动量定理演示实验改进

摘   要：在动量定理的课堂教学中，由于传统的“鸡蛋下落”演示实验的两个鸡蛋受力面积不同，学生往往无法正确比较两个鸡蛋的受力大小，从而影响教学活动。利用常见器材设计了改进实验，避免了两个鸡蛋受力面积不同对学生思考实验现象的影响，在教学实践中反馈良好。

关键词：动量定理；物理教学；实验设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）2-0057-3

动量定理是高中物理的一条重要物理规律，是力与运动内容的重要组成部分，是高考物理的重要考点之一［1］。由于动量定理只涉及研究对象的始末状态，故对复杂的物理过程合理地运用动量定理，有时能有效地简化物理过程和优化解题思路。特别是对于不涉及物体加速度和物体位移的力与运动的问题，应用动量定理通常会更为简便。

根据人教版普通高中教科书物理选择性必修第一册（2019版），动量定理的表述为“物体在一个过程中所受力的冲量等于它在这个过程始末的动量变化量”，表达式为

I=p'-p（1）

或

FΔt=mv'-mv（2）

上式中I表示冲量，p和p'分别表示物体始末状态的动量，F表示过程中物体所受合外力，Δt表示力F的作用时间，m表示物体质量，v和v'分别表示物体始末状态的速度。从（1）和（2）式可得出结论：在某个过程中物体的动量变化量与物体所受合外力及合外力的作用时间有关。在传统的动量定理课堂教学中，通常会演示“鸡蛋下落”实验来向学生定性说明动量定理［2］。笔者在教学实践中发现该实验存在较大的不足，教学效果不甚理想，对该实验进行了一些改进。

1    传统实验——“鸡蛋下落”

1.1    “鸡蛋下落”实验在课堂教学中的作用

“鸡蛋下落”实验是动量定理课堂教学中的一个重要演示实验，在沪科版（2020）、沪教版（2019）、教科版（2019）、鲁科版（2019）等多版教材的动量定理内容中均有相关的实验设计或问题思考。该实验的具体设计如下：让两个形状相似、质量相近的生鸡蛋从同一高度同时静止下落，分别落在硬质容器（或桌面等）和海绵垫上（或毛巾等），结果落在硬质容器中的鸡蛋摔破了，而落在海绵垫上的鸡蛋完好无损［3］，具体如图 1所示。由于落在硬质容器中的鸡蛋破了，说明鸡蛋受力大，作用时间短；落在海绵垫上的鸡蛋没有破，说明鸡蛋受力小，作用时间长。

“鸡蛋下落”实验的直观性强、操作简单、耗时短，实验材料易于准备，紧扣教学内容，并且“生鸡蛋摔破”这一实验现象的趣味性强，容易引发学生思考，激发他们的学习兴趣。基于以上种种优点，“鸡蛋下落”实验在动量定理的课堂教学中深受一线教师的欢迎［4］，往往被设置在课堂导入环节进行演示。

1.2    “鸡蛋下落”实验在课堂导入环节的具体案例

常规教学片段：动量定理新课引入。

师：上节课我们已经学习了动量，动量是物体的质量和速度的乘积。例如，某个小球在自由落体运动过程中动量越来越大，或是小球向右水平运动碰到坚硬的墙壁后弹回，在这些过程中小球的动量都发生了变化，那么什么因素与小球的动量变化量有关呢？

生：力是改变物体运动状态的原因，小球所受合外力改变了小球的速度从而使小球的动量变化，所以物体所受合外力是影响物体动量的因素。

师：那么，物体动量的变化量只受合外力影响吗？还有没有其他因素与物体的动量变化量有关？

学生不确定，无法给出统一的答案。

教师演示“鸡蛋下落”实验，并引导学生分析碰撞前后的物理量变化，如表 1所示。

师：根据上面的分析，两个鸡蛋的受力情况不同，但是动量变化量相同，所以物体所受合外力不是决定动量变化量的唯一因素。那么，还有什么因素会影响物体的动量变化量呢？让我们进入今天的学习。

经过前面的演示实验引入课堂后，可根据牛顿第二定律推导出动量定理，使学生明白在某个过程中物体的动量变化量与物体所受合外力及合外力的作用时间有关，从而回答课堂引入环节教师所设的问题，加深学生的学习理解，具体教学流程在此不赘述。

1.3    传统“鸡蛋下落”演示实验的不足

笔者在经过多次教学实践后，发现传统的“鸡蛋下落”演示实验存在以下问题。该实验希望学生根据鸡蛋是否破碎的物理现象来比较两个鸡蛋在碰撞过程中的受力大小，得到两个鸡蛋的受力情况不同但是动量变化量相同的结论，进而说明物体所受合外力不是决定动量变化量的唯一因素，然后教师根据前面的推理引入合外力的作用时间和动量定理［5］。但是，在教学实践中笔者发现，许多学生会倾向于用压强与受力面积的关系来解释鸡蛋是否破损。

如图 2所示，对于落在硬质容器中并破碎的鸡蛋，学生会认为鸡蛋与容器底部的接触面积较小，即鸡蛋的受力面积较小，所以鸡蛋底部压强较大，从而使鸡蛋破碎；而由于海绵垫的凹陷，学生会认为落在海绵垫上的鸡蛋的受力面积较大，导致鸡蛋底部压强较小，所以鸡蛋没有破碎，如图 3所示。根据这种分析，学生无法比较两个鸡蛋的受力大小，也就无法达到课堂教学的预期目的，大大影响了教学效果，所以需要对“鸡蛋下落”演示实验进行改进，从而使学生的思路符合预期的教学目的。

2    “鸡蛋下落”演示实验的改进设计

根据上文对传统“鸡蛋下落”演示实验不足之处的分析，笔者选择了如图 4所示的两个器材代替传统实验中的硬质容器和海绵垫。一个是上宽下窄的锥形玻璃杯，一个是与玻璃杯形状一致的自制纸杯。改进实验操作与传统实验类似：让两个形状相似、质量相近的生鸡蛋从同一高度同时静止下落，分别落在玻璃杯和纸杯中，结果落在玻璃杯中的鸡蛋摔破了，而落在纸杯中的鸡蛋完好无损。

如图 5所示，由于两个鸡蛋与杯子的接触面积大小相近，所以学生在思考鸡蛋破碎原因时不会考虑压强与受力面积的关系，从而能正确判断两个鸡蛋的受力情况不同，破碎的鸡蛋受到的作用力大，没破碎的鸡蛋受到的作用力小，符合教学环节的预期目的，进而推动教学活动的正常进行。

笔者将此改进实验多次在动量定理课堂教学中演示，学生不再考虑两个鸡蛋在碰撞时受力面积不同而导致的压强差异，而是能正确地判断两个鸡蛋的受力大小不同，教学效果与教学反馈都优于传统“鸡蛋下落”实验。

3    结  语

基于动量定理教学中传统“鸡蛋下落”演示实验存在的不足，用一个上宽下窄的锥形玻璃杯和一个与玻璃杯形状一致的自制纸杯作为实验器材进行实验改进。改进实验中两个鸡蛋与两个杯子的接触面积相似，从而避免了两个鸡蛋受力面积不同对学生思考实验现象的影响，帮助学生正确地将鸡蛋是否破碎归因于鸡蛋的受力情况不同，从而有效推动教学活动的进行。并且该改进实验还保留了传统“鸡蛋下落”演示实验直观性强、趣味性强、操作简单、耗时短、实验材料易于准备、紧扣教学内容等特点，符合学生的学习认知规律，值得在课堂教学中普遍推广。

参考文献：

［1］林美娟，罗雯姝，冯卓宏.定量验证与探究变速圆周运动向心力的创新实验设计及应用［J］.物理教师，2023，44（7）：45-48.

［2］赖莉飞，王笑君.动量定理定量探究实验的设计［J］.物理实验，2003，23（8）：29-30.

［3］孙登全.以动量定理教学为例谈高中物理规律课教学策略［J］.中学物理教学参考，2019，48（12）：41-42.

［4］李佳.高中物理课堂提问教学研究——以动量定理教学片段为例［J］.数理化解题研究，2023（15）：80-82.

［5］王波，陈娴.体现科学本质的高中物理教学初探——以“动量和动量定理”为例［J］.物理教师，2020，41（3）：6-9.

（栏目编辑    刘   荣）

收稿日期：2023-11-08

作者简介：谢承峰（2001-），男，硕士研究生，主要从事物理教学研究。