人教版(新教材)高中物理选择性必修1教学设计1：1 1-1 2 动量 动量定理教案

人教版（新教材）高中物理选择性必修第一册PAGEPAGE11.1-1.2动量动量定理课题动量动量定理课型新课教学目标（一）知识与技能1．通过实验寻求碰撞中的不变量.2．理解动量定理的确切含义和表达式，知道动量定理适用于变力.3．会用动量定理解释有关物理现象，并能掌握一维情况下的计算问题.（二）过程与方法运用牛顿运动定律和运动学公式推导出动量定理表达式.（三）情感、态度与价值观通过运用所学知识推导新的规律，培养学生学习的兴趣.激发学生探索新知识的欲望.重点难点教学重点：理解动量定理的确切含义和表达式教学难点：会用动量定理解释有关物理现象，并能掌握一维情况下的计算问题教具准备细线、金属小球、铁架台等，投影片，多媒体辅助教学设备课时安排1教学过程与教学内容教学方法、教学手段与学法、学情（一）引入新课课件（投影片）演示：（1）台球由于两球碰撞而改变运动状态（不同号的台球运动状态不同）。（2）微观粒子之间由于相互碰撞而改变状态，甚至使得一种粒子转化为其他粒子．师：碰撞是日常生活、生产活动中常见的一种现象，两个物体发生碰撞后，速度都发生变化．例：两节火车车厢之间的挂钩靠碰撞连接。师：两个物体的质量比例不同时，它们的速度变化也不一样．师：物理学中研究运动过程中的守恒量具有特别重要的意义，本节通过实验探究碰撞过程中的什么物理量保持不变（守恒）．（二）进行新课1．实验探究的基本思路1.1一维碰撞师：我们只研究最简单的情况——两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿同一直线运动．这种碰撞叫做一维碰撞．课件：碰撞演示如图所示，A、B是悬挂起来的钢球，把小球A拉起使其悬线与竖直线夹一角度α，放开后A球运动到最低点与B球发生碰撞，碰后B球摆幅为β角．如两球的质量mA=mB，碰后A球静止，B球摆角β=α，这说明A、B两球碰后交换了速度；如果mA>mB，碰后A、B两球一起向右摆动；如果mA<mB，碰后A球反弹、B球向右摆动．师：以上现象可以说明什么问题？结论：以上现象说明A、B两球碰撞后，速度发生了变化，当A、B两球的质量关系发生变化时，速度变化的情况也不同．1.2追寻不变量师：在一维碰撞的情况下与物体运动有关的量只有物体的质量和物体的速度．设两个物体的质量分别为m1、m2，碰撞前它们速度分别为v1、v2，碰撞后的速度分别为v1′、v2′．规定某一速度方向为正．碰撞前后速度的变化和物体的质量m的关系，我们可以做如下猜测：（1）（2）（3）分析：①碰撞前后物体质量不变，但质量并不描述物体的运动状态，不是我们追寻的“不变量”．②必须在各种碰撞的情况下都不改变的量，才是我们追寻的不变量．2．实验条件的保证、实验数据的测量2.1实验必须保证碰撞是一维的，即两个物体在碰撞之前沿同一直线运动，碰撞之后还沿同一直线运动;2.2用天平测量物体的质量；2.3测量两个物体在碰撞前后的速度．师：测量物体的速度可以有哪些方法？生：讨论。总结：速度的测量：可以充分利用所学的运动学知识，如利用匀速运动、平抛运动，并借助于斜槽、气垫导轨、打点计时器和纸带等来达到实验目的和控制实验条件．2．用动量概念表示牛顿第二定律师：给出问题假设一个物体在恒定的合外力作用下，做匀变速直线运动，在t时刻初速度为v，在t′时刻的末速度为v′，试推导合外力的表达式.学生：用牛顿第二定律F=ma以及匀变速直线运动的公式自己推导.（教师巡回指导，及时点拨、〖提*示〗）推导过程：如图所示，由牛顿第二定律得，物体的加速度合力F=ma由于，所以，（1）结论：上式表示，物体所受合外力等于物体动量的变化率.这就是牛顿第二定律的另一种表达式.3．动量定理教师：将（1）式写成（2）（师生讨论上式的物理意义）总结：表达式左边是物体从t时刻到t′时刻动量的变化量，右边是物体所受合外力与这段时间的乘积.（2）式表明，物体动量的变化量，不仅与力的大小和方向有关，还与时间的长短有关，力越大、作用时间越长，物体动量的变化量就越大.这个量反映了力对时间的积累效应.教师（讲解）：物理学中把力F与作用时间的乘积，称为力的冲量，记为I，即，单位：N·s，读作“牛顿秒”.将（2）式写成（3）（3）式表明，物体动量的变化量等于物体所受合外力的冲量，这个结论叫做动量定理.讨论：如果物体所受的力不是恒力，对动量定理的表达式应该怎样理解呢？教师：引导学生阅读教材，理解动量定理的过程性.总结：尽管动量定理是根据牛顿第二定律和运动学的有关公式在恒定合外力的情况下推导出来的.可以证明：动量定理不但适用于恒力，也适用于随时间变化的变力.对于变力情况，动量定理中的F应理解为变力在作用时间内的平均值.在实际中我们常遇到变力作用的情况，比如用铁锤钉钉子，球拍击乒乓球等，钉子和乒乓球所受的作用力都不是恒力，这时变力的作用效果可以等效为某一个恒力的作用，则该恒力就叫变力的平均值，如图所示，是变力与平均力的F-t图象，其图线与横轴所围的面积即为冲量的大小，当两图线面积相等时，即变力与平均力在t0时间内等效.利用动量定理不仅可以解决匀变速直线运动的问题，还可以解决曲线运动中的有关问题，将较难计算的问题转化为较易计算的问题.4．动量定理的方向性例如：匀加速运动合外力冲量的方向与初动量方向相同，匀减速运动合外力冲量方向与初动量方向相反，甚至可以跟初动量方向成任何角度.在中学阶段，我们仅限于初、末动量的方向、合外力的方向在同一直线上的情况（即一维情况），此时公式中各矢量的方向可以用正、负号表示，首先要选定一个正方向，与正方向相同的矢量取正值，与正方向相反的矢量取负值.如上图所示，质量为m的球以速度v向右运动，与墙壁碰撞后反弹的速度为v′，碰撞过程中，小球所受墙壁的作用力F的方向向左.若取向左为正方向，则小球所受墙壁的作用力为正值，初动量取负值，末动量取正值，因而根据动量定理可表示为Ft=p′一p=mv′一（一mv）=mv′+mv.此公式中F、v、v′均指该物理量的大小（此处可紧接着讲课本上的例题）.小结：公式Ft=p′一p=△p是矢量式，合外力的冲量的方向与物体动量变化的方向相同.合外力冲量的方向可以跟初动量方向相同，也可以相反.演示实验3：小钢球碰到坚硬大理石后返回5．应用举例下面，我们应用动量定理来解释鸡蛋下落是否会被打破等有关问题.鸡蛋从某一高度下落，分别与石头和海绵垫接触前的速度是相同的，也即初动量相同，碰撞后速度均变为零，即末动量均为零，因而在相互作用过程中鸡蛋的动量变化量相同.而两种情况下的相互作用时间不同，与石头碰时作用时间短，与海绵垫相碰时作用时间较长，由Ft=△p知，鸡蛋与石头相碰时作用大，会被打破，与海绵垫相碰时作用力较小，因而不会被打破.接着再解释用铁锤钉钉子、跳远时要落入沙坑中等现象.在实际应用中，有的需要作用时间短，得到很大的作用力而被人们所利用，有的需要延长作用时间（即缓冲）减少力的作用.请同学们再举些有关实际应用的例子.加强对周围事物的观察能力，勤于思考，一定会有收获.接着再解释缓冲装置.在实际应用中，有的需要作用时间短，得到很大的作用力，而被人们所利用；有的要延长作用时间而减少力的作用，请同学们再举出一些有关实际应用的例子，加强对周围事物的观察，勤于思考，一定会有收获.（三）例题讲解例1、甲、乙两个物体动量随时间变化的图象如图所示，图象对应的物体的运动过程可能是()A．甲物体可能做匀加速运动B．甲物体可能做竖直上抛运动C．乙物体可能做匀变速运动D．乙物体可能与墙壁发生弹性碰撞〖解析〗a．甲物体的动量随时间的变化图象是一条直线，其斜率Δp/Δt恒定不变，说明物体受到恒定的合外力作用；b．由图线可以看出甲物体的动量先减小然后反向增大.综合a、b知甲物体做匀减速直线运动，与竖直上抛运动类似，所以B选项正确.c．乙物体的动量随时间变化规律是一条曲线，曲线的斜率先增大后减小.根据动量的变化率就是物体受到的合外力(F合=Δp/Δt)知，乙物体在运动过程中受到的合外力先增大后减小.d．由图线还可以看出，乙物体的动量先正方向减小到零，然后反方向增大.综合c、d可知乙物体的运动是一个变加速运动，与水平面上的小球和竖直墙壁发生弹性碰撞相类似(弹性小球与竖直墙壁弹性碰撞的过程，小球受到的弹力随着形变量的增大而增大，随形变量的减小而减小，是一个变力，且小球与墙壁达到最大压缩量时，其速度等于零)，所以B、D选项正确.〖答案〗BD例2、蹦床是运动员在一张绷紧的弹性网上蹦跳、翻滚并做各种空中动作的运动项目.一名质量为60kg的运动员，从离水平网面3.2m高处自由下落，触网后沿竖直方向蹦回到离水平面5.0m高处，已知运动员与网接触的时间为1.2s，求这段时间内网对运动员的平均作用力大小.(g取10m／s2)〖解析〗运动员从高处落下做自由落体运动，与弹性网接触受到向上的弹力后，再做竖直上抛运动.可以分过程应用动量定理求解，也可整个过程应用动量定理求解，须注意的是各矢量的方向要明确.方法一：运动员刚接触网时速度的大小v1=8m／s，方向向下.刚离网时速度的大小v2=10m／s，方向向上.在运动员与网接触的过程中，设网对运动员的作用力为F，以运动员为研究着对象，由动量定理，以向上为正方向，有(F—mg)Δt=mv2—mv1.解得F=1.5×103N，方向向上.方法二：对运动员下降、与网接触、上升的全过程应用动量定理.从3.2m高处自由下落的时间为t1=0.8s，运动员弹回到5.0m高处所用的时间为t2=1s整个过程中运动员始终受重力作用，仅在与网接触的t2=1.2s的时间内受到网对他向上的弹力FN的作用，对全过程应用动量定理，有FNt3—mg(t1+t2+t3)=0，则F=1500N，方向向上.〖答案〗F=1500N，方向向上例3、将质量m=1kg的小球，从距水平地面高h=5m处，以v0=10m／s的水平速度抛出，不计空气阻力，g取10m／s2，求：(1)平抛运动过程中小球动量的增量Δp；(2)小球落地时的动量p′；(3)飞行过程中小球所受的合外力的冲量I〖解析〗这是一道动量、动量的增量及冲量的综合题目，在曲线运动中求动量增量Δp可直接用公式Δp=p2—p1，的方法，也可以用动量定理求解，应视情况而定.画出小球运动轨迹的示意图，如图所示.由于小球做平抛运动，故有h=gt2/2，小球落地时间t=1s(1)因为水平方向是匀速运动，v0保持不变，所以小球的速度增量Δv=Δvy=gt=10m／s.所以Δp=Δpy=mΔv=10kg·m／s.(2)由速度合成知，落地速度v=10m／s.所以小球落地时的动量大小为p′=mv=10kg·m／s.由图知tanθ=1，则小球落地的动量的方向与水平方向的夹角为45°斜向下.(3)小球飞行过程中只受重力作用，所以合外力的冲量为I=mgt=10N·s，方向竖直向下.此题考查动量、动量的增量和冲量等基本概念，要注意各概念在曲线运动的求解方法及矢量的使用.〖答案〗（1）10kg·m／s（2）10kg·m／