用物理科學(xué)方法設(shè)計“機械能守恒定律”教學(xué)

王茹榮

(慶陽市鎮(zhèn)原縣平泉中學(xué)甘肅 慶陽744517)

摘 要：隨著基礎(chǔ)教育物理教學(xué)改革的持續(xù)深入推進，科學(xué)方法的重要性日益凸現(xiàn)出來.物理課程標準明確提出科學(xué)方法教育目標，新的人教版教材編排上突出探究理念和一些方法的顯化.在此背景下，本文嘗試用科學(xué)方法的思路，重新建構(gòu)“機械能守恒定律”教學(xué).

關(guān)鍵詞：科學(xué)方法教學(xué)設(shè)計科學(xué)方法教育

收稿日期：(2015-01-04)

1教材科學(xué)方法因素分析

人教版教材先就物體沿光滑曲面滑下的情況運用演繹推理方法，得出重力勢能和動能轉(zhuǎn)化過程中，機械能是守恒的.再用類比方法建構(gòu)機械能守恒定律的條件和內(nèi)容.該教學(xué)思路不利于學(xué)生理解機械能守恒的條件.本案例先從守恒條件演繹出問題情境，然后讓學(xué)生圍繞問題進行探究，最后用歸納法得出機械能守恒的條件和內(nèi)容.

2教學(xué)目標

(1)知道機械能的各種形式，能夠分析動能與勢能之間的相互轉(zhuǎn)化問題.

(2)能夠根據(jù)動能定理和重力做功與重力勢能變化的關(guān)系，推導(dǎo)出機械能守恒，從具體問題情境中歸納出機械能守恒的條件.

(3)能夠在具體問題中判定機械能是否守恒，并應(yīng)用機械能守恒定律解決具體問題.

3教學(xué)設(shè)計

3.1引入新課

播放翻滾的過山車視頻，讓學(xué)生初步感受能量的轉(zhuǎn)化.

3.2教學(xué)過程

3.2.1動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化

教師活動:展示自由下落的蘋果、沿斜坡滑雪、射箭的過程、蹦床圖片，讓學(xué)生分析能量轉(zhuǎn)化情況.

設(shè)計意圖:通過具體事例把抽象的能量轉(zhuǎn)化具體化，幫助學(xué)生借助形象思維的方式有效地完成思維活動.

3.2.2機械能

根據(jù)動能和勢能的緊密聯(lián)系，概括機械能的概念和表達式.

演示實驗:如圖1所示，將用細繩懸掛的小鐵球從A點釋放，記住它在右端到達的最大高度.然后將小鐵球換成小塑料球重復(fù)前面的操作，讓學(xué)生觀察、比較實驗現(xiàn)象的差異.

圖1　小球能擺多高

設(shè)計意圖:指導(dǎo)學(xué)生從觀察實驗現(xiàn)象開始，采用比較的方法，了解機械能守恒是有條件的，引出機械能守恒條件的探討.

3.2.3機械能守恒定律

(1)探究機械能守恒的條件

1)動能和重力勢能的轉(zhuǎn)化

情境1：如圖2所示，質(zhì)量為m的小球自由下落，討論在B點和A點機械能之間的關(guān)系.

圖2　小球自由下落

學(xué)生活動:用演繹推理的方法研究兩點機械能關(guān)系.

教師活動:巡視指導(dǎo)，及時解決學(xué)生可能遇到的困難，投影推導(dǎo)過程.由A,B兩位置機械能相等，過渡到運動過程任意兩位置的機械能關(guān)系(滲透從特殊到一般的方法)，得出自由落體過程系統(tǒng)機械能守恒，啟發(fā)學(xué)生引申出守恒的條件.

情境2：跳傘員利用降落傘在空中勻速下落的過程中，分析運動過程中任意兩位置機械能的關(guān)系.

學(xué)生活動:根據(jù)機械能的概念來判斷兩位置機械能的關(guān)系.

設(shè)計意圖:應(yīng)用反證法，在分析不滿足條件的情境中，得出機械能不守恒，深化守恒條件的正確性，歸納出動能和重力勢能相互轉(zhuǎn)化時，機械能守恒的條件.

結(jié)論1：在只有重力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變.

情境3：教材第76頁圖5.8-3(圖略)所示小球在光滑曲面下滑的問題.

學(xué)生活動：應(yīng)用所得結(jié)論，先分析小球受力情況，確定各力做功情況后，判斷機械能是否守恒.然后閱讀課本推理過程及結(jié)論，理解結(jié)論1的普遍適用性.

2)探究動能與彈性勢能的轉(zhuǎn)化

情境4：光滑水平面上放一小球，小球和彈簧相連，彈簧左端固定在墻面上,如圖3所示，現(xiàn)將小球向右拉到A位置后自由釋放，觀察小球能否回到A位置，如果能回到原位置說明了什么？探討小球受力情況及各力做功情況.

圖3小球受彈力做功時運動情況

設(shè)計意圖：從“追尋守恒量”一節(jié)的理想斜面實驗得到啟示，如果物體能回到原位置則說明系統(tǒng)的能量守恒.學(xué)生通過做功情況的討論，歸納動能與彈性勢能相互轉(zhuǎn)化時，機械能守恒需滿足的條件.

學(xué)生活動：小組討論、交流后回答以上問題.

教師活動：組織學(xué)生交流、分享討論結(jié)果，概括不同小組發(fā)言情況.對發(fā)言存在的問題，教師和學(xué)生進一步共同討論，從而得出結(jié)論.

結(jié)論2：在只有彈力做功的物體系內(nèi)，動能和彈性勢能可以相互轉(zhuǎn)化，但機械能的總量保持不變.

(2)機械能守恒定律

學(xué)生總結(jié)結(jié)論1和結(jié)論2，概括機械能守恒定律的條件和內(nèi)容.

1)內(nèi)容：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，物體的動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變.

2)表達式：E2=E1或Ek2+Ep2=Ek1+Ep1.

3)守恒條件：只有重力或彈力做功.

4總結(jié)與反思

本案例是以筆者設(shè)計的一節(jié)理論探究教學(xué)為背景，首先從已有的自由落體和理想實驗知識出發(fā)，構(gòu)建問題情境讓學(xué)生感受和演繹推理機械能守恒定律，從而引申出機械能守恒條件.然后利用與條件不符的問題，進一步檢驗、深化條件的正確性，得出結(jié)論.彈力做功的情況，是通過設(shè)置模擬情境，讓學(xué)生觀察后概括出守恒條件.最后，綜合兩種情況得出機械能守恒的條件和內(nèi)容.

參 考 文 獻

1張憲魁．物理科學(xué)方法教育．青島：海洋大學(xué)出版社，2000.25

2李正福，李春密，邢紅軍．從隱性到顯性：物理科學(xué)方法教育方式的重要變革．課程·教材·教法，2010，30(12)：73

3張大昌．人教版普通高中課程標準實驗教科書必修《物理1》《物理2》的編寫思想．中學(xué)物理教學(xué)參考，2007，36(1～3)：2～5

4肖驍，邢紅軍．高中物理教學(xué)中的科學(xué)方法顯化研究．物理教師，2010，31(3):1～2