《機(jī)械能守恒定律》探究式課堂教學(xué)案例

摘 要：解決高中物理問(wèn)題通常從兩方面入手，一是從“力”的角度，用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決，二是從“能”的角度，用能量守恒解決。由于牛頓運(yùn)動(dòng)定律的局限性，只適用于宏觀、低速的物體，所以用能量守恒解決力學(xué)問(wèn)題更突顯出其優(yōu)越性，適用于自然界任何規(guī)律。而機(jī)械能能守恒定律又是能量守恒定律的一個(gè)特例。因此，學(xué)好《機(jī)械能守恒定律》，既能讓學(xué)生解決力學(xué)問(wèn)題多一個(gè)法寶，又能幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)物理中培養(yǎng)“轉(zhuǎn)化和守恒”思想，提高科學(xué)素養(yǎng)。本案例主要從“機(jī)械能守恒條件”入手，以學(xué)生探究為主體，發(fā)展學(xué)生物理思維為導(dǎo)向，取得良好的效果。

關(guān)鍵詞：高中物理；理論探究；教學(xué)案例

一、 情境引入，貼近生活

物理是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。新課教學(xué)，采用“巨型單擺”實(shí)驗(yàn)引入——在教室的天花板上懸掛了一個(gè)用大鐵塊制的“巨型單擺”，學(xué)生將大鐵塊從自己的鼻尖處?kù)o止釋放，在等待大鐵塊擺回來(lái)的過(guò)程中，學(xué)生發(fā)出了一片驚嘆聲！通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)了勢(shì)能和動(dòng)能是可以相互轉(zhuǎn)化的，又鼓勵(lì)學(xué)生列舉生活中的實(shí)例——瀑布、蕩秋千、回力車、弓箭……一下子課堂氣氛活躍起來(lái)，學(xué)生的注意力都集中到了課堂上。

二、 理論探究，層層遞進(jìn)

在學(xué)生認(rèn)識(shí)到物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，引導(dǎo)學(xué)生思考機(jī)械能是否存在某種規(guī)律。

學(xué)生答：總的機(jī)械能是守恒的。

老師問(wèn)：果真是這樣嗎？

情境1：物體在真空中自由下落，經(jīng)過(guò)高度為h1的A點(diǎn)時(shí)速度為v1，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，運(yùn)動(dòng)到高度為h2的B點(diǎn)時(shí)速度為v2（如圖1）。應(yīng)用所學(xué)過(guò)的知識(shí)，分析物體下落過(guò)程中在A、B兩位置的機(jī)械能數(shù)量關(guān)系。以地面為重力勢(shì)能的參考面，重力加速度為g。

圖1

EA=mgh1+12mv21

EB=mgh2+12mv22

學(xué)生依據(jù)動(dòng)能定理，很容易得到：

mgh1-mgh2=12mv22-12mv21

mgh1+12mv21=mgh2+12mv22

可見(jiàn)，在自由落體運(yùn)動(dòng)中動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。

繼續(xù)提問(wèn)：那如果下落過(guò)程中受到恒定阻力，總的機(jī)械能還守恒嗎？

mg（h1-h2）-f（h1-h2）=12mv22-12mv21

mgh2+12mv22=mgh1+12mv21-f（h1-h2）

可見(jiàn)，若下落過(guò)程中受到恒定阻力f，總機(jī)械能是不守恒的。

老師提問(wèn)：?jiǎn)栴}出在哪？為什么現(xiàn)在機(jī)械能又不守恒了？

學(xué)生回答：自由落體運(yùn)動(dòng)只受重力，現(xiàn)在受到空氣阻力了。

繼續(xù)追問(wèn)：是因?yàn)槌酥亓?，又多了一個(gè)力的緣故嗎？大家繼續(xù)探究。

情境2：若不計(jì)空氣阻力，物體由光滑斜面下滑（如圖2），總機(jī)械能是否存在某種定量關(guān)系？

圖2

學(xué)生依據(jù)動(dòng)能定理可知，物體受到重力和支持力，但WN=0，故

mgh1-mgh2=12mv22-12mv21

mgh1+12mv21=mgh2+12mv22

可見(jiàn)，若不計(jì)空氣阻力，物體由光滑斜面下滑，總機(jī)械能是守恒的。

老師提問(wèn)：大家發(fā)現(xiàn)此時(shí)除了重力外，還有支持力，為什么也是守恒的？

學(xué)生回答：關(guān)鍵是要看除重力以外的力是否做功了。

此處有掌聲，歸納得非常到位，學(xué)生在自己的理論探究下，完成了本節(jié)課的難點(diǎn)突破——機(jī)械能守恒條件。

滿足機(jī)械能守恒的條件：

1. 只受重力；

2. 除重力外，還受其他力，但其他力不做功；

3. 除重力外，還受其他力，但其他力做功代數(shù)和為零。

外延：同樣可以證明，在只有彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能和彈性勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，總的機(jī)械能保持不變。

歸納總結(jié)：機(jī)械能守恒定律內(nèi)容：只有重力做功或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。

再通過(guò)觀看微視頻——單擺實(shí)驗(yàn)，加深印象，體會(huì)機(jī)械能守恒的滿足條件。

提問(wèn)課前巨型單擺實(shí)驗(yàn)在擺回來(lái)的時(shí)候，那位同學(xué)要不要那么緊張？

學(xué)生答：不需要。因?yàn)榇箬F塊頂多回到鼻尖處，不會(huì)撞到鼻尖。

三、 學(xué)生主體，事半功倍

通過(guò)本節(jié)課，有如下幾點(diǎn)思考：

（一） 更新觀念，尊重學(xué)生

傳統(tǒng)課堂，以教師講、學(xué)生聽(tīng)為主，教師把所有的方法和遇到的問(wèn)題都一一講完，學(xué)生課堂參與度不高，課堂練習(xí)用新學(xué)到的公式去套，并不理解，導(dǎo)致課后作業(yè)不會(huì)做，不知道用哪種方法，這就是學(xué)理科的一個(gè)怪圈——聽(tīng)得懂，不會(huì)做。那問(wèn)題就是出在，在選用解題方法時(shí)，為什么可以用這個(gè)方法，為什么用這個(gè)方法可以簡(jiǎn)便。所以本節(jié)課我把自己定位為引路人，拋出問(wèn)題，讓學(xué)生參與進(jìn)來(lái)，自己去尋求解決的辦法，并總結(jié)歸納。

（二） 多種形式，活躍氣氛

本節(jié)課采用多樣化的探究形式。實(shí)驗(yàn)法，情境引入——“巨型單擺”，既有刺激性，又有吸引力，立刻把學(xué)生拉到課堂上來(lái)。教學(xué)過(guò)程中——演示實(shí)驗(yàn)“回力車”和“滾擺”，增強(qiáng)課堂的趣味性。微視頻《單擺》的加入，讓定性分析又多了直觀上的視覺(jué)沖擊，加深印象。最后再回應(yīng)一下導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)——“巨型單擺”，用新學(xué)知識(shí)去解釋，完美形成了呼應(yīng)。理論法，師生互動(dòng)用理論來(lái)探究猜想結(jié)果，由易到難，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。這樣一節(jié)課，學(xué)生在玩中學(xué)，學(xué)中玩，真正體現(xiàn)出物理來(lái)自于生活，也應(yīng)用于生活。

（三） 由淺入深，突破難點(diǎn)

本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)是機(jī)械能守恒定律的適用條件，在教學(xué)過(guò)程中，由淺入深，層層遞進(jìn)，從最熟悉的自由落體運(yùn)動(dòng)開(kāi)始分析，動(dòng)能增加，勢(shì)能減少，根據(jù)動(dòng)能定理很容易得到機(jī)械能是守恒的。接著，如果下落過(guò)程受到恒定阻力，是否還有機(jī)械能守恒的規(guī)律嗎？通過(guò)分析，不難發(fā)現(xiàn)，是不守恒的。此時(shí)學(xué)生已有初步概念，機(jī)械能守恒是有條件的，是因?yàn)槭艿搅顺亓σ酝獾钠渌Γ瑢?dǎo)致機(jī)械能不守恒。追問(wèn)：光滑斜面，除重力外，還受支持力，是否還遵循機(jī)械能守恒的規(guī)律呢？學(xué)生分析發(fā)現(xiàn)此情境下，機(jī)械能是守恒的。于是，學(xué)生有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，判斷機(jī)械能是否守恒，不是看是否受其他力，而是看其他力是否做功，這樣，本節(jié)課的難點(diǎn)就不攻自破了，學(xué)生在情境中體會(huì)到了，自然也能總結(jié)除機(jī)械能守恒的使用條件。

作者簡(jiǎn)介：

張靜，江蘇省南京市，南京市第二十九中學(xué)。