短的時(shí)間；b、可以用較小的力作用較長的時(shí)間。 教師：對(duì)于一個(gè)原來靜止的物體，只要作用力F和作用時(shí)間t和乘積Ft相同，這個(gè)物體就獲得相同的速度。也就是說：對(duì)一定質(zhì)量的物體，力所產(chǎn)生的改變物體速度的效果，是由Ft這個(gè)物理量決定的，那么Ft這個(gè)物理量叫什么？它有什么特點(diǎn)呢？ 4、 沖量 （1）沖量的定義：力F和力的作用時(shí)間t的乘積Ft叫做力的沖量，通常用符號(hào)I表示沖量。 （2）定義式：I=Ft （3）單位：沖量的國際單位是牛秒（Ns） （4）沖量是矢量，它的方向是由力的方向決定的，如果力的方向在作用時(shí)間內(nèi)不變，沖量的方向就跟力的方向相同。如果力的方向在不斷變化，如繩子拉物體做圓周運(yùn)動(dòng)，則繩的拉力在時(shí)間t內(nèi)的沖量，就不能說是力的方向就是沖量的方向。對(duì)于方向不斷變化的力的沖量，其方向可以通過動(dòng)量變化的方向間接得出。學(xué)習(xí)過動(dòng)量定理后，自然也就會(huì)明白了。 5、沖量的計(jì)算：沖量是表示物體在力的作用下經(jīng)歷一段時(shí)間的累積的物理量，因此，力對(duì)物體有沖量作用必須具備力F和該力作用下的時(shí)間t兩個(gè)條件。換句話說：只要有力并有作用一段時(shí)間，那么該力對(duì)物體就有沖量作用，可見，沖量是個(gè)過程量。 6、鞏固訓(xùn)練：以初速度豎直向上拋出一物體，空氣阻力不可忽略。關(guān)于物體受到的沖量，以下說法正確的是（ BCD ） A、物體上升階段和下落階段受到的重力的沖量方向相反； B、物體上升階段和下落階段受到空氣阻力沖量的方向相反； C、物體在下落階段受到重力的沖量大于上升階段受到重力的沖量； D、物體從拋出到返回拋出點(diǎn)，所受各力沖量的總和方向向下。 學(xué)生思考后讓一位同學(xué)作答并說明各選項(xiàng)正誤的理由。 小結(jié)：沖量和力的作用過程有關(guān)，沖量是由力的作用過程確定的過程量。 接下來，再請(qǐng)同學(xué)們思考下列問題：（出示思考題） （思考1）足球場上一個(gè)足球迎頭飛過來，你的第一個(gè)反應(yīng)是什么？如果飛過來的是鉛球呢？為什么？ 學(xué)生回答后小結(jié)：運(yùn)動(dòng)物體的作用效果與物體的質(zhì)量有關(guān)。 （思考2）別人很慢地朝你投來一顆質(zhì)量為20g的子彈來你敢不敢用手去接？如果子彈從槍里面發(fā)出來呢？ 學(xué)生回答后小結(jié)：運(yùn)動(dòng)物體的作用效果還與物體的速度有關(guān)。 歸納：運(yùn)動(dòng)物體的作用效果，由物體的質(zhì)量和速度共同決定。 （二）動(dòng)量 1.定義：質(zhì)量m和速度v的乘積mv．動(dòng)量通常用字母P表示。 2.公式：p=mv 3.單位:千克?米/秒（kg?m/s)，1N?m=1kg?m/s2?m=1kg?m/s 4.動(dòng)量也是矢量：動(dòng)量的方向與速度方向相同。 4、知識(shí)鞏固訓(xùn)練二 1）、試證明沖量的單位Ns和動(dòng)量的單位kgm/s是相同的。 2）我們說物體的動(dòng)量在變化，包括幾種情況，舉例說明。 5、學(xué)生討論回答后，教師總結(jié)： 1）動(dòng)量和沖量的單位是相同的，即：1牛秒=1千克米/秒。 2）由于動(dòng)量是矢量，所以只要物體的速度大小和方向發(fā)生變化，動(dòng)量就一定發(fā)生變化。例如做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體其動(dòng)量是恒量，而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，由于速度方向不斷改變，即使其動(dòng)量大小不變，但因其方向不斷改變，所以其動(dòng)量是一變量。 過渡引言：如果一個(gè)物體的動(dòng)量發(fā)生了變化，那么它的動(dòng)量變化量如何求解？ （三）動(dòng)量的變化 1、教師介紹：所謂動(dòng)量變化就是在某過程中的末動(dòng)量與初動(dòng)量的矢量差。即△P=P’-P。 2、出示下列例題： 例1：一個(gè)質(zhì)量是0.2kg的鋼球，以2m/s的速度水平向右運(yùn)動(dòng)，碰到一塊豎硬的大理石后被彈回，沿著同一直線以2m/s的速度水平向左運(yùn)動(dòng)，碰撞前后鋼球的動(dòng)量有沒有變化？變化了多少？ 例2：一個(gè)質(zhì)量是0.2kg的鋼球，以2m/s的速度斜射到堅(jiān)硬的大理石板上，入射的角度是45，碰撞后被斜著彈出，彈出的角度也是45，速度大小仍為2m/s，用作圖法求出鋼球動(dòng)量變化大小和方向？ v′ v v v′ 45 45 3、思考下列問題： 1）動(dòng)量是矢量，其運(yùn)算遵循什么規(guī)律？ 2）上邊兩題中，有什么主要區(qū)別？ 4、學(xué)生討論后，寫出解題過程，并在實(shí)物投影儀上展示正確的解題過程。 例1：解：取水平向右的方向?yàn)檎较?，碰撞前鋼球的速度v=2m/s，碰撞前鋼球的動(dòng)量為P=mv=0.22kgm/s=0.4kgm/s。碰撞后鋼球的速度為v′=0.2m/s，碰撞后鋼球的動(dòng)量為 p′=m v′=-0.22kgm/s=-0.4kgm/s。 △p= p′-P=-0.4kgm/s-0.4kgm/s=-0.8kgm/s，且動(dòng)量變化的方向向左。 例2：解：碰撞前后鋼球不在同一直線運(yùn)動(dòng)，據(jù)平行四邊形定則，以p′和P為鄰邊做平行四邊形，則△p就等于對(duì)解線的長度，對(duì)角線的指向就表示的方向： ∴ 方向豎直向上。 教師總結(jié)： 動(dòng)量是矢量，求其變化量可以用平行四邊形定則：在一維情況下可首先規(guī)定一個(gè)正方向，這時(shí)求動(dòng)量的變化就可以簡化為代數(shù)運(yùn)算了。 （四）動(dòng)量定理 （1）內(nèi)容：物體所受合外力的沖量等于物體的動(dòng)量變化 （2）公式：Ft ＝ m－mv ＝－ 讓學(xué)生來分析此公式中各量的意義： 其中F是物體所受合外力，mv是初動(dòng)量，m是末動(dòng)量，t是物體從初動(dòng)量變化到末動(dòng)量所需時(shí)間，也是合外力F作用的時(shí)間。 （3）單位：F的單位是N，t的單位是s，p和的單位是kgm/s（kgms-1）。 （4）動(dòng)量定理不僅適用恒力作用，也適用變力作用的情況（此時(shí)的力應(yīng)為平均作用力） （5）動(dòng)量定理不僅適用于宏觀低速物體，對(duì)微觀現(xiàn)象和高速運(yùn)動(dòng)仍然適用． 前面我們通過理論推導(dǎo)得到了動(dòng)量定理的數(shù)學(xué)表達(dá)式，下面對(duì)動(dòng)量定理作進(jìn)一步的理解。 （6）動(dòng)量定理中的方向性 例2：質(zhì)量為m的小球在光滑水平面上以速度大小v向右運(yùn)動(dòng)與墻壁發(fā)生碰撞后以大小v/2反向彈回，與墻壁相互作用時(shí)間為t，求小球?qū)Ρ诘钠骄饔昧Α? 小結(jié)：公式Ft ＝ m－mv是矢量式，計(jì)算時(shí)應(yīng)先確定正方向。合外力的沖量的方向與物體動(dòng)量變化的方向相同。合外力沖量的方向可以跟初動(dòng)量方向相同，也可以相反。 例3：質(zhì)量為0.40kg的小球從高3.20m處自由下落，碰到地面后豎直向上彈起到1.80m高處，碰撞時(shí)間為0.040s，g取10m/s2,求碰撞過程中地面對(duì)球的平均沖力。 小結(jié)：式中的F必須是合外力，因此解題時(shí)一定要對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，避免少力的情況。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成分析多過程物理問題的一般方法，分階段法。 學(xué)生練習(xí)：有一個(gè)物體質(zhì)量為1kg，以10m/s的初速度水平拋出，問經(jīng)過2S時(shí)物體的動(dòng)量的變化量為多大？此時(shí)物體還沒落地。 小結(jié)：利用動(dòng)量定理不僅可以解決勻變速直線運(yùn)動(dòng)的問題，還可以解決曲線運(yùn)動(dòng)中的有關(guān)問題，將較難計(jì)算的問題轉(zhuǎn)化為較易計(jì)算的問題， 總結(jié)： 1、應(yīng)用動(dòng)量定理解題的基本步驟 2、應(yīng)用動(dòng)量定理解答時(shí)要注意幾個(gè)問題，一是矢量性，二是F表示合外力。同時(shí)動(dòng)量定理既適用恒力，也適用于變力；既適用直線運(yùn)動(dòng)，也適用于曲線運(yùn)動(dòng)， （五）動(dòng)量定理的應(yīng)用 演示實(shí)驗(yàn)：雞蛋落地 【演示】先讓一個(gè)雞蛋從一米多高的地方下落到細(xì)沙堆中，讓學(xué)生推測(cè)一下雞蛋的“命運(yùn)”，然后做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)并沒有象學(xué)生想象的那樣嚴(yán)重：發(fā)現(xiàn)雞蛋不會(huì)被打破；然后讓雞蛋從一米多高的地方下落到講臺(tái)上，讓學(xué)生推測(cè)一下雞蛋的“命運(yùn)”，然后做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果雞蛋被打破。請(qǐng)學(xué)生分析雞蛋的運(yùn)動(dòng)過程并說明雞蛋打破的原因。 雞蛋從某一高度下落，分別與硬板和細(xì)沙堆接觸前的速度是相同的，也即初動(dòng)量相同，碰撞后速度均變?yōu)榱?，即末?dòng)量均為零，因而在相互作用過程中雞蛋的動(dòng)量變化量相同。而兩種情況下的相互作用時(shí)間不同，與硬板碰時(shí)作用時(shí)間短，與細(xì)沙堆相碰時(shí)作用時(shí)間較長，由Ft=△p知，雞蛋與硬板相碰時(shí)作用力大，會(huì)被打破，與細(xì)沙堆相碰時(shí)作用力較小，因而不會(huì)被打破。 在實(shí)際應(yīng)用中，有的需要作用時(shí)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(shí)間(即緩沖)減少力的作用。請(qǐng)同學(xué)們?cè)倥e些有關(guān)實(shí)際應(yīng)用的例子。加強(qiáng)對(duì)周圍事物的觀察能力，勤于思考，一定會(huì)有收獲。 在實(shí)際應(yīng)用中，有的需要作用時(shí)間短，得到很大的作用力，而被人們所利用；有的要延長作用時(shí)間而減少力的作用，請(qǐng)同學(xué)們?cè)倥e出一些有關(guān)實(shí)際應(yīng)用的例子，并進(jìn)行分析。（用鐵錘釘釘子、跳遠(yuǎn)時(shí)要落入沙坑中等現(xiàn)象）。 （加強(qiáng)對(duì)周圍事物的觀察，勤于思考，一定會(huì)有收獲。） 用動(dòng)量定理解釋現(xiàn)象可分為下列三種情況： (l)△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。 例如以下現(xiàn)象并請(qǐng)學(xué)生分析。 l、一個(gè)人慢行和跑步時(shí)，不小心與迎面的一棵樹相撞，其感覺有什么不同?請(qǐng)解釋。 2、一輛滿載貨物的卡車和一輛小轎車在同樣的牽引力作用下都從靜止開始獲得相同的速度，哪輛車起動(dòng)更快?為什么? 3、人下扶梯時(shí)往往一級(jí)一級(jí)往下走，而不是直接往下跳躍七、八級(jí)，這是為什么? 三、小結(jié) 1、在物理學(xué)中，沖量是反映力的時(shí)間積累效果的物理量，力和力的作用時(shí)間的乘積叫做力的沖量，沖量是矢量。 2、物體的質(zhì)量和速度的乘積叫動(dòng)量，動(dòng)量是一個(gè)狀態(tài)量，動(dòng)量是矢量。動(dòng)量的運(yùn)動(dòng)服從矢量運(yùn)算規(guī)則—平行四邊形定則。如果物體的運(yùn)動(dòng)在同一條直線上，在選定一個(gè)正方向后，動(dòng)量的運(yùn)算就可以簡化為代數(shù)運(yùn)算。 3、關(guān)于動(dòng)量變化量的運(yùn)算，△p也是一處矢量，它的方向可以跟初動(dòng)量的方向相同，也可以跟初動(dòng)量的方向相反，也可能跟初動(dòng)量的方向成一角度。