魏櫻
摘 要本文從教學(xué)背景、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)、教學(xué)方法、教具的選用、教學(xué)過程等幾個(gè)方面對(duì)《角動(dòng)量守恒定律》微課的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。
【關(guān)鍵詞】微課教學(xué)設(shè)計(jì);角動(dòng)量守恒定律
1 教學(xué)背景
選用教材《物理學(xué)》是由徐建中主編的,由化學(xué)工業(yè)出版社出版的教育部高職高專公共課教材?!敖莿?dòng)量守恒定律”是“剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)”這一章的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容。角動(dòng)量和動(dòng)量、能量一樣是力學(xué)中最重要的概念之一。角動(dòng)量守恒定律是自然界中的普遍規(guī)律之一,它在現(xiàn)代技術(shù)中有許多重要的應(yīng)用。學(xué)好這部分知識(shí)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的分析問題能力,探索求真精神,以及對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐教育都有重要意義。本次微課利用視頻、動(dòng)畫等現(xiàn)代化教學(xué)手段,對(duì)角動(dòng)量守恒定律做專項(xiàng)講授,希望通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí),會(huì)應(yīng)用角動(dòng)量守恒定律分析實(shí)際問題,不再覺得其抽象。
2 教學(xué)目標(biāo)
掌握角動(dòng)量守恒定律,明確守恒條件;能用角動(dòng)量守恒定律解釋相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用;培養(yǎng)學(xué)生類比學(xué)習(xí)的能力和觀察、分析解決問題的能力;通過情景模擬和討論增強(qiáng)了學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐探索規(guī)律的意識(shí);通過一些體育運(yùn)動(dòng)、航天技術(shù)與物理的結(jié)合教學(xué),激發(fā)學(xué)生的愛國主義情操和努力學(xué)習(xí)的奮斗意識(shí)。
3 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)
教學(xué)重點(diǎn):角動(dòng)量守恒定律和應(yīng)用;教學(xué)難點(diǎn):運(yùn)用角動(dòng)量守恒定律解決實(shí)際問題;教學(xué)關(guān)鍵點(diǎn):能夠在實(shí)際問題中判斷角動(dòng)量守恒定律是否適用,如果適用怎樣分析解決實(shí)際問題。
4 教學(xué)方法
講授法、討論法、多媒體教學(xué)法、設(shè)疑法、實(shí)驗(yàn)法、情景法、類比法等。
(1)由于本節(jié)知識(shí)點(diǎn)較抽象,按常規(guī)方法很易讓學(xué)生失去興趣并難以理解。所以采用多媒體教學(xué),這不僅可以提高課堂容量,更可以展示一些動(dòng)畫,更好去分析角動(dòng)量守恒定律,來提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。
(2)在講解角動(dòng)量守恒定律時(shí),設(shè)置問題激發(fā)學(xué)生求知欲,再通過播放演示實(shí)驗(yàn),學(xué)生討論并探究,重視知識(shí)形成的過程,讓學(xué)生逐步從感性上升到理性認(rèn)識(shí)來理解角動(dòng)量守恒定律。
(3)歌名猜猜看游戲,調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,同手同腳的情景模擬,活躍了課堂氣氛,提高了學(xué)習(xí)興趣。
(4)問題貫穿始終,提出問題并解答問題的過程,就是學(xué)習(xí)的過程。釋疑解惑法,加深了對(duì)新知識(shí)點(diǎn)的掌握。
5 教具的選用
茹可夫斯基凳(演示實(shí)驗(yàn));跳水運(yùn)動(dòng)員、花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員的旋轉(zhuǎn)表演(演示動(dòng)畫);《啊啊啊啊科學(xué)試驗(yàn)站——角動(dòng)量守恒定律》視頻節(jié)目;太空中陀螺實(shí)驗(yàn)視頻;被中香爐視頻;直升機(jī)螺旋槳對(duì)旋的動(dòng)畫視頻。
6 教學(xué)過程
6.1 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,引出課題。
檢查課前任務(wù)完成的情況。課前任務(wù)一:通過查閱資料,了解直升機(jī)的種類。學(xué)生①回答圖片中直升機(jī)的名稱。引出思考題一:直升機(jī)的兩幅螺旋槳,為什么會(huì)朝相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)?課前任務(wù)二:觀看《啊啊啊啊科學(xué)試驗(yàn)站——角動(dòng)量守恒定律》節(jié)目后,哪個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)你的印象最深,你思考了什么樣的問題呢?學(xué)生②提出疑問:剪斷旋轉(zhuǎn)飛輪的繩子,為什么飛輪可以繼續(xù)旋轉(zhuǎn)?學(xué)生③提出疑問:為什么陀螺可以在桌面和繩子上繼續(xù)旋轉(zhuǎn),為什么宇航員在神十做陀螺演示實(shí)驗(yàn)時(shí),效果會(huì)更加明顯?教師強(qiáng)調(diào):在本次課程的學(xué)習(xí)中,以上問題都可以一一解答。
6.2 知識(shí)點(diǎn)回顧
剛體的角動(dòng)量:
質(zhì)點(diǎn)的角動(dòng)量:
角動(dòng)量定理:
剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與剛體的質(zhì)量、質(zhì)量的分布、轉(zhuǎn)軸的位置有關(guān)。
6.3 新知識(shí)點(diǎn)講授
6.3.1 角動(dòng)量守恒定律
由剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量定理:,得角動(dòng)量守恒條件:合外力矩為零。剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量守恒定律:當(dāng)剛體所受的合外力矩為零,則剛體的角動(dòng)量保持不變。
角動(dòng)量
討論分兩種情況:I不變,剛體作勻速轉(zhuǎn)動(dòng);I發(fā)生改變,則剛體的角速度發(fā)生變化。
6.3.2 角動(dòng)量守恒定律應(yīng)用
繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體:地球近似為一剛體,地球繞自轉(zhuǎn)軸自西向東的轉(zhuǎn)動(dòng),從北極點(diǎn)上空看呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)厍蛸|(zhì)量分布一定時(shí),地球的自轉(zhuǎn)周期基本恒定。即I不變,剛體作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。但活躍的地殼運(yùn)動(dòng)如地震威力巨大,地軸移位,質(zhì)量分布改變,即可以改變地球的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,從而影響地球的自轉(zhuǎn)周期。
解答同學(xué)②疑問:播放視頻——杜海濤剪斷繩子,分析旋轉(zhuǎn)的輪子可以近似視為一剛體,當(dāng)我們剪短繩子時(shí),合外力矩=0,所以角動(dòng)量守恒。
播放視頻——茹可夫斯基凳。實(shí)驗(yàn)者坐在凳子上系好安全帶,手持啞鈴,兩臂平伸。其他人推動(dòng)轉(zhuǎn)椅,使轉(zhuǎn)椅轉(zhuǎn)動(dòng)起來,然后實(shí)驗(yàn)者收縮雙臂,可看到實(shí)驗(yàn)者和凳的轉(zhuǎn)速顯著增大。兩臂再度平伸,轉(zhuǎn)速又減慢。播放視頻——花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員旋轉(zhuǎn)表演。運(yùn)動(dòng)員往往先把手臂張開旋轉(zhuǎn),此時(shí)旋轉(zhuǎn)較慢;然后迅速將兩臂靠攏身體,旋轉(zhuǎn)加快。教師分析因?yàn)橐岳@人體中心軸轉(zhuǎn)動(dòng),合外力矩等于零,所以角動(dòng)量守恒。手臂伸展開,半徑變大,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變大,所以角速度變小。手臂收縮,半徑變小,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變小,所以角速度變大。
播放視頻——跳水運(yùn)動(dòng)員空中翻轉(zhuǎn)。在空中翻筋斗時(shí),常把身體蜷縮起來,以加大翻轉(zhuǎn)的角速度;當(dāng)接近水面時(shí),把身體展開,以利于減小轉(zhuǎn)速沿垂直方向進(jìn)入水中。
播放小球作圓周運(yùn)動(dòng)flash動(dòng)畫。教師提問:小球系于繩的一端,繩的另一端則由光滑水面上的小孔通過,下面掛一個(gè)重物。請(qǐng)問當(dāng)小球作圓周運(yùn)動(dòng)的半徑改變的時(shí)候,小球做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度怎么變呢?學(xué)生④回答——半徑增大,角速度減小,半徑減小,角速度增大。教學(xué)和學(xué)生分析:小球受到重力和支持力、繩子拉力。重力支持力是平衡力。拉力提供向心力,讓小球做圓周運(yùn)動(dòng)。但拉力對(duì)于轉(zhuǎn)軸而言,沒有產(chǎn)生力臂,因此沒有力矩,所以角動(dòng)量守恒。帶入質(zhì)點(diǎn)的角動(dòng)量公式L=mr2,因?yàn)閙不變,所以半徑增大,角速度減小,半徑減小,角速度增大。
6.3.3 工程技術(shù)上的應(yīng)用
慣性導(dǎo)航儀,也叫“定向回轉(zhuǎn)儀”,或叫“陀螺”。它是裝置在套在一起的常平架上的一個(gè)很大質(zhì)量的轉(zhuǎn)子,架上的兩個(gè)圓環(huán)具有豎直軸和水平軸。由于高度潤滑,因此不會(huì)受到任何力矩作用。所以根據(jù)角動(dòng)量守恒定律,它對(duì)空間的指向不變。因此在輪船、飛機(jī)、導(dǎo)彈或宇宙飛船上安裝此系統(tǒng)能起導(dǎo)航作用。
播放視頻——《啊啊啊啊科學(xué)試驗(yàn)站——角動(dòng)量守恒定律》節(jié)目中陀螺在桌面和繩子上旋轉(zhuǎn),解答同學(xué)③、同學(xué)④疑問。陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)后,放在水平桌面上或者繩子上,都因?yàn)闈M足合外力矩為零,所以角動(dòng)量守恒。因此繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
播放視頻——在神十上宇航員王亞平做的“陀螺實(shí)驗(yàn)”,解答同學(xué)④疑問。因?yàn)楫?dāng)合外力矩為零時(shí),角動(dòng)量守恒。即使宇航員施加了力,也沒有產(chǎn)生持續(xù)的力矩,旋轉(zhuǎn)的陀螺的轉(zhuǎn)軸不會(huì)發(fā)生很大的改變。而在地面上會(huì)受到摩擦阻力的干擾,轉(zhuǎn)速會(huì)越來越低,所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)很難在地面上完成。
被中香爐,又叫臥褥香爐,是西漢時(shí)期丁緩制造。我國早在《西京雜記》上就有記載。它就用了常平架,因而“環(huán)轉(zhuǎn)四周,而爐體常平”,顯示出非凡的技巧。
6.3.4 質(zhì)點(diǎn)系的角動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用
質(zhì)點(diǎn)系的角動(dòng)量守恒定律的條件:合外力矩為零。對(duì)于幾個(gè)物體所組成的系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)合外力矩為零時(shí),則該系統(tǒng)角動(dòng)量守恒。如果系統(tǒng)原來是靜止的,則角動(dòng)量為零。而當(dāng)內(nèi)力使系統(tǒng)的一部分轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),另一部分也必會(huì)沿相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng),而系統(tǒng)的總角動(dòng)量仍保持為零。
解釋課前提出的思考題:直升機(jī)的兩幅螺旋槳,為什么會(huì)朝相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)?因?yàn)楫?dāng)直升機(jī)上方的旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),它必然會(huì)引起機(jī)身的反向打轉(zhuǎn),來保持角動(dòng)量為零,而直升機(jī)側(cè)向的尾槳可以提供水平力,來保證機(jī)身不打轉(zhuǎn)。魚雷在其尾部也裝有對(duì)旋螺旋槳,其目的也是為了消除單螺旋槳造成魚雷自身的反轉(zhuǎn)問題。
音樂欣賞游戲——猜歌名《同手同腳》,由同學(xué)表演動(dòng)作。討論為什么同手同腳地走路或跑步會(huì)使人覺得別扭呢?這是因?yàn)槿嗽谂懿交蜃呗愤^程中,左腳向前跨出時(shí),右臂必須同時(shí)向前擺出,才不至于使整個(gè)軀干向右旋轉(zhuǎn)。隨著閉合腿的運(yùn)動(dòng),軀干的上端(肩)和下端(髖)彼此向相反方向扭轉(zhuǎn),而軀干的中端和頭部則大體保持在原來位置上,這樣可以使整個(gè)身體對(duì)于豎直軸的角動(dòng)量為零。
6.3.5 自然界中存在多種守恒定律
角動(dòng)量守恒定律是自然界普遍成立的最重要、最基本的定理之一。角動(dòng)量守恒定律是自然界獨(dú)立存在的基本定律,不包含在動(dòng)量守恒或能量守恒定律中。大至宇宙天體、小至基本粒子,迄今還未發(fā)現(xiàn)角動(dòng)量守恒不成立的情況。自然界中存在著多種守恒定律:動(dòng)量守恒定律、角動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律、電荷守恒定律等。
守恒定律被無數(shù)事實(shí)證明了是描述自然界的一種客觀規(guī)律,它深刻反應(yīng)了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)“變中有不變”的內(nèi)在規(guī)律。在處理問題時(shí),對(duì)于一個(gè)待研究的物理過程,首先看其是否符合守恒條件,如果滿足合外力矩為零的守恒條件,可以只需考慮初態(tài)和末態(tài),不必考慮中間過程,大大簡化解決問題的過程。
6.4 知識(shí)點(diǎn)小結(jié)
角動(dòng)量守恒定律和角動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用。
6.5 布置課后作業(yè)
(1)為什么貓從高處落下時(shí),總能四腳著地?
(2)利用角動(dòng)量守恒定律導(dǎo)出開普勒第二定律,即行星對(duì)太陽的矢徑在相同的時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等。
參考文獻(xiàn)
[1]徐建中.物理學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:110-112.
作者單位
南京科技職業(yè)學(xué)院基礎(chǔ)部 江蘇省南京市 210048