趙祥莉 王志紅 徐平川 張駿宇

摘 要：本文從概念教學(xué)和概念定義為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了動能和重力勢能的相互關(guān)系。結(jié)果表明動能和勢能在變化過程中總量保持不變，從而得到機(jī)械能的概念定義及機(jī)械能守恒定律。

關(guān)鍵詞：機(jī)械能守恒定律；教學(xué)設(shè)計(jì)；概念教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）7-0034-3

1 教材分析和學(xué)情分析

機(jī)械能守恒定律屬于物理規(guī)律教學(xué)，是對功能關(guān)系的進(jìn)一步認(rèn)識，是學(xué)生理解能量轉(zhuǎn)化與守恒的鋪墊。教材從理論推導(dǎo)的過程中強(qiáng)調(diào)學(xué)生對動能定理和功能關(guān)系的理解。學(xué)生經(jīng)過勢能、動能定理的學(xué)習(xí)，基本掌握了重力、彈力做功及相應(yīng)的勢能。而分析歸納能力還需進(jìn)一步提高，守恒的思想尚需強(qiáng)化。

人教版教材首先以演示實(shí)驗(yàn)“小球能擺多高”，說明動能與重力勢能之間是可以相互轉(zhuǎn)化的，同理彈性勢能也可以與動能相互轉(zhuǎn)化，從而定義機(jī)械能。接著以動能與重力勢能的相互轉(zhuǎn)化為例，討論動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化存在什么樣的定量關(guān)系。在教材中討論了只有重力做功的情況，讓物體沿光滑曲面滑下，運(yùn)用動能定理和重力做功與重力勢能的關(guān)系，理論推導(dǎo)出總的機(jī)械能不變的規(guī)律。最后，推廣到在只有彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，機(jī)械能也不變，總結(jié)得出機(jī)械能守恒定律[1]。

教材編排存在四點(diǎn)不足。一是在機(jī)械能定義時(shí)，忽視了科學(xué)概念定義的基本方法；二是忽略了能量守恒定律的學(xué)習(xí)放在機(jī)械能守恒定律之后；三是忽略守恒是全過程一直保持不變，教材的舉例“物體沿光滑曲面下滑”只涉及初、末位置的守恒，并不能完全體現(xiàn)全過程[2]；四是缺乏對機(jī)械能守恒條件的認(rèn)識。本文對該節(jié)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過程進(jìn)行了合理優(yōu)化。

2 教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)重難點(diǎn)

物理核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力?；趯诵乃仞B(yǎng)的理解，設(shè)計(jì)了如下的教學(xué)目標(biāo)。

首先，從概念入手使學(xué)生理解科學(xué)概念的基本方法，知道機(jī)械能是表示動能與勢能之和；理解物體在整個(gè)運(yùn)動過程中總的機(jī)械能保持不變的規(guī)律為機(jī)械能守恒定律，深化學(xué)生對能量觀念的認(rèn)識。其次，通過構(gòu)建自由落體運(yùn)動這一過程模型，引導(dǎo)學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，歸納總結(jié)動能和勢能的關(guān)系，得出機(jī)械能的定義和機(jī)械能守恒定律；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析，猜想機(jī)械能守恒是否需要條件；通過實(shí)驗(yàn)對比探究，從功能關(guān)系出發(fā)理解本節(jié)課的難點(diǎn)，即機(jī)械能守恒的條件。

3 教學(xué)過程

為適應(yīng)高一學(xué)生的認(rèn)知和思維發(fā)展水平，本節(jié)課主要采用講授法和實(shí)驗(yàn)法，結(jié)合討論法和歸納法。通過創(chuàng)設(shè)物理情景引導(dǎo)學(xué)生觀察思考，歸納總結(jié)得出概念和規(guī)律。教學(xué)設(shè)計(jì)如下。

3.1 創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)物理概念的情景

播放運(yùn)動員跳高和U型滑板這兩個(gè)體育競賽視頻，創(chuàng)設(shè)完整的教學(xué)情景，引發(fā)學(xué)生思考：視頻展示的運(yùn)動過程中，動能和勢能如何變化？

3.2 引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維方法建立物理概念

3.2.1 定性實(shí)驗(yàn)演示，加強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識

實(shí)驗(yàn)1 如圖1所示，教師演示實(shí)驗(yàn)，將水平彈簧振子上的物體拉至左刻度處由靜止釋放，讓學(xué)生有目的地觀察物體運(yùn)動的過程，觀看物體能否回到原來的位置。總結(jié)得出在僅有彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動能和彈性勢能之間的變化關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)2 如圖2所示，教師演示實(shí)驗(yàn)，把小剛球拉至等高線一側(cè)，由靜止釋放小球。引導(dǎo)學(xué)生觀察小鋼球在運(yùn)動的過程中，能否回到原來的高度？分析動能與重力勢能的變化。通過這兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和問題意識，將問題引向深入：動能和重力勢能到底有什么定量關(guān)系？

定性分析動能的增加或減少總伴隨著勢能的減少或者增加，為接下來通過實(shí)驗(yàn)定量探究兩者之間的關(guān)系作鋪墊。

3.2.2 定量實(shí)驗(yàn)探究，體現(xiàn)全過程守恒思想

實(shí)驗(yàn)3 （介紹實(shí)驗(yàn)教具與實(shí)驗(yàn)原理）如圖3所示，通過攝像機(jī)緩慢拍攝質(zhì)量為m的鐵片在真空管中自由下落的整個(gè)過程，管子后方貼有標(biāo)尺，旁邊放上計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)毫秒儀用于計(jì)時(shí)。截取時(shí)間間隔為0.05 s的7個(gè)位置圖片，每個(gè)點(diǎn)的位置如圖4所示。計(jì)算出中間5個(gè)點(diǎn)的速度，得出其相應(yīng)位置的動能。設(shè)位置E為零勢能點(diǎn)，取南充地區(qū)重力加速度為9.76 m/s2，由Ep=mgh計(jì)算得出這些點(diǎn)的重力勢能。結(jié)果如表1所示。

引導(dǎo)學(xué)生分析表格數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論：隨著物體自由下落，重力勢能不斷減小，動能不斷增加，且在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，重力勢能和動能之和為定值。接著表明：對只有彈力做功的系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)彈性勢能和動能之和也保持不變。由于勢能和動能的這種定量關(guān)系，結(jié)合概念的外延定義法[3]定義機(jī)械能：動能和勢能之和，常用字母E表示。由此突出教學(xué)重點(diǎn)，得到機(jī)械能守恒定律：在只有重力或彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，隨著勢能的變化，其動能也發(fā)生相應(yīng)的變化，而總的機(jī)械能保持不變。

這樣構(gòu)建自由落體模型，將看得見的高度和速度的變化轉(zhuǎn)化為守恒量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，形成了機(jī)械能概念定義的科學(xué)基礎(chǔ)。根據(jù)概念定義的基本方法——外延定義法，定義機(jī)械能來表征由于運(yùn)動而具有的能量，從而得出機(jī)械能守恒定律。由于表格中間三個(gè)點(diǎn)的動能與重力勢能之和是逐漸減小的，說明物體的機(jī)械能逐漸減少，這就是受到器材的限制，牛頓管并不是完全真空的，存在空氣阻力的影響。基于這樣的數(shù)據(jù)分析，猜想機(jī)械能守恒是否需要條件，為下一步使用自制小教具探究機(jī)械能守恒的條件作鋪墊。

3.3 選擇具體問題，運(yùn)用物理概念

實(shí)驗(yàn)4 把小鋼球和乒乓球拉至等高線，由靜止釋放小球。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察小鋼球和乒乓球在擺動的過程中的位置。畫出小鋼球和乒乓球的受力示意圖，分析它們分別受到了哪些力。

教師發(fā)揮主導(dǎo)作用，引導(dǎo)學(xué)生用準(zhǔn)確的物理語言回答問題，并分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。如圖5所示，對于小鋼球：它能回到原來的位置，過程中小鋼球的機(jī)械能守恒。運(yùn)動過程中小鋼球受到重力、拉力和空氣阻力，重力和空氣阻力做功，但由于空氣阻力與小鋼球重力相比要小很多，故可以忽略阻力做功，小鋼球的機(jī)械能守恒。如圖6所示，對于乒乓球，它略低于原來的位置。可見，乒乓球的機(jī)械能在減小。在這過程中乒乓球也受到重力、拉力以及空氣阻力，但乒乓球所受重力很小，空氣阻力不能忽略，做負(fù)功，乒乓球的機(jī)械能減小。

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)小鋼球和乒乓球的對比實(shí)驗(yàn)：只有重力做功時(shí)，物體的機(jī)械能才保持不變。同樣，只有彈力做功時(shí)，物體的機(jī)械能不變。

應(yīng)用自制的實(shí)驗(yàn)教具幫助學(xué)生突破難點(diǎn)：從能的轉(zhuǎn)化和功能關(guān)系出發(fā)理解機(jī)械能守恒的條件；系統(tǒng)內(nèi)可以受其他力的作用，只是除了重力或者彈力做功外，其他力不做功，從而強(qiáng)化學(xué)生對機(jī)械能守恒定律的理解。

4 總結(jié)與反思

以上設(shè)計(jì)中，采用視頻片段和課堂演示實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)多個(gè)學(xué)生熟悉的物理情景，并與自由落體運(yùn)動相結(jié)合，利用攝像機(jī)的緩慢拍攝功能得到相同時(shí)間間隔內(nèi)鐵片的位置，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用定量探究的方法，總結(jié)、構(gòu)建機(jī)械能的概念。學(xué)生利用測量數(shù)據(jù)和其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過分析得出機(jī)械能守恒定律。另外，在具體問題中并沒有選擇以純理論性的習(xí)題來鞏固知識，而是選擇了課堂演示實(shí)驗(yàn)，通過情境深化讓學(xué)生學(xué)會從功能關(guān)系出發(fā)理解機(jī)械能守恒的條件。這種情景的創(chuàng)設(shè)，有利于學(xué)生將機(jī)械能守恒定律應(yīng)用于不同的物理情景，提高解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心. 物理2必修[M]. 北京：人民教育出版社，2006：75-78.

[2]魯世明. 科學(xué)探究“守恒定律”提高物理核心素養(yǎng)——以“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)設(shè)計(jì)為例[J].物理教學(xué)探討，2017，35（6）：31-35.

[3]楊建軍.高中物理概念的定義方法和物理量的教學(xué)策略初探[J].基礎(chǔ)教育研究，2013（12）：46-47.

（欄目編輯 鄧 磊）