基于物理情景創(chuàng)設(shè)的動能定理教學(xué)設(shè)計

楊川

摘 ? 要：情景創(chuàng)設(shè)是物理概念教學(xué)的重要輔助手段。文章以動能定理的教學(xué)設(shè)計為例，通過增設(shè)實驗情景，推導(dǎo)動能定理表達(dá)式;創(chuàng)設(shè)生活情景，加深對動能定理的理解;展示社會情景，幫助學(xué)生鞏固動能定理的應(yīng)用。以期幫助學(xué)生更好地掌握動能定理的相關(guān)知識，同時也希望能為教師的教學(xué)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：動能定理;情景創(chuàng)設(shè);教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）1-0067-3

建構(gòu)主義者提出了情境性認(rèn)知的觀點，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)、知識和智慧的情境性，認(rèn)為知識是不可能脫離活動情境而抽象存在的，學(xué)習(xí)應(yīng)該與情境化的社會實踐活動結(jié)合起來[1] 。培養(yǎng)學(xué)生在真實情境中解決問題的能力，也是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要手段。

《現(xiàn)代漢語詞典》中，對“情境”的解釋為“情景;境地”，對“情景”的解釋為“（具體場合的）情形;景象”[2]。從內(nèi)涵看，情境和情景意思相近，情景可以看作情境的具體化、細(xì)節(jié)化。物理學(xué)是一門自然科學(xué)，物理研究離不開觀察和實驗，物理教學(xué)也離不開情景創(chuàng)設(shè)。教師要創(chuàng)設(shè)與物理知識相關(guān)的具體情景，帶領(lǐng)學(xué)生通過情景理解知識，通過情景掌握知識，通過實驗情景、生活情景、社會情景將書本知識的學(xué)習(xí)變成一個直觀、生動的體驗過程。學(xué)生在直接經(jīng)驗的幫助下理解間接經(jīng)驗，在教師創(chuàng)設(shè)的情景中將知識融會貫通，并熟練運用。

《動能和動能定理》是人教版必修2第七章第七節(jié)的課程內(nèi)容，課程標(biāo)準(zhǔn)對本節(jié)的要求為：理解動能的定義和推導(dǎo)動能定理，并應(yīng)用動能定理解決實際問題。由于動能定理是高中物理考綱要求的主干知識，對后面機(jī)械能守恒定律和能量守恒定律有重要的啟示和鋪墊作用，因此，筆者決定在上一節(jié)實驗課的基礎(chǔ)上，得出決定動能的相關(guān)因素——質(zhì)量與速度，再用熟悉的物理情景進(jìn)行演示實驗，探究功與動能的定量關(guān)系（推理、演繹、歸納），最后應(yīng)用動能定理。

本文以“動能和動能定理”的教學(xué)設(shè)計片段為例，介紹三種物理情景的創(chuàng)設(shè)方法，幫助學(xué)生掌握動能定理的相關(guān)知識。

1 ? ?創(chuàng)設(shè)實驗情景，推導(dǎo)動能定理表達(dá)式

教師將小車放在水平軌道上，一根細(xì)線穿過定滑輪，一端連在小車上，另一端連在鉤碼上。由于小車與軌道之間的摩擦力為滾動摩擦力，比較小，可以忽略不計，這樣水平方向就只受拉力。請同學(xué)們注意觀察這個過程，看小車做的是什么運動。然后思考：

情景一：質(zhì)量為m的小車在繩拉力F的作用下（不計阻力），沿水平軌道發(fā)生一段位移l，速度從v1增加到v2。如圖1所示，試尋求這個過程中拉力F做的功與m、v1、v2的關(guān)系？

讓學(xué)生上臺展示他的推導(dǎo)過程，老師點評。

然后開始做第二個演示實驗，教師把小車倒過來，這個時候小車與軌道之間的摩擦就不再是滾動摩擦了。請同學(xué)們注意觀察這個過程，看小車做的是什么運動。然后思考：

情景二：質(zhì)量為m的小車在繩拉力F的作用下，沿粗糙水平面運動了一段位移l，受到的摩擦力為Ff，速度從v1變?yōu)関2。如圖2所示，試尋求這個過程中合力做的功與m、v1、v2的關(guān)系？

引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)這兩個等式來猜測動能的表達(dá)式：

（1）由于前面已經(jīng)知道物體的動能跟物體質(zhì)量和速度有關(guān)，并且以上兩個等式中的mv2跟質(zhì)量和速度有關(guān)系，所以有理由相信它就是我們要找的動能表達(dá)式。

（2）我們知道做功是能量的量度，因此等式左邊是力所做的功，右邊必然是能量的變化，說明mv2應(yīng)該是一種能量，基于這一點我們更加有理由相信它就是我們要找的動能表達(dá)式。

因此得出結(jié)論，mv2就是我們要找的動能表達(dá)式。

根據(jù)情景一和情景二中分析得到的這兩個等式，提出問題：是否可以把這兩個等式統(tǒng)一起來？

發(fā)現(xiàn)情景一中，物體所受繩的拉力就是物體所受的合力，這樣就把這兩個式子統(tǒng)一起來了。然后請學(xué)生用一句話來描述這個等式想告訴我們的物理規(guī)律：物體所受的合外力就等于物體動能的變化。這樣就引出動能定理。

2 ? ?創(chuàng)設(shè)生活情景，加深對動能定理的理解

情景三：足球被踢出后的運動過程中，阻力對足球做了-5 J的功，那么在這個過程中足球的動能怎么變化？如圖3所示。

通過這道題的分析，讓學(xué)生總結(jié)出：合力對物體所做的功就是動能的量度，合力做多少功，動能就相應(yīng)變化多少。

然后，引導(dǎo)學(xué)生來探索動能定理的適用范圍：

前面在分析情景一和情景二的時候，發(fā)現(xiàn)這兩種情景中物體受到的都是恒力，并且它們的運動軌跡都是直線，那就說明動能定理適用于直線運動和恒力做功，那它適用于曲線運動和變力做功嗎？要解決這個問題，我們應(yīng)該先建立一個實際的物理模型。

首先，給學(xué)生展示一個小朋友玩滑梯的情景（如圖4），接著引導(dǎo)學(xué)生從物理的角度來分析一下小孩實際的運動特點，得出物理模型。

物理模型：小孩在變力作用下沿滑梯向下做曲線運動，那么在這個過程中動能定理成立嗎？

引導(dǎo)學(xué)生用微元法來分析這個過程并得出結(jié)論：

既適用于直線運動，也適用于曲線運動;

既適用于恒力做功，也適用于變力做功。

既然動能定理適用于曲線運動和變力做功，因此接下來我們用動能定理解決以上物理模型的問題。

情景四：根據(jù)滑梯的國家標(biāo)準(zhǔn)GB6675.11-2007，6歲至9歲的兒童滑梯安全速度小于等于22 km/h，如果一個7歲的小孩質(zhì)量m=20 kg，從靜止開始從最高點沿滑梯向下運動，最高點到最低點的高度差h=2 m，整個過程摩擦力對小孩做了-150 J的功，請判斷小孩滑到最低點時，是否安全？（g=10 m/s2）

請學(xué)生上臺求解，老師再作補(bǔ)充。首先，將滑梯上的小孩看作質(zhì)點，對其進(jìn)行受力分析。然后，對小孩從最高點到最低點的運動過程運用動能定理進(jìn)行計算。用動能定理解題時首先要明確研究對象，然后明確研究過程，這樣我們就用動能定理解決了滑梯模型。

3 ? ?展示社會情景，幫助學(xué)生鞏固動能定理的應(yīng)用

接下來請學(xué)生看我國第一艘航母遼寧艦上艦載機(jī)起飛的畫面，這標(biāo)志著我國是繼美國、俄羅斯、英國、法國之后第五個掌握艦載機(jī)技術(shù)的國家。艦載機(jī)技術(shù)之所以難以掌握，其中一點就是艦載機(jī)要通過很短的距離獲得很大的動能，這對于動力以及軌道的要求是很高的。又由于艦載機(jī)在加速過程中受到的是變力，并且做的是曲線運動，所以如果我們要研究這個過程中位移、力、動能的關(guān)系，我們就需要運用動能定理。

教師總結(jié)提升：正是由于動能定理適用于變力做功以及曲線運動，所以在解決很多實際的力學(xué)問題中，動能定理得到了廣泛的應(yīng)用。

4 ? ?總 ?結(jié)

通過上節(jié)實驗課的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以具有這樣的前概念：通過實驗得出做功與物體速度的關(guān)系W∝v2，從而初步理解了做功可以改變物體的動能。高中生的認(rèn)識規(guī)律是從感性到理性、從定性到定量，所以本節(jié)課設(shè)計了利用細(xì)繩拉動小車的運動實驗來讓學(xué)生自己推理、歸納動能和動能定理的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行情景分析，培養(yǎng)其思考和創(chuàng)新能力，效果良好。

本節(jié)課難點在于動能定理的理解和運用，通過創(chuàng)設(shè)物理情景，將抽象的物理概念、物理定義、物理公式與學(xué)生在實際中看得見、摸得著的經(jīng)驗現(xiàn)象聯(lián)系在一起，幫助學(xué)生通過情景體驗物理，通過實際情景學(xué)習(xí)物理，逐步內(nèi)化物理知識。在創(chuàng)設(shè)情景的時候，包含情景的多樣性，從實驗情景到生活情景，再推廣到社會情景;在挑選例題的時候，注重其代表性，例題內(nèi)容從恒力到變力，從直線到曲線，遵從由淺入深、層層遞進(jìn)的思路，幫助學(xué)生順利完成動能定理的學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張大均.教育心理學(xué)（第三版）[M].北京：人民教育出版社，2015：96.

[2]中國社會科學(xué)院語言研究所詞典編輯室.現(xiàn)代漢語詞典（第7版）[M].北京：商務(wù)印書館，2016：1068.

（欄目編輯 ? ?張正嚴(yán)）