中学生对“能量与动量”相关概念的理解，本文主要内容关键词为：动量论文,中学生论文,能量论文,概念论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理概念的形成、物理规律的掌握、物理问题的解决是物理教学的三大中心任务，物理概念的形成是物理教学的核心议题之一。20世纪70年代以来国际物理教育领域对学生物理概念的研究一直十分活跃[1]。众多研究表明，在日常教学中，尽管学生掌握了大量事实材料，在某种程度上提高了学生课堂作业的成绩，但相当多学生认知结构中的错误观念仍未得到有效揭示和矫治。目前很多研究表明：每个学生都是带着对一般物理现象的强烈直觉信念开始学习物理学的，这其中的大部分信念是与科学概念不一致的，这就是前概念。研究表明：学生的前概念对学生新概念的获取存在障碍。为了提高物理教学的质量，我们必须承认并找出学生的前概念，从而有针对性地开展有效教学。
“能量和动量”是物理学中最为基本的两个物理概念之一。美国宾夕法尼亚州匹兹堡大学的Chandralekha Singh与David Rosengrant于2003年设计了“能量和动量”的调查问卷[2]，问卷设计者感兴趣的是学生在理解物理概念、辨析物理概念以及在不同的物理情境中运用物理概念时所表现的理解性障碍，期望掌握这些理解性障碍的程度以及这些障碍和背景知识相关程度，探索学生物理概念理解性障碍的原因可以帮助我们优化和改进教学方法和教学手段。为此我们对“能量与动量”有关物理概念进行调查研究，寻找学生的概念理解性障碍。
“能量和动量”包含25道选择题（见附录），所调查的知识点有：机械能守恒定律、重力作用下做功、非保守力做功、完全弹性碰撞和非弹性碰撞、各种类型的动量守恒等。
一、调查对象及其时间
我们于2007年4月对南通地区某中学高三学生进行了调查，共有219个有效样本。被调查的学生此时学完了“能量与动量”方面的内容，经历了两轮物理复习。该中学是南通地区三星级高中。
二、调查结论
本次调查的有效样本数为219，其中有111位女同学和108位男同学。这次调查的总体平均分为71.95。其中女生的平均分为68，男生的平均分为76。
表1 调查对象得分、标准差情况表
性别 人数 平均分 标准差总体平均分
男生108 76 12.02 71.95
女生111 68 10.73
对调查对象的男、女生得分进行统计分析：
结论：在本次调查中男生和女生的成绩的差异达到极其显著性水平。男生在“能量和动量”方面的物理概念掌握水平高于女生。
我们详细比较了学完基于微积分的大学物理课程的匹兹堡大学的大学生和学完“能量与动量”并经历两轮物理复习的南通地区中学生对“能量与动量”相关物理概念的回答的情况（如图1）。
图1
从曲线来看，除了第1、3、21题匹兹堡的大学生比南通地区中学生得分高以外，其他题目匹兹堡的大学生比南通地区中学生得分低。特别是第6题两所学校的得分均很低。在我国普通高中阶段，由于引力势能没有教，所以得分率低。
从平均成绩来看，南通地区中学生的“能量与动量”成绩要比匹兹堡的大学生的成绩高出20分，说明我们的中学生在经历基础教育普通高中阶段物理课程的学习后对“能量与动量”相关物理概念掌握比较牢固，也说明我们基础物理教学是有效的。
三、调查结果分析
1.与生活相关的物理问题
物理教学的目的之一是培养学生从日常生活现象中建构物理问题并进行问题解决。在“能量与动量”问卷中，第1、2、7、8、9、11、19题与学生日常生活密切相关，其平均得分74.71，高于总体平均得分。表明我们的物理教师在物理教学过程中，已经注重培养学生从生活问题出发，建构物理模型，并运用所学的物理概念、规律解决实际问题能力，并取得了一定的成效。
第1题学生的得分率仅有50%，很多学生选择了“能否沿竖直的方向提到桌子上”，表明学生在解决与生活密切相关的物理问题时仍然沿用日常生活观念（日常生活中多做功一般指的是完成某项工作后感觉到劳累）尝试解决。与第1题形成鲜明对比的是第2、7题，学生的得分率90%左右，表明学生已经掌握了机械能守恒定律和动量的概念。第8题做错的学生大多选择了“斜面做功比竖直做功小”，他们认为力做功与力的大小密切相关，力越小，做功就越少，表明有部分学生把功和力混为一谈。学生思维的片面性和教条主义在第9题中得到了充分体现，做错的学生大多选择了(E)，他们认为只要忽略阻力的影响，机械能守恒，没有考虑到人蹬踏板的动力。第11题做错的大多数是女生，表明女生比男生更难以从生活情境抽象成物理图景，并正确解决物理问题。第19题做错的学生大多选择了(A)，他们将冲量和力混为一谈，其实不管是撞干草堆还是水泥墙，自行车动量的改变是一定的，即冲量是一定的，但是干草堆改变动量所需要的时间要长，所以自行车所受到的力较小。
2.与能量有关的物理问题
第4、15、22题考查学生对机械能守恒定律的掌握情况。其中第15题存在支持力，但是不做功，第4、22题仅有重力做功，但是存在初始速度。在学生的回答中，第15题的得分率为92%。表明学生已经掌握了机械能守恒定律的基本规律，理解在初速度为0的情况下，仅有重力做功，其末速度（速率）仅与高度差有关，与物体的质量无关。第4、22题的得分率存在很大的差异，第4题的得分率达97%，而第22题得分率仅有50%。学生在解决竖直上抛和竖直下抛运动的物理问题比解决斜抛运动的物理问题更易于运用机械能守恒定律。第22题做错的学生大多选择了(A)，他们认为3只球到达虚线的高度，(1)球所用的时间最短，而(3)球所用的时间最长，所用的时间短，速度就减小得少，所用的时间长，速度就减小得大。表明学生对于不同情境下理解和运用机械能守恒定律仍然存在较大的困难。学生能否在解决物理问题的过程中正确判断选用适当的物理概念、规律成为正确解决物理问题的关键。
第8、20题考查学生对功的概念掌握情况。第8题考查学生对力和力所做的功之间的关系，绝大多数学生对两种情况下拉力大小的比较有正确的认知，表明学生受力分析掌握较好，做错的学生大多选择了“斜面做功比竖直做功小”，他们认为力做功与力的大小密切相关，力越小，做功就越少，表明学生没有区分日常生活功的观念和物理学上功的概念之间的差别。第20题考查学生物体在不同斜面下滑同一高度动能、重力做功情况，学生得分率达89%，与第8题得分有较大的差异，表明学生是利用排除法解决此问题。
第12、24、25题考查学生对非保守力做功的理解。第12题是常见的物体做功的问题，考查学生物体在匀速运动情况下拉力做功、摩擦力做功之间的关系和合外力做功的大小，学生得分率达90%，表明学生对此问题背景下各种力做功掌握得较好。第24、25题可以用功能关系解决，学生在第24题的得分率达81%，错误的学生大多选择了(B)，他们可能认为“动能和速度的二次方成正比，而仅仅和质量一次方成正比”，表明学生对“用同样大小的力拉两个不同质量的物体，运动同样的距离，所做功是一样大”的理解仍然存在一定的困难。第25题的得分率79%，做错的学生对某一物体的动量与动能之间的关系没有搞清楚。
第13、17题是考查学生对机械能守恒的理解。第13题的得分率75%，有部分学生选择了(E)，表明学生没有掌握动量的矢量特点，有部分学生选择了(B)，他们认为图11(a)的高度大于图11(b)的高度，还有部分学生选择了(A)，他们认为动能也具有矢量性。第17题的得分率77%，错误的学生大多选择了(A)，他们混淆了动量表达式和动能表达式。
3.与动量有关的物理问题
第3、5题考查学生对不同类型碰撞情况下对动量守恒定律的理解，第3题得分率仅52%，第5题得分率79%。第3题错误的学生大多选择了(A)，他们大多认为只要是弹性碰撞，动能就是不变的，而没有考虑到是系统的动能不变。第5题错误的学生大多选择了(C)和(E)，学生往往从备选答案本身表达的正确性与否来选择答案，表明做错的学生往往受到与所解决问题无关的一些物理概念、规律迷惑，如牛顿第二运动定律、质量等。
第10、21题是考查学生在非弹性碰撞或是爆炸过程中判断动量是否守恒。第10题的得分率66%，很多学生认为在爆炸前后动能不变，混淆了动能和动量的概念，对动量守恒和动能定理的条件掌握不牢。第21题的得分率是问卷中非常低的题目，有很多学生选择了(A)，他们认为雨滴的速度是垂直方向的，并不影响水平方向上小车的速度，没有意识到水平方向上的动量守恒因小车质量的增加导致水平方向上的速度减少。
附录：能量与动量测试问卷
以下有25个单项选择题，请认真回答!在没有特别提示的情况下，请忽略摩擦力和空气阻力的影响。
1.如果你要把手提箱从地面提到桌子上，除了手提箱的重力外，你认为下面哪些因素能决定你是否完成这项工作？
(1)你是否沿竖直的方向提到桌子上。（高度一定的情况下）
(2)你是否快速（手提箱仍然是匀速运动）地提到桌子上。
(3)桌面离地面的高度。
(A)仅仅是(1)。(B)仅仅是(3)。
(C)(1)和(3)。 (D)(2)和(3)。
(E)(1)(2)(3)。
2.有一光滑的斜面和一弯曲面，它们顶端到底端的高度均相同，如图2所示。你和你的朋友具有相同的质量，你从曲面顶端滑下，而你朋友是从斜面顶端滑下，问到达底端时，谁的速率大？
图2
(A)你，因为你一开始就遇到了比较陡峭的斜面，以至于你能有机会去加速。
(B)你，因为你运动的路程比较长，以至于你能有机会去加速。
(C)你的朋友，因为他滑行的是一固定斜面，以至于他能有机会去加速。
(D)你的朋友，因为他运动的路程较短，以至于他能有机会去加速。
(E)你和你的朋友到达底端的速率是一样的。
3.光滑水平面上固定一小红球，另一小白球在光滑的水平面上运动，并与红球发生了弹性碰撞，问下面的哪些表述是正确的？
(1)白球在碰撞前后的动能是不变的。
(2)白球在碰撞前后在水平方向上的动量是不变的。
(3)红球和白球碰撞前后在水平方向上的动量是不变的。
(A)仅仅是(1)。(B)仅仅是(3)。
(C)(1)(2)。
(D)(1)(3)。
(E)(1)(2)(3)。
4.如图3（见下页）所示，两个相同的小石块，从同一高度以相同的速率被抛出，一个石块A的速度的方向是竖直向上，另一石块B的速度的方向是竖直向下，问到达地面时，哪一石块的速率比较大？原因是什么？
图3
(A)两石块到达地面时具有相同的速率。
(B)A石块，因为它运动了较长的路程。
(C)A石块，因为它运动了较长的时间。
(D)A石块，因为它运动了较长的路程和时间。
(E)B石块，因为它仅仅受到重力做功。
5.如图4所示，在光滑的水平面上有两个物块，它们具有相同的质量，但是材料不同，其中一个是铁块，另一个是木块，用相同的两颗子弹以同样的速度分别打到两物块上。打到铁块的子弹以一定的速度返回了，而另一颗子弹嵌入到木块中，问：子弹和物块碰撞后，是铁块的速度大还是木块的速度大？
图4
(A)木块，因为它得到了子弹的动量，而另一子弹没有给铁块动量。
(B)木块，因为子弹把动能全部传递给了木块。
(C)木块，因为碰撞后它们具有较大的质量，根据牛顿第二运动定律，要有较大的力来加速木块。
(D)铁块，因为子弹从铁块反弹了。
(E)铁块和木块具有相同的速度。
6.一卫星绕地球做匀速圆周运动，如图5所示，卫星仅仅受到地球对它引力的作用，问当卫星沿轨道从A点运动到B点时，下面哪种表述是正确的？
(A)卫星从A点运动到B点，其引力势能在减小。
(B)卫星从A点运动到B点，卫星所受到的引力做负功。
(C)卫星从A点运动到B点，卫星所受到的引力不做功。
(D)卫星从A点运动到B点，其速度并没有发生变化。
(E)以上答案都不对。
7.如图6所示，一辆卡车和一辆摩托车并行在某一条公路上，在某一时刻，摩托车的速度是卡车速度的4倍，并且摩托车是加速行驶，而卡车是匀速行驶，问此时卡车和摩托车相比较，哪个动量比较大？
图5
图6
(A)卡车，因为它具有较大的质量。
(B)摩托车，因为它运动得比较快。
(C)摩托车，因为它是加速的。
(D)摩托车，因为它运动得比较快而且是加速的。
(E)没有足够的信息可以判断。
8.如果你想把某物块以恒定的速率拉到某一高度，现在有两种方式，如图7所示，一种是直接竖直向上拉如图7(a)，另一种是沿着某一光滑的斜面拉如图7(b)，系在物块上的绳子的重力忽略不计，下列哪一说法是正确的？
图7
(A)图(a)情况下绳子的拉力要小于图(b)情况下绳子的拉力。
(B)两种情况下绳子的拉力相同。
(c)两种情况下作用在物块上的拉力所做的功是相等的。
(D)图(b)情况下作用在物块上的拉力所做的功要小于图(a)情况下作用在物块上的拉力所做的功。
(E)图(b)情况下作用在物块上的重力所做的功要小于图(a)情况下作用在物块上的重力所做的功。
9.有3人骑自行车从某桥底端骑到桥面：
(1)骑车人1不蹬踏板，让自行车自行滚动到桥面。
(2)骑车人2蹬踏板，让自行车以恒定速率滚动到桥面。
(3)骑车人3用力蹬踏板，让自行车加速滚动到桥面。
如果我们忽略阻力的影响，问上述三种情况下哪些情况骑车人和自行车的机械能是守恒的？
(A)仅仅是(1)。(B)仅仅是(2)。
(C)(1)(2)。
(D)(2)(3)。
(E)(1)(2)(3)。
10.如图8所示，一炸弹放置在光滑水平面上，当它发生爆炸后，被分裂成3块碎片在水平面上运动，问下列哪些表述是正确的？
(1)爆炸后三碎片总动能与爆炸前炸弹的动能是相同的。
(2)爆炸后三碎片总动量与爆炸前炸弹的动量是相同的。
(3)爆炸后三碎片总动量为零。
图8
(A)仅仅是(1)正确。(B)仅仅是(2)正确。
(C)仅仅是(3)正确。(D)(2)(3)正确。
(E)(1)(2)(3)正确。
11.你和你的朋友站在光滑的水平面上，你站在东边，而你朋友站在西边，为了引起你朋友的注意，你抛一弹性球给你朋友，如图9所示。弹性球从你朋友的背部反弹回来，问下列哪些表述是正确的？
图9
(A)你的朋友仍然保持静止，因为弹性球反弹回来并没有影响你朋友的动量。
(B)你的朋友仍然保持静止，因为弹性球的动能在碰撞前后并没有变化。
(C)你的朋友仍然保持静止，因为在水平方向上的动量和动能保持不变。
(D)你仍然保持静止，因为在你抛出小球的时候，在水平方向上的动量和动能保持不变。
(E)你将向东运动，因为你抛出小球的时候，在水平方向上的动量保持不变。
12.一木块在水平拉力(F)的作用下，沿水平面匀速运动，如图10所示。水平面的摩擦力（f）不能忽略，当木块从A点运动到B点时，下列表述哪些是正确的？
图10
(A)作用在木块上的重力所做的功不为零。
(B)作用在木块上的摩擦力(f)所做的功是正功。
(C)作用在木块上的合外力所做的功不为零。
(D)作用在木块上的拉力(F)所做的功和木块上的摩擦力(f)所做的功是相等的。
(E)作用在木块上的拉力(F)所做的功大于作用在木块上的摩擦力(f)所做的功。
下面是第13、14题的题干。请认真阅读后回答问题。
小车A和小车B在碰撞前各方面情况都完全相同。
图11(a)：小车A静止在与地面高为h的小山上，而小车B静止在地面上，当小车A从小山滑下并与小车B发生碰撞，此后两小车粘贴在一起。
图11(b)：小车A和小车B静止在相对的两个小山上，山头离地面的高度是
，它们都从小山滑下并发生相互碰撞，此后两小车粘贴在一起。
13.在两小车都到达水平面上并且发生碰撞之前，两小车所组成的系统，下列哪些说法是正确的？
(A)图11(b)所表述的情况下，系统的动能为零。
(B)图11(b)所表述的情况下的系统的动能要小于图11(a)所表述的情况下的系统的动能。
(C)两种情况下系统的动能相同。
(D)图11(b)所表述的情况下的系统的动量要大于图11(a)所表述的情况下的系统的动量。
(E)两种情况下系统的动量相同。
图11
14.在两小车都到达水平面上并且刚发生碰撞之后，两小车所组成的系统，下列哪些说法是正确的？
(A)图11(b)所表述的情况下的系统的动能要大于图11(a)所表述的情况下的系统的动能。
(B)两种情况下系统的动能相同。
(C)图11(b)所表述的情况下的系统的动量要大于图11(a)所表述的情况下的系统的动量。
(D)图11(a)所表述的情况下的系统的动量不为零，而图11(b)所表述的情况下的系统的动量为零。
(E)两种情况下系统的动量相同。
15.你和你侄女（你的质量75kg，你侄女的质量25kg）从同一高度沿某一光滑斜面自由下滑，问到达底端时，谁的速率较大？
(A)两人到达底端时的速率相同。
(B)你侄女，因为她对斜面的压力较小以至于她更接近于自由运动。
(C)你，因为较大的重力具有较大的沿斜面向下的加速度。
(D)你侄女，因为轻物更加容易加速。
(E)你，因为你下滑的时间较短。
图12
16.用橡皮泥做成的两个小球(A和B)，它们具有相同的质量，用两根同样长的质量忽略不计并且不可伸长的细线悬吊在天花板上，悬点相同。将A球拉到某一高度H，然后自由释放，与静止的B球发生碰撞，如图12所示。碰撞后两球粘贴在一起，共同到达的最大高度为h，问如果知道H的数值，需要用到下列哪些物理规律才能求解出h?（球的大小可以忽略不计）
(1)机械能守恒定律。
(2)水平方向上的动量守恒定律。
(A)仅仅用到(1)。
(B)仅仅用到(2)。
(C)(1)和(2)均要用到。
(D)可以是(1)，也可以是(2)，不需要两个全用。
(E)仅仅有(1)和(2)并不能解出h。
17.一小球在某一高度仅仅受到重力的作用下下落，问下列说法哪些是正确的？
(A)小球的动能在相等的时间内增加的量是相同的。
(B)小球的动能在相等的下落距离内增加的量是相同的。
(C)在下落过程中，作用在小球上的重力做功为零。
(D)在下落过程中，作用在小球上的重力做负功。
(E)在下落过程中，小球的机械能是减小的。
在第18和第19问题中，冲量被定义为在一定的时间间隔内平均力与时间的乘积。
18.关于动量，下列哪些说法是正确的？
(A)动量就是冲量。
(B)一物体的动量总是促进物体运动的。
(C)动量是标量。
(D)动量的国际单位是
。
(E)动量和冲量的单位是相同的。
19.当你的自行车的车闸突然失灵时，你要让你的自行车尽快停下来，你可以选择碰撞水泥墙或者是干草垛，很明显你选择碰撞干草垛，为什么呢？
(A)干草垛给你的冲量比水泥墙小。
(B)干草垛改变自行车的动量需要较长的时间。
(C)干草垛改变自行车的动能与水泥墙相比要小。
(D)干草垛改变自行车的动量与水泥墙相比要小。
(E)水泥墙存储有较多的势能，当自行车与水泥墙碰撞时，将会产生较大的作用力。
20.如图13所示，有一小球将从两个连续且无摩擦的斜坡下滑，两斜坡的高度相同。问下列哪些说法是正确的？
图13
(1)从A滑到B和从B滑到C，木块动能的变化量是相同的。
(2)从A滑到B时作用在小球上的重力所做的功要小于从B滑到C时作用在小球上的重力所做的功。
(3)从A滑到B时作用在小球上的重力所做的功要大于从B滑到C时作用在小球上的重力所做的功。
(A)仅仅(1)正确。 (B)仅仅(2)正确。
(C)仅仅(3)正确。 (D)(1)和(2)正确。
(E)(1)和(3)正确。
21.一小车（如下页图14所示）在无摩擦的水平面上匀速前进，雨滴以恒定的速度垂直落向水平面，有雨滴落入小车内并存储在小车内，问下列哪些说法是正确的？
图14
(1)小车仍然匀速前进，因为雨滴的速度是竖直向下的，而小车是在水平面上运动的。
(2)小车仍然匀速前进，因为小车与雨滴总的机械能守恒。
(3)小车减速前进，因为在水平方向上小车与雨滴总动量守恒。
(A)仅仅(1)正确。 (B)仅仅(2)正确。
(C)仅仅(3)正确。 (D)(1)和(2)正确。
(E)以上答案都不对。
22.如图15所示，有3只同样的小球在同一水平面以相同的速率被抛出，(1)球竖直向上抛，(2)球与水平线成60°角斜向上抛，(3)球与水平线成45°角斜向上抛。在水平面上方有一平行于水平面的虚线，问当3小球均到达虚线时，速率由大到小的排列顺序是？（3球均能达到虚线的高度）
图15
(A)(1)、(2)、(3)。
(B)(1)、(3)、(2)。
(C)(3)、(2)、(1)。
(D)它们具有相同的速率。
(E)没有足够的信息可以判断，因为速率还与他们的质量有关。
23.如图16所示，有两小球质量相同，材料不同，一种（R）是橡胶做的，另一种（P）是橡皮泥做的，它们从同一高度（h）开始下落到水平面上，R球与水平面发生碰撞后反弹，而P球与水平面发生碰撞后粘在水平面上，如果它们碰撞的时间相等，问水平面对哪个球的平均作用力较大？
(D)
可能大于也可能小于
，因为小球的大小不知道。
(E)可能大于也可能小于，因为这与具体的高度有关。
图16
24.有两个木块静止在光滑的水平面上，它们的质量不等，
，现在以相同大小的力F作用在两木块上，使得两木块在力F作用下，前进同样的距离，问前进同样的距离后哪个木块的动能较大？
(A)两木块的动能一样大。
(B)质量小的木块动能大，因为它的速度大。
(C)质量大的木块动能大，因为它的质量大。
(D)没有足够的信息可以判断，需要知道两木块的质量大小才能比较其动能。
(E)没有足够的信息可以判断，需要知道力的大小才能比较其动能。
25.有一木块在粗糙的水平面上滑动，最终静止下来，问下列哪些说法是正确的？
(A)在木块停下来之前，木块的动量会随着木块运动的距离而增加。
(B)在木块停下来之前，木块的动量会随着木块运动的时间而增加。
(C)木块的动量会随着木块运动速度的减少而增加。
(D)木块的质量会随着木块运动速度的减少而增加。
(E)以上答案都不对。