“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)設(shè)計(jì)分析

蔡杰

[摘 要]機(jī)械能守恒定律是高中物理的重要內(nèi)容，是能量法解決力學(xué)問(wèn)題的重要規(guī)律。文章結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，對(duì)機(jī)械能守恒定律的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析探討。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械能守恒；教學(xué)設(shè)計(jì)；規(guī)律歸納；簡(jiǎn)單應(yīng)用

[中圖分類(lèi)號(hào)] G633.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 16746058（2017）32004202

“機(jī)械能守恒定律”一直是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，不少學(xué)生對(duì)機(jī)械能守恒定律及其守恒條件理解把握不準(zhǔn)。筆者從實(shí)際教學(xué)出發(fā)，對(duì)該節(jié)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整和設(shè)計(jì)，與大家分享。

一、分析具體實(shí)例中勢(shì)能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化

播放視頻：①蕩秋千；②射箭。

師：蕩秋千和射箭的過(guò)程中，動(dòng)能和勢(shì)能是怎樣轉(zhuǎn)化的？通過(guò)什么方式實(shí)現(xiàn)？

生：小孩在下降過(guò)程中，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；在上升過(guò)程中，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能。箭被射出去的過(guò)程中，彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。動(dòng)能、勢(shì)能（重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能）統(tǒng)稱為機(jī)械能。通過(guò)重力或彈簧彈力做功，機(jī)械能可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。

二、尋找動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化過(guò)程中所遵循的規(guī)律

1.動(dòng)能和重力勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)化

（1）實(shí)驗(yàn)1.擺球?qū)嶒?yàn)

將小鋼球用細(xì)線懸掛起來(lái)，把小球拉到一定高度的A點(diǎn)，然后放開(kāi)，讓小球在同一平面內(nèi)擺動(dòng)，觀察小球所達(dá)到的最大高度。

在某個(gè)位置P擋住懸線，看一看這種情況下小球所能達(dá)到的最大高度。將小鋼球換成泡沫球，再次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

師：

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是什么？實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了什么？

小球受哪些力？哪些力做功？

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，說(shuō)說(shuō)動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化過(guò)程中所遵循的規(guī)律，可提出怎樣的猜想？

生：小鋼球能到達(dá)的最高處與釋放處是等高的，說(shuō)明小鋼球在擺動(dòng)的過(guò)程中某一物理量不變。泡沫球到達(dá)的高度越來(lái)越低。

小鋼球受重力和繩子的彈力作用，但只有重力做功。泡沫球受重力、繩子的彈力和空氣阻力，除了重力做功外，還有空氣阻力做功。

在只有重力做功時(shí)，小鋼球的機(jī)械能保持不變。

（2）理論推導(dǎo)

一個(gè)質(zhì)量為m的小球沿著光滑的曲面滑下，在A點(diǎn)時(shí)速度為v1，高度為h1；在B點(diǎn)時(shí)速度為v2，高度為h2。選擇地面為參考平面，請(qǐng)比較小球在A、B處的機(jī)械能大小。

師：根據(jù)動(dòng)能定理寫(xiě)出小球從A到B的過(guò)程中，合力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系。

寫(xiě)出小球在A點(diǎn)的機(jī)械能E1和B點(diǎn)的機(jī)械能E2。

比較小球在A點(diǎn)和B點(diǎn)的機(jī)械能，能得到什么結(jié)論？

所以，在只有重力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能和重力勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。

2.動(dòng)能和彈性勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)化

實(shí)驗(yàn)2.水平彈簧振子實(shí)驗(yàn)

利用氣墊導(dǎo)軌做彈簧振子實(shí)驗(yàn)，用軟彈簧連接滑塊，將滑塊拉離平衡位置后放手，觀察滑塊的振動(dòng)范圍。

師：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是什么？實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了什么？

滑塊受哪些力？哪些力做功？

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，說(shuō)說(shuō)動(dòng)能和彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化過(guò)程中所遵循的規(guī)律，可得到怎樣的結(jié)論？

生：滑塊可以回到原來(lái)釋放的初始位置，說(shuō)明滑塊在滑動(dòng)過(guò)程中遵循著某一個(gè)物理量的守恒規(guī)律。

滑塊受重力和彈簧彈力作用，但只有彈簧彈力做功。

在只有彈簧彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與彈性勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。

3.動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)化

實(shí)驗(yàn)3.傾斜彈簧振子實(shí)驗(yàn)

將氣墊導(dǎo)軌一端墊起，重復(fù)實(shí)驗(yàn)2。

師：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是什么？實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了什么？

滑塊受哪些力？哪些力做功？

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，說(shuō)說(shuō)動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化過(guò)程中所遵循的規(guī)律，可得到怎樣的結(jié)論？

生：滑塊可以回到原來(lái)釋放的初始位置，說(shuō)明滑塊在滑動(dòng)過(guò)程中遵循著某一個(gè)物理量的守恒規(guī)律。

滑塊受重力和彈簧彈力作用，在只有重力和彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。

筆者認(rèn)為，由于有第1種情況作為基礎(chǔ)，學(xué)生是可以理解第2、3種情況的，所以不需要理論推導(dǎo)。

三、機(jī)械能守恒定律的歸納

結(jié)合前面的三種情況中，對(duì)規(guī)律的總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生歸納守恒定律，應(yīng)讓學(xué)生在充分理解事物的本質(zhì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，切不可把規(guī)律的內(nèi)容生硬地灌輸給學(xué)生。這樣做學(xué)生不可能理解規(guī)律的真正含義。

師：機(jī)械能守恒的內(nèi)容，請(qǐng)同學(xué)們做進(jìn)一步的說(shuō)明。

生：對(duì)單個(gè)物體，重力勢(shì)能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，而機(jī)械能保持不變。

對(duì)水平放置的彈簧和物體構(gòu)成的系統(tǒng)，彈性勢(shì)能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，而機(jī)械能保持不變。

對(duì)非水平放置的彈簧和物體構(gòu)成的系統(tǒng)，重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，而機(jī)械能保持不變。

師：守恒的條件是什么？

生：對(duì)單個(gè)物體，只有重力做功。

對(duì)水平放置的彈簧和物體構(gòu)成的系統(tǒng)，只有彈簧彈力做功。

對(duì)非水平放置的彈簧和物體構(gòu)成的系統(tǒng)，只有重力和彈簧彈力做功。

重力勢(shì)能的減少等于動(dòng)能的增加，用這種方法解題不用確定零勢(shì)能面。

在這節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)中，可把機(jī)械能守恒分為三種情況。

①只有重力做功時(shí)，單個(gè)物體的動(dòng)能和重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，但動(dòng)能和重力勢(shì)能的和（機(jī)械能）不變。

②只有彈簧對(duì)物體做功時(shí)，水平方向的彈簧與物體所構(gòu)成的系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能和彈性勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，但動(dòng)能和彈性勢(shì)能的和（機(jī)械能）不變。

③只有重力和彈簧的彈力做功時(shí)，彈簧與物體所構(gòu)成的系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，但動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能的和（機(jī)械能）不變。

（責(zé)任編輯 易志毅）