夏 麗

(上海市盧灣高級(jí)中學(xué) 上海 200030)

1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

機(jī)械能守恒定律是滬科版《物理》高中一年級(jí)第二學(xué)期的教學(xué)內(nèi)容，是中學(xué)物理學(xué)習(xí)中最為重要且要求最高的幾個(gè)學(xué)習(xí)內(nèi)容之一.機(jī)械能守恒條件的探究過程是本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，亦是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一個(gè)平臺(tái).學(xué)習(xí)本節(jié)課需要以動(dòng)能、勢能、功和能的關(guān)系、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)能定理等為知識(shí)基礎(chǔ)，以DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的熟練使用為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

基于以上考慮，本設(shè)計(jì)主要設(shè)置了3個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，借境激疑—實(shí)驗(yàn)探究—實(shí)際運(yùn)用，有效地突破了本課的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn).

整個(gè)過程中學(xué)生親身經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)探究和理論演繹相結(jié)合、真實(shí)實(shí)驗(yàn)和理想外推相結(jié)合的科學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的自主探究，重視概念、規(guī)律的形成過程，關(guān)注學(xué)生合作意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng).

2 教學(xué)資源

(1)實(shí)驗(yàn)器材

引入實(shí)驗(yàn)：鉛球，繩子.

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器,DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(光電門傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)).

教師演示：力學(xué)導(dǎo)軌,位移傳感器,小車,計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)處理軟件.

(2)課件

多媒體課件：“機(jī)械能守恒定律”.

探究機(jī)械能守恒定律任務(wù)單.

3 教學(xué)流程

(1) 教學(xué)主要環(huán)節(jié)

本節(jié)課分為3個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié).

第一環(huán)節(jié)，情境導(dǎo)入.從學(xué)生活動(dòng)“鉛球會(huì)碰到鼻子嗎？”入手，感受鉛球的動(dòng)能、勢能相互轉(zhuǎn)化過程，在游戲中思考問題：機(jī)械能是否守恒呢？

第二環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)探究，尋求規(guī)律.在學(xué)生親身體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過DIS實(shí)驗(yàn)探究擺錘下擺過程中動(dòng)能、勢能相互轉(zhuǎn)化，得出機(jī)械能守恒的規(guī)律.教師通過小車沿粗糙程度不同的力學(xué)導(dǎo)軌下滑機(jī)械能變化的演示實(shí)驗(yàn)，把課推向高潮，猜想機(jī)械能守恒的條件.最后通過理想外推和理論推導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生尋求得到機(jī)械能守恒的條件.

第三環(huán)節(jié)，運(yùn)用規(guī)律，解決問題.通過對(duì)“鉛球會(huì)碰到鼻子嗎？”的分析、解釋，首尾呼應(yīng)，加深對(duì)機(jī)械能守恒定律的認(rèn)識(shí).

(2)教學(xué)流程

第一環(huán)節(jié)：情境導(dǎo)入，借境激疑.

活動(dòng)1：鉛球會(huì)不會(huì)碰鼻？

問題1：動(dòng)能、勢能相互轉(zhuǎn)化的過程中，動(dòng)能的變化量和重力勢能的變化量是否相等？即機(jī)械能是否守恒？

第二環(huán)節(jié):實(shí)驗(yàn)探究，尋求規(guī)律.

活動(dòng)2：學(xué)生DIS實(shí)驗(yàn).

利用機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器探究擺錘在下擺過程中機(jī)械能守恒.

問題2：在動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)化過程中機(jī)械能一定守恒嗎？

活動(dòng)3：教師演示實(shí)驗(yàn).

小車沿粗糙程度不同的斜面(力學(xué)導(dǎo)軌)下滑過程中，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理得出動(dòng)能、勢能、機(jī)械能的圖線，學(xué)生觀察到機(jī)械能不守恒，而且隨著斜面越來越接近光滑，機(jī)械能損失越來越少.

活動(dòng)4：理想外推和理論推導(dǎo).

學(xué)生理想外推，小車沿光滑斜面下滑機(jī)械能守恒，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)及牛頓第二定律的知識(shí)從理論推導(dǎo)的角度予以驗(yàn)證，并且在任務(wù)單上完成.

問題3：是不是只要摩擦力不做功機(jī)械能就守恒呢？

活動(dòng)5：若給沿光滑斜面下滑的小車一個(gè)沿斜面向下的推力，機(jī)械能也守恒嗎？

通過這個(gè)活動(dòng)讓學(xué)生加深印象,以免走入“只要摩擦力不做功機(jī)械能就守恒”的常見誤區(qū).

問題4：機(jī)械能守恒的條件究竟是什么？

活動(dòng)6：學(xué)生任務(wù)單上理論推導(dǎo)，一位學(xué)生板演.

末動(dòng)能減去初動(dòng)能等于初勢能減去末勢能，必須合外力做功等于重力做功，得到機(jī)械能守恒條件是只有重力做功.

第三環(huán)節(jié):運(yùn)用規(guī)律，解決問題.

活動(dòng)7：解釋引入實(shí)驗(yàn)“鉛球會(huì)碰鼻嗎?” 首尾呼應(yīng).

4 教學(xué)實(shí)錄

4.1 情境引入 鉛球會(huì)不會(huì)碰鼻(活動(dòng)1)

師：在教室中間懸吊著一個(gè)實(shí)心球，請(qǐng)一位同學(xué)來做一個(gè)“碰鼻”實(shí)驗(yàn).

(學(xué)生上臺(tái))

師：你站在這兒，拉實(shí)心球到鼻子下方，釋放球.

(學(xué)生往后退)

師：實(shí)心球擺回來的時(shí)候，這位同學(xué)做了什么動(dòng)作？

生：往后退.

師：他為什么往后退?。?/p>

生：怕球碰到鼻子.

師：如果他不動(dòng),球碰得到他鼻子嗎？

生：碰不到.

師：為什么？

生：因?yàn)榈奖亲幽抢锼俣葹榱懔?

師：速度為零，也就是什么能為零了？

師：其實(shí)球向上擺動(dòng)，動(dòng)能怎么變？

生：減小.

圖1

師：勢能呢？

生：增加.

師：如圖1,當(dāng)球從位置1下擺到位置2時(shí)，動(dòng)能在增加，勢能在減少.上、下擺動(dòng)過程中，動(dòng)能、勢能相互轉(zhuǎn)化.

師：從位置1到2，動(dòng)能增加，勢能減少，那動(dòng)能的增加量和勢能的減少量會(huì)不會(huì)有什么關(guān)系？

生：可能相等.

師：動(dòng)能、勢能相互轉(zhuǎn)化的過程中，動(dòng)能的變化量和重力勢能的變化量是否相等？(問題1)

師(板書)：

師：我們猜想的關(guān)系就成了研究位置1，2的機(jī)械能是否相等了.

師：怎么驗(yàn)證這個(gè)猜測？

生：做實(shí)驗(yàn).

4.2 學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)用DIS研究機(jī)械能是否相等(活動(dòng)2)

師：直接測球肯定不現(xiàn)實(shí)，就需要把鉛球擺動(dòng)抽象成一個(gè)物理模型.

師：如圖2,釋放磁鐵夾，擺錘的運(yùn)動(dòng)和球的運(yùn)動(dòng)類似.

圖2

師：現(xiàn)在只研究擺錘經(jīng)過各點(diǎn)時(shí)的機(jī)械能是否相等.系統(tǒng)已幫我們選定了A,B,C,D四點(diǎn),如圖2.怎么測得擺錘經(jīng)過各點(diǎn)時(shí)的機(jī)械能呢？

師：測勢能需要選定零勢能面，默認(rèn)了D點(diǎn)是零勢能面，A,B,C三點(diǎn)的高度標(biāo)尺盤上已標(biāo)出.

師：擺錘從A點(diǎn)靜止釋放，所以,A點(diǎn)的速度為零，我們只需要測擺錘經(jīng)過B,C,D三點(diǎn)時(shí)的速度，想一次測得三點(diǎn)的速度，需要幾個(gè)光電門？

生：3個(gè).

師：現(xiàn)在只有1個(gè)，怎么辦？

生：一次一次測.

師：需要測幾次？

生：3次.

師：那么釋放擺球的A點(diǎn)位置能不能變？

生：不能變.

師：以測量B點(diǎn)的速度為例，把光電門放在B點(diǎn)，目測不準(zhǔn)，需要借助器材中的測平器，怎么使用測平器呢？看視頻.

師：它有一凹槽，讓它向著標(biāo)尺盤，使測平器和B的水平橫線對(duì)齊.尖端向著光電門，如果光電門不在B點(diǎn)，調(diào)整光電門使小孔對(duì)準(zhǔn)測平器的尖端.大家在自己的電腦上看到光電門小孔對(duì)準(zhǔn)B點(diǎn)了嗎？

師：進(jìn)入系統(tǒng)，大家看到表格中4點(diǎn)高度，A點(diǎn)速度已知，按系統(tǒng)設(shè)定先依次測D，C，B的速度，光電門移動(dòng)到D點(diǎn)，讓小孔對(duì)準(zhǔn)D的豎直線，點(diǎn)擊“開始記錄”測得速度.接下來測C點(diǎn)(錯(cuò)誤動(dòng)作)，老師這么做可以嗎？

生：不可以.

師：為什么？

生：釋放點(diǎn)變了，測平器沒有使用.

師：我們每組4人，一位確定釋放點(diǎn)A位置不變，事先已經(jīng)幫大家調(diào)好，一位操作電腦，一位釋放擺錘，一位使用測平器.3點(diǎn)速度測得以后，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)計(jì)算，系統(tǒng)自動(dòng)算出各點(diǎn)的動(dòng)能、勢能、機(jī)械能，就能判斷A,B,C,D四點(diǎn)的機(jī)械能是否相等，也能驗(yàn)證我們的猜測了.

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

師：實(shí)驗(yàn)結(jié)束，選擇一組，請(qǐng)同學(xué)跟大家交流一下你們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

生：機(jī)械能基本不變，動(dòng)能和勢能在相互轉(zhuǎn)化.

可再交流幾組(如有誤差大的，可課后再討論).

師：從剛才的實(shí)驗(yàn)中我們得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論，擺錘在運(yùn)動(dòng)過程中，動(dòng)能、勢能相互轉(zhuǎn)化，經(jīng)過各點(diǎn)時(shí)的機(jī)械能不變.

4.3 教師演示實(shí)驗(yàn)動(dòng)能勢能相互的轉(zhuǎn)化過程中探究機(jī)械能不變的條件(活動(dòng)3)

(1)實(shí)驗(yàn)探究摩擦力不做功，機(jī)械能不變

師：是不是動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)化過程中機(jī)械能肯定守恒？(問題2)

師：講臺(tái)桌上有一斜面,小車沿斜面(力學(xué)導(dǎo)軌)下滑，大家看到小車的動(dòng)能、勢能相互轉(zhuǎn)化，動(dòng)能增加，勢能減少，那機(jī)械能呢？

生：不變.

師：真的是這樣嗎？

師：小車是位移傳感器的發(fā)射端，斜面底部是接收端，位移傳感器測得動(dòng)能、勢能、機(jī)械能.可以用電腦的軟件把動(dòng)能、勢能、機(jī)械能隨位置變化的圖線顯現(xiàn)出來,如圖3.

圖3 動(dòng)能、勢能、機(jī)械能隨位置變化曲線圖

師：屏幕上出現(xiàn)了3根圖線，小車下滑，發(fā)射端靠近接收端，從左向右看？還是從右向左看？

生：從右向左.

師：最下面這條線是增加，肯定是動(dòng)能，還有兩條都在減小，哪一條是勢能?。繖C(jī)械能是動(dòng)能和勢能之和，所以最上面是機(jī)械能，中間是勢能，勢能在減小，這里機(jī)械能怎么變？

生：減少.

師：機(jī)械能為什么損失？

生：鋪了布，有摩擦力.

師：能的變化對(duì)應(yīng)力做功，所以，機(jī)械能的損失是因?yàn)椤?/p>

生：摩擦力做功.

師：如果減少摩擦力做功，現(xiàn)在把毛巾換成絨布(降低粗糙程度)，這根線會(huì)怎樣？

(研究機(jī)械能怎么變化，把動(dòng)能、勢能圖線隱藏)

生：平坦了.

師：繼續(xù)減少摩擦力做功，斜面不鋪布了，圖線又會(huì)怎樣？

生：更加平坦了.

師：仔細(xì)觀察屏幕上出現(xiàn)的3根圖線，能得到什么信息？

生：摩擦力做功越來越小，機(jī)械能損失也越來越少.

理想外推：假如斜面完全光滑，機(jī)械能就守恒了.(活動(dòng)4)

師：完全光滑的斜面沒有，只能理論證明.

(2)理論推導(dǎo)物體沿光滑斜面下滑機(jī)械能不變

師：如圖4所示，物體質(zhì)量為m，沿光滑斜面下滑，圖中依次經(jīng)過任意兩點(diǎn)位置A，B，對(duì)應(yīng)的速度分別為v1，v2，離斜面底端的高度分別為h1，h2，試證明A，B兩點(diǎn)物體的機(jī)械能相等(取斜面底端為零勢能面).

由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式推導(dǎo)證明

圖4

師：機(jī)械能不變的條件是什么??？

生：摩擦力不做功.

(3)實(shí)驗(yàn)探究有拉力、推力做功時(shí)機(jī)械能變化.(活動(dòng)5)

師：是不是只要摩擦力不做功機(jī)械能就守恒呢？(問題3)

師(請(qǐng)一位學(xué)生拉小車)：給小車作用一個(gè)向上的拉力，有拉力做功時(shí)，看到機(jī)械能怎么變？

生：機(jī)械能損失了.

師：再給它一個(gè)向下的推力呢？

生：機(jī)械能增加了.

師：可見，當(dāng)有摩擦力、拉力、推力做功時(shí)，機(jī)械能都變化，各能量隨位置的變化圖線如圖5所示，要機(jī)械能不變的條件是什么？

圖5 幾種情形下能量隨位置的變化圖線

生：沒有外力做功.

師：小車沿光滑斜面下滑，機(jī)械能守恒，是不是沒有外力做功？

生：有重力做功.

師：機(jī)械能守恒的條件究竟是什么？(問題4)

(4)實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)機(jī)械能不變的條件.(活動(dòng)6)

師：好，現(xiàn)在看看剛才我們推導(dǎo)得到的表達(dá)式

師：根據(jù)動(dòng)能定理,等式左邊動(dòng)能的變化等于什么？

生：左邊是W外=ΔEk.

師：等式右邊勢能的減少量等于什么？

生：右邊是WG=-ΔEp.

師：若要機(jī)械能守恒，即左右兩邊要相等，除非是……

生：合外力做功等于重力做功.

師：這是什么意思？

生：只有重力做功！

4.4 機(jī)械能守恒及其條件

通過以上一系教學(xué)活動(dòng)，得出機(jī)械能守恒定律，隨后師生互動(dòng)，共同解讀機(jī)械能守恒定律.

(1)守恒定律發(fā)生在動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)化過程中，也就是說動(dòng)能、勢能要變化.

(2)師：是不是說物體只能受到重力？

生：不是，剛剛沿光滑斜面下滑，還受支持力，只是支持力不做功.

機(jī)械能守恒的條件只有重力做功，不是只受重力,而是可以受其他力，但其他力不做功，或其他力做功代數(shù)和等于零.

(3)機(jī)械能中的勢能還包括彈性勢能，關(guān)于動(dòng)能、重力勢能、彈性勢能間的轉(zhuǎn)化暫時(shí)不進(jìn)行討論.

4.5 解釋課堂引入實(shí)驗(yàn)活動(dòng)(活動(dòng)7)

師：再來看剛才的擺球?qū)嶒?yàn)，在運(yùn)動(dòng)的過程中，球受重力和拉力，而拉力不做功，所以機(jī)械能守恒，不會(huì)碰鼻.更何況球還受到空氣阻力，機(jī)械能會(huì)損失一點(diǎn)，因此擺球不會(huì)再回到釋放點(diǎn).

師：現(xiàn)在同學(xué)們還怕嗎？

5 教學(xué)反思

本節(jié)課根據(jù)“以學(xué)生發(fā)展為本”的課程理念，充分發(fā)揮物理學(xué)科動(dòng)手實(shí)驗(yàn)探究的特性，重視激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)的積極性.在教學(xué)過程中，借境激疑—實(shí)驗(yàn)探究—實(shí)際運(yùn)用，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過程中，體會(huì)科學(xué)方法，增強(qiáng)科學(xué)精神，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度.注重規(guī)律的探究過程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的參與.在逐步形成概念、規(guī)律的過程中，學(xué)生經(jīng)歷了學(xué)習(xí)、研究物理的一般方法，體驗(yàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)為物理學(xué)習(xí)和研究帶來的便捷，感受科學(xué)與技術(shù)的相互促進(jìn).