基于概念教學的機械能守恒定律的優(yōu)化設計

趙祥莉 王志紅 徐平川 張駿宇

摘 要：本文從概念教學和概念定義為切入點，引導學生通過實驗的方法研究了動能和重力勢能的相互關系。結果表明動能和勢能在變化過程中總量保持不變，從而得到機械能的概念定義及機械能守恒定律。

關鍵詞：機械能守恒定律；教學設計；概念教學

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

1 教材分析和學情分析

機械能守恒定律屬于物理規(guī)律教學，是對功能關系的進一步認識，是學生理解能量轉化與守恒的鋪墊。教材從理論推導的過程中強調(diào)學生對動能定理和功能關系的理解。學生經(jīng)過勢能、動能定理的學習，基本掌握了重力、彈力做功及相應的勢能。而分析歸納能力還需進一步提高，守恒的思想尚需強化。

人教版教材首先以演示實驗“小球能擺多高”，說明動能與重力勢能之間是可以相互轉化的，同理彈性勢能也可以與動能相互轉化，從而定義機械能。接著以動能與重力勢能的相互轉化為例，討論動能與勢能的相互轉化存在什么樣的定量關系。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，運用動能定理和重力做功與重力勢能的關系，理論推導出總的機械能不變的規(guī)律。最后，推廣到在只有彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，機械能也不變，總結得出機械能守恒定律[1]。

教材編排存在四點不足。一是在機械能定義時，忽視了科學概念定義的基本方法；二是忽略了能量守恒定律的學習放在機械能守恒定律之后；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]；四是缺乏對機械能守恒條件的認識。本文對該節(jié)教學內(nèi)容和教學過程進行了合理優(yōu)化。

2 教學目標和教學重難點

物理核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力?；趯诵乃仞B(yǎng)的理解，設計了如下的教學目標。

首先，從概念入手使學生理解科學概念的基本方法，知道機械能是表示動能與勢能之和；理解物體在整個運動過程中總的機械能保持不變的規(guī)律為機械能守恒定律，深化學生對能量觀念的認識。其次，通過構建自由落體運動這一過程模型，引導學生對數(shù)據(jù)進行定量分析，歸納總結動能和勢能的關系，得出機械能的定義和機械能守恒定律；根據(jù)實驗數(shù)據(jù)誤差分析，猜想機械能守恒是否需要條件；通過實驗對比探究，從功能關系出發(fā)理解本節(jié)課的難點，即機械能守恒的條件。

3 教學過程

為適應高一學生的認知和思維發(fā)展水平，本節(jié)課主要采用講授法和實驗法，結合討論法和歸納法。通過創(chuàng)設物理情景引導學生觀察思考，歸納總結得出概念和規(guī)律。教學設計如下。

3.1 創(chuàng)設學習物理概念的情景

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

3.2 引導學生運用科學思維方法建立物理概念

3.2.1 定性實驗演示，加強學生的感性認識

實驗1 如圖1所示，教師演示實驗，將水平彈簧振子上的物體拉至左刻度處由靜止釋放，讓學生有目的地觀察物體運動的過程，觀看物體能否回到原來的位置?？偨Y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系。

實驗2 如圖2所示，教師演示實驗，把小剛球拉至等高線一側，由靜止釋放小球。引導學生觀察小鋼球在運動的過程中，能否回到原來的高度？分析動能與重力勢能的變化。通過這兩個演示實驗培養(yǎng)學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，為接下來通過實驗定量探究兩者之間的關系作鋪墊。

3.2.2 定量實驗探究，體現(xiàn)全過程守恒思想

實驗3 （介紹實驗教具與實驗原理）如圖3所示，通過攝像機緩慢拍攝質(zhì)量為m的鐵片在真空管中自由下落的整個過程，管子后方貼有標尺，旁邊放上計時計數(shù)毫秒儀用于計時。截取時間間隔為0.05 s的7個位置圖片，每個點的位置如圖4所示。計算出中間5個點的速度，得出其相應位置的動能。設位置E為零勢能點，取南充地區(qū)重力加速度為9.76 m/s2，由Ep=mgh計算得出這些點的重力勢能。結果如表1所示。

引導學生分析表格數(shù)據(jù)，得到實驗結論：隨著物體自由下落，重力勢能不斷減小，動能不斷增加，且在實驗誤差允許的范圍內(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)，實驗發(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系，結合概念的外延定義法[3]定義機械能：動能和勢能之和，常用字母E表示。由此突出教學重點，得到機械能守恒定律：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)生相應的變化，而總的機械能保持不變。

這樣構建自由落體模型，將看得見的高度和速度的變化轉化為守恒量的實驗數(shù)據(jù)，形成了機械能概念定義的科學基礎。根據(jù)概念定義的基本方法——外延定義法，定義機械能來表征由于運動而具有的能量，從而得出機械能守恒定律。由于表格中間三個點的動能與重力勢能之和是逐漸減小的，說明物體的機械能逐漸減少，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?；谶@樣的數(shù)據(jù)分析，猜想機械能守恒是否需要條件，為下一步使用自制小教具探究機械能守恒的條件作鋪墊。

3.3 選擇具體問題，運用物理概念

實驗4 把小鋼球和乒乓球拉至等高線，由靜止釋放小球。教師引導學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)揮主導作用，引導學生用準確的物理語言回答問題，并分析實驗現(xiàn)象。如圖5所示，對于小鋼球：它能回到原來的位置，過程中小鋼球的機械能守恒。運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，小鋼球的機械能守恒。如圖6所示，對于乒乓球，它略低于原來的位置?？梢?，乒乓球的機械能在減小。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，做負功，乒乓球的機械能減小。

引導學生總結小鋼球和乒乓球的對比實驗：只有重力做功時，物體的機械能才保持不變。同樣，只有彈力做功時，物體的機械能不變。

應用自制的實驗教具幫助學生突破難點：從能的轉化和功能關系出發(fā)理解機械能守恒的條件；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，從而強化學生對機械能守恒定律的理解。

4 總結與反思

以上設計中，采用視頻片段和課堂演示實驗，創(chuàng)設多個學生熟悉的物理情景，并與自由落體運動相結合，利用攝像機的緩慢拍攝功能得到相同時間間隔內(nèi)鐵片的位置，引導學生運用定量探究的方法，總結、構建機械能的概念。學生利用測量數(shù)據(jù)和其他實驗結果，通過分析得出機械能守恒定律。另外，在具體問題中并沒有選擇以純理論性的習題來鞏固知識，而是選擇了課堂演示實驗，通過情境深化讓學生學會從功能關系出發(fā)理解機械能守恒的條件。這種情景的創(chuàng)設，有利于學生將機械能守恒定律應用于不同的物理情景，提高解決問題的能力。

參考文獻：

[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. 科學探究“守恒定律”提高物理核心素養(yǎng)——以“機械能守恒定律”教學設計為例[J].物理教學探討，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策略初探[J].基礎教育研究，2013（12）：46-47.

（欄目編輯 鄧 磊）