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