“機(jī)械能守恒定律”復(fù)習(xí)課教學(xué)目標(biāo)的確定及實(shí)施

金加團(tuán)

摘 要：機(jī)械能守恒定律是高中物理很重要的一條規(guī)律，只有新授課的學(xué)習(xí)是不完整的。只經(jīng)歷新授課學(xué)習(xí)的學(xué)生，其知識(shí)結(jié)構(gòu)單一，還不能有效解決稍復(fù)雜一些的問(wèn)題。在新授課的基礎(chǔ)上，需要通過(guò)復(fù)習(xí)課進(jìn)一步優(yōu)化學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)。本文是在高中物理“基本經(jīng)歷、基本知識(shí)、基本思想方法和基本技能”教學(xué)目標(biāo)視野下進(jìn)行的專項(xiàng)復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計(jì)嘗試。

關(guān)鍵詞：“四基”目標(biāo)；教學(xué)設(shè)計(jì)；機(jī)械能守恒定律

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）9-0073-4

機(jī)械能守恒定律是學(xué)生在對(duì)動(dòng)能和勢(shì)能有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)之后提出來(lái)的，在高中物理的能量學(xué)習(xí)中有重要的地位。從前后聯(lián)系來(lái)看，這節(jié)課的內(nèi)容有利于學(xué)生對(duì)功能關(guān)系的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。在理論推導(dǎo)的過(guò)程中，有利于強(qiáng)化學(xué)生對(duì)動(dòng)能定理的理解。從思維方式上分析，能使學(xué)生初步建立守恒的思想。并且在探究、推理過(guò)程中，有利于培養(yǎng)學(xué)生的演繹推理能力、分析歸納能力和探索發(fā)現(xiàn)能力，領(lǐng)悟物理學(xué)研究方法和提高創(chuàng)造性思維能力。通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生不難掌握機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式和運(yùn)用機(jī)械能守恒定律求解比較簡(jiǎn)單的問(wèn)題，但對(duì)具體問(wèn)題中機(jī)械能守恒條件是否滿足還有一定的困難，因此，對(duì)機(jī)械能守恒定律條件的理解是本節(jié)內(nèi)容的難點(diǎn)。運(yùn)用機(jī)械能守恒定律解答相關(guān)的問(wèn)題，這一內(nèi)容在整個(gè)高中力學(xué)中起著承前啟后的作用，在物理學(xué)理論和應(yīng)用方面十分重要，不同運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)化和守恒的思想能指引我們揭示自然規(guī)律、取得豐碩成果。但這種思想和有關(guān)的概念、規(guī)律，由于其抽象性強(qiáng)，學(xué)生不易理解、掌握，學(xué)生要真正地掌握和靈活運(yùn)用還是很困難的。因此，需要先學(xué)習(xí)比較簡(jiǎn)單的機(jī)械能守恒定律，然后再在復(fù)習(xí)課中逐步深入。

1 復(fù)習(xí)課教學(xué)目標(biāo)的確定

學(xué)生在新課階段習(xí)得的知識(shí)是局部的，與整個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)是分離的。例如，在新課學(xué)習(xí)時(shí)，雖然學(xué)生習(xí)得了機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式和條件，但如果我們仔細(xì)分析學(xué)生已有基礎(chǔ)和最終目標(biāo)定位（能解決與機(jī)械能守恒定律應(yīng)用相關(guān)問(wèn)題），我們會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生缺乏機(jī)械能守恒定律應(yīng)用的程序與規(guī)范，缺乏機(jī)械能守恒定律與其他物理規(guī)律選擇時(shí)的策略，缺乏除重力（彈力）外的其他力做功不能分析時(shí)對(duì)機(jī)械能是否守恒的判斷，還缺乏靈活選擇機(jī)械能守恒定律應(yīng)用時(shí)機(jī)的策略。

基于以上的認(rèn)識(shí)，確定機(jī)械能守恒定律的復(fù)習(xí)課的“四基”教學(xué)目標(biāo)如下：

基本經(jīng)歷：觀察小球下落后細(xì)繩繃緊實(shí)驗(yàn)，感受細(xì)繩繃緊時(shí)機(jī)械能的損失；觀察小球下落后細(xì)繩被釘子擋住實(shí)驗(yàn)，感受細(xì)繩被擋時(shí)機(jī)械能并不會(huì)損失。

基本知識(shí)：加深對(duì)機(jī)械能守恒定律的理解，能夠從總量和變化量角度表達(dá)機(jī)械能守恒定律；能區(qū)分機(jī)械能守恒定律和動(dòng)能定理的適用條件。

基本思想方法：能夠針對(duì)不同的情況選擇機(jī)械能是否守恒的判斷方法，例如，分別從除重力和彈簧彈力外其他力不做功，能量只有在動(dòng)能和勢(shì)能之間轉(zhuǎn)化，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否出現(xiàn)細(xì)繩繃緊這種導(dǎo)致機(jī)械能損失的現(xiàn)象。能夠在整個(gè)過(guò)程機(jī)械能不守恒，而局部過(guò)程機(jī)械能守恒的情況下，把握守恒時(shí)機(jī)，運(yùn)用守恒定律。

基本技能：在運(yùn)用機(jī)械能守恒定律解決問(wèn)題時(shí)，依照規(guī)定的程序進(jìn)行求解，例如，明確研究對(duì)象，進(jìn)行三分析（受力分析、運(yùn)動(dòng)分析、做功分析），列方程求解。

2 復(fù)習(xí)課教學(xué)過(guò)程

問(wèn)題情境1：如圖1所示，傾斜角為θ的斜面固定在水平面上，若表面光滑，質(zhì)量為m可視為質(zhì)點(diǎn)的物體，從斜面上高度為h處從靜止開(kāi)始下滑，求物體滑到底端的速度大小。

問(wèn)題情境2：如圖2所示，曲面固定在水平面上，若表面光滑，質(zhì)量為m可視為質(zhì)點(diǎn)的物體，從高度為h處自靜止開(kāi)始下滑，求物體滑到底端的速度大小。

展示學(xué)生的求解方法：

討論與小結(jié)：由于物體沿曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體受到的合外力是變力，無(wú)法用牛頓第二定律求得加速度。但由于曲面的支持力始終與速度方向垂直，下滑過(guò)程只有重力做功，用動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒仍能得到結(jié)果。說(shuō)明了在解決變力和曲線運(yùn)動(dòng)的物理問(wèn)題時(shí)，能量方法具有優(yōu)越性，也應(yīng)該是首選的方法。

問(wèn)題情境3：如圖3所示裝置。BC為半徑為R的圓弧軌道，豎直軌道與圓弧軌道相切于B點(diǎn)。AB間距離為h，h可調(diào)。彈珠從水平地面上A點(diǎn)豎直向上射出并能沿軌道運(yùn)動(dòng)。調(diào)節(jié)h高度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)h=2R時(shí)彈珠恰能從C點(diǎn)水平飛出。忽略一切摩擦，重力加速度為g。

（1）求彈珠從槍口射出時(shí)的速度。

（2）調(diào)節(jié)h，可以改變彈珠落點(diǎn)。試求彈珠剛好脫離軌道時(shí)彈珠落點(diǎn)離A的最遠(yuǎn)距離。

為了突出判斷機(jī)械能守恒的條件，引導(dǎo)學(xué)生思考：

①子彈從A經(jīng)B到C運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷幾個(gè)階段？有哪些力做了功？

②為了表達(dá)機(jī)械能的大小，應(yīng)該選何處為零勢(shì)能點(diǎn)？

③子彈恰好從C飛出，速度為多少？

④子彈從C飛出，做什么運(yùn)動(dòng)？水平位移與哪些物理量有關(guān)？

⑤如果不規(guī)定零勢(shì)能點(diǎn)，是否可以求解上述問(wèn)題？

討論與小結(jié)：一般來(lái)說(shuō)，運(yùn)用機(jī)械能守恒定律和牛頓第二定律解決問(wèn)題應(yīng)該遵循下列程序與規(guī)范：（1）確定研究對(duì)象和過(guò)程；（2）進(jìn)行受力和做功分析；（3）選定零勢(shì)能點(diǎn)；（4）立式求解；（5）分析結(jié)果的合理性。如果用機(jī)械能守恒定律的另一表述方式，即動(dòng)能減小量等于勢(shì)能增加量立式，求解時(shí)可以不規(guī)定零勢(shì)能點(diǎn)，具有簡(jiǎn)潔性。

運(yùn)用動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律的條件是除重力和彈簧彈力外其他力不做功，是否所有問(wèn)題中除重力和彈簧彈力外其他力做不做功都是可以通過(guò)分析確定呢？

問(wèn)題情境4：如圖4所示，在沒(méi)有彈性的棉質(zhì)細(xì)繩一端系一小鋼球，另一端固定。在固定點(diǎn)下方固定一枚釘子，拉直細(xì)繩，讓小球從某一位置靜止釋放。

問(wèn)：細(xì)繩在碰到釘子前后機(jī)械能是否守恒？

生：碰到釘子前后，細(xì)繩的拉力方向始終和小球的速度方向垂直，細(xì)繩拉力不做功，故機(jī)械能始終不變。