基于物理建模的《重力勢(shì)能》教學(xué)設(shè)計(jì)

談馬平

摘 要：重力勢(shì)能概念的抽象性導(dǎo)致重力勢(shì)能教學(xué)邏輯存有缺陷，本文從物理建模的角度將《重力勢(shì)能》這一節(jié)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。從生活實(shí)際例子出發(fā)，應(yīng)用物理知識(shí)，借力于數(shù)學(xué)工具，按科學(xué)研究方法進(jìn)行物理建模，建構(gòu)概念的發(fā)展過程。本文選取學(xué)生感到困難、老師容易忽略的“影響重力勢(shì)能大小的因素”作為難點(diǎn)進(jìn)行突破并收到了很好的效果。

關(guān)鍵詞：物理建模；重力勢(shì)能；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）4-0031-5

1 教材分析

《重力勢(shì)能》是人教版高中《物理》必修2第七章《機(jī)械能守恒定律》的第四節(jié)，也是本章的基礎(chǔ)知識(shí)之一。學(xué)生前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了功的概念和計(jì)算方法，本章從重力做功和重力勢(shì)能的變化過程開始討論功和能的關(guān)系。本節(jié)討論的是有關(guān)重力勢(shì)能的問題，而解決重力勢(shì)能離不開重力做功。

本節(jié)教材首先提出重力勢(shì)能的基本定義，指出物體由于被舉高而具有的能是重力勢(shì)能，接著引出在物體被舉高的過程中，伴隨著重力做功，然后通過分析重力做功與路徑無關(guān)的特點(diǎn)，推導(dǎo)得出重力勢(shì)能的表達(dá)式。對(duì)于物體沿任意曲線運(yùn)動(dòng)的情況，可以加深對(duì)極限微元思想的認(rèn)識(shí)。最后，教材又安排了重力勢(shì)能的相對(duì)性以及重力勢(shì)能是物體與地球系統(tǒng)共有的特點(diǎn)這部分知識(shí)，以便完善和加深學(xué)生對(duì)重力勢(shì)能的理解。本節(jié)的講解思路也為學(xué)生以后學(xué)習(xí)電勢(shì)能、分子勢(shì)能打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，因此這一部分內(nèi)容具有重要的承上啟下的作用。

2 學(xué)情分析

2.1 思維基礎(chǔ)

高一學(xué)生開始從感性認(rèn)識(shí)向理性認(rèn)識(shí)過渡，從具體思維向抽象思維過渡，但思維還是與感性經(jīng)驗(yàn)直接聯(lián)系，仍需具體形象的圖片來支持。

2.2 知識(shí)基礎(chǔ)

學(xué)生在初中時(shí)已接觸過重力勢(shì)能的概念并且已學(xué)習(xí)了功的概念和計(jì)算方法，在此要定量地學(xué)習(xí)重力勢(shì)能并體驗(yàn)建立過程，通過重力做功的計(jì)算來判斷重力勢(shì)能的變化。

2.3 能力基礎(chǔ)

學(xué)生對(duì)EP=mgh會(huì)進(jìn)行公式化處理，出現(xiàn)只認(rèn)公式不認(rèn)理的現(xiàn)象，研究探索、質(zhì)疑提問能力還比較薄弱。

3 教學(xué)策略選擇與設(shè)計(jì)

《重力勢(shì)能》一節(jié)是高中第一次定量地研究能量，它在教材中的地位是不言而喻的，它的研究方法將會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義。在發(fā)現(xiàn)規(guī)律、提出物理量表達(dá)式的過程中，既要得到結(jié)論，又要知道結(jié)論是怎樣得出的，這一節(jié)內(nèi)容就很好地體現(xiàn)了這一點(diǎn)。對(duì)于能量是如何定義的或量度的，是這節(jié)課首先要解決的問題。本節(jié)課主要從以下兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 揭示重力勢(shì)能的基本特征

通過對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的分析，引導(dǎo)學(xué)生討論重力勢(shì)能的基本特征和量化重力勢(shì)能的條件：一是重力勢(shì)能的變化與重力做功存在直接的因果關(guān)系；二是只有當(dāng)重力做功與路徑無關(guān)時(shí)，我們才能通過從重力做功的計(jì)算量化某一位置的重力勢(shì)能；三是重力勢(shì)能只與物體對(duì)地的相對(duì)位置有關(guān)，即確定位置有確定的勢(shì)能。

3.2 領(lǐng)悟合乎科學(xué)性和邏輯性的探究思路

抓住事物的外在表現(xiàn)特征進(jìn)行探究得出結(jié)論，是一種科學(xué)的探究思想，所以按重力勢(shì)能的特征探究能使探究的思路變得清晰順暢而具有邏輯性。

首先，將勢(shì)能的一般含義與生活中的演示實(shí)驗(yàn)結(jié)合，猜想重力勢(shì)能與什么因素有關(guān)（mg、h）→重力勢(shì)能的基本特征1（物體的高度越高，質(zhì)量越大，重力勢(shì)能越大）→按特征1確定方案1用筷子插入細(xì)沙的深度來尋找規(guī)律→發(fā)現(xiàn)重力勢(shì)能的基本特征2（重力勢(shì)能的變化與重力做功存在因果關(guān)系）→按特征2確定方案2（從重力做功的計(jì)算考慮）→發(fā)現(xiàn)重力做功與路徑無關(guān)，符合特征3（即勢(shì)能的引入條件）→揭示mgh的特殊意義，定義重力勢(shì)能表達(dá)式→建立重力做功與重力勢(shì)能的變化關(guān)系。

4 教學(xué)目標(biāo)

4.1 知識(shí)與技能

（1）理解重力勢(shì)能的概念，會(huì)用重力勢(shì)能的定義進(jìn)行計(jì)算；

（2）理解重力做功與重力勢(shì)能的關(guān)系，知道重力做功與路徑無關(guān)；

（3）知道重力勢(shì)能的值是相對(duì)的，理解重力勢(shì)能正負(fù)號(hào)的含義。

4.2 過程與方法

（1）通過控制變量法、實(shí)驗(yàn)觀察法得到影響重力勢(shì)能的因素；

（2）體會(huì)用“實(shí)驗(yàn)法”和“理論推導(dǎo)”相互驗(yàn)證問題的方法；

（3）通過所學(xué)功的概念推導(dǎo)重力做功與路徑的關(guān)系，親身感受知識(shí)的建立過程。

4.3 情感、態(tài)度與價(jià)值觀

通過對(duì)生活中有關(guān)物理現(xiàn)象的觀察，感受從現(xiàn)象到本質(zhì)得到物理結(jié)論的方法。

5 教學(xué)重難點(diǎn)

5.1 教學(xué)重點(diǎn)

（1）重力勢(shì)能概念的得出；

（2）重力做功跟物體重力勢(shì)能改變的關(guān)系。

5.2 教學(xué)難點(diǎn)

如何探究影響重力勢(shì)能大小的因素。

6 教學(xué)過程（如表1）

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[4]任虎虎.基于原始物理問題建構(gòu)理想化模型[J].物理教學(xué)探討，2017，35（2）：41-44.（欄目編輯 鄧 磊）