促進科學(xué)思維發(fā)展的課堂教學(xué)實踐
——以“動能 動能定理”教學(xué)為例

賴世鏘 賴集開

(1.廣東仲元中學(xué),廣東 廣州 511400;2.廣東省博羅縣博羅中學(xué),廣東 惠州 516100)

1 引言

“動能 動能定理”是在能量概念建立的基礎(chǔ)上,建構(gòu)“動能”概念，推導(dǎo)出“動能定理”,以引導(dǎo)學(xué)生形成能量觀念。關(guān)于動能表達式的推導(dǎo),教材讓學(xué)生感知運動的物體具有能量的基礎(chǔ)上,通過物體在水平桌面上受摩擦力做勻變速直線運動的分析得出動能的表達式。利用功能關(guān)系,物體克服摩擦力做了多少功就有多少能量發(fā)生變化,從而得出克服摩擦力的功與物體動能的改變的關(guān)系,得到動能的表達式。教材中“動能定理”表達式的推導(dǎo)的出發(fā)點是牛頓第二定律以及運動學(xué)公式,經(jīng)歷數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程,構(gòu)建物理模型,得到動能定理表達式。在實際學(xué)習(xí)中,可以放手讓學(xué)生推導(dǎo)動能定理的表達式,進一步聯(lián)系生產(chǎn)生活,理解動能定理并運用動能定理解決實際問題，從而讓學(xué)生經(jīng)歷從感性認識到理性認識的過程。教學(xué)中要注重全體學(xué)生的發(fā)展,注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與探究能力,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,調(diào)動學(xué)生的主動性與積極性,促進其個性全面健康發(fā)展。

2 促進科學(xué)思維發(fā)展的課堂教學(xué)設(shè)計

2.1 學(xué)情分析

在知識層面學(xué)生在初中學(xué)習(xí)中初步了解到動能與物體的質(zhì)量和速度有關(guān)；學(xué)生已學(xué)過功,能夠計算各力以及合力外所做的功；知道做功可以改變物體的動能。此上，牛頓運動定律、運動學(xué)知識的學(xué)習(xí)等為學(xué)生從已學(xué)知識推導(dǎo)出做功與動能的關(guān)系做好了鋪墊,為建立動能概念和學(xué)習(xí)動能定理準備了知識基礎(chǔ)。

2.2 教學(xué)目標

物理觀念:知道動能的定義、單位、表達式和矢標性;知道動能定理及其適用范圍。

科學(xué)思維:運用動能定理分析、推理做功和動能變化的關(guān)系。

科學(xué)探究:運用理論探究的方式推導(dǎo)動能定理。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:聯(lián)系生活中物體動能變化的實例,分析汽車行駛的安全問題,認識科學(xué)技術(shù)對社會的影響。

2.3 教學(xué)策略

教學(xué)從學(xué)生的已有知識出發(fā),感知運動的物體具有動能，推導(dǎo)動能表達式,進而推導(dǎo)出動能定理,最后運用生產(chǎn)生活實例理解動能定理。

2.4 課堂教學(xué)實施過程

2.4.1 創(chuàng)設(shè)情境,引入主題

情境：利用圖片呈現(xiàn)擊出的乒乓球、射出的子彈、運動的熱氣球、運動的行星、飛馳的汽車等。

師：這些物體具有什么能量？特點是什么？和做功有什么關(guān)系？

生：它們都在運動,因為運動而具有能量。

師：物體由于運動而具有的能量叫做動能。

設(shè)計意圖：從生活現(xiàn)象出發(fā)創(chuàng)設(shè)情境,引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象、思考問題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2.4.2 模型建構(gòu),形成觀念

任務(wù)1 探究影響動能大小的因素

情境：從槍口射出的子彈殺傷力很大,而用手直接將子彈扔向目標,則殺傷力很小,這是為什么呢？乒乓球從對面高速飛來,可以輕易地接住它,如果是鉛球高速飛來,你還敢去接嗎？為什么？

師：物體的動能與什么因素有關(guān)？

生：物體的動能與其質(zhì)量和速度有關(guān)。

設(shè)計意圖：建立動能的概念,為動能表達式的推導(dǎo)作好鋪墊。通過觀察圖片中的情境,歸納影響動能大小的因素。理解功是能量轉(zhuǎn)化的量度,能量的大小反映物體做功的本領(lǐng)大小。

任務(wù)2 推導(dǎo)動能的表達式

師：功是能量轉(zhuǎn)化的量度,那么動能和功有關(guān)嗎？例如炮彈在推力的作用下速度越來越大,動能增加,這種情況下推力對物體做了功。

生：物體動能的變化與力的所做功有關(guān)。

建構(gòu)模型:如圖1所示,在粗糙桌面上,一質(zhì)量為m、初速度為v的物體因受到摩擦力Ff的作用,運動一段位移s后停下來。求物體克服摩擦力做了多少功？物體的初始動能是多少？

圖1

設(shè)計意圖：通過模型建構(gòu),讓學(xué)生經(jīng)歷演繹推理的過程，自覺尋找動能的表達式,建構(gòu)物理概念,進而深化對功能關(guān)系的理解,促進學(xué)生的科學(xué)思維水平的發(fā)展。

任務(wù)3 動能表達式的理解

師：動能的單位是焦耳,簡稱焦,符號為J；動能是矢量還是標量？

生：沿著各個方向運動的物體,要使之停下來,就要克服摩擦力做相同的功,動能沒有方向,只有大小，是標量。

師：如果物體的速度發(fā)生了變化,其動能一定會發(fā)生變化嗎？反之,如果物體的動能發(fā)生了變化,其速度一定會發(fā)生變化嗎？為什么？一輛勻速行駛的汽車里坐著一名乘客,他與汽車保持相對靜止,那么,這名乘客的動能是否為零？[2]

學(xué)生討論與交流；小組代表回答問題。

歸納總結(jié)：動能具有瞬時性,為狀態(tài)量,對應(yīng)物體在某一時刻的運動狀態(tài)；速度是矢量,動能是標量,其數(shù)值始終大于零。

設(shè)計意圖：深入理解動能的概念,強化功的概念和功能關(guān)系,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力,調(diào)動學(xué)生積極性與主動性。

2.4.3 模型建構(gòu),推導(dǎo)定理

模型建構(gòu):如圖2所示,一質(zhì)量為m的物體在恒力F的作用下,以初速度v1在粗糙的水平面上運動。經(jīng)過一段位移s后,速度增加到v2。已知摩擦力Ff不變,求合外力的功，它與物體動能的變化有何關(guān)系？

圖2

設(shè)計意圖：通過建構(gòu)模型,讓學(xué)生運用演繹推理的方法得出動能定理,培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維,進一步深化能量觀念的認識。

2.4.4 科學(xué)推理,深化理解

師：物體的動能的變化等于什么呢？

生：合外力所做的功。

師：是的,合外力所做的功等于物體動能的改變,反映了功與能的關(guān)系。那么什么時候物體的動能增加？什么時候減少呢？

生：當(dāng)合外力對物體做正功時,物體的動能增加,其他形式的能轉(zhuǎn)化為動能；當(dāng)合外力對物體做負功,物體的動能減少,動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。

設(shè)計意圖：通過問題解答與思考,深入了解動能定理的含義,從能量轉(zhuǎn)化的角度認識并理解動能定理,形成必備知識與關(guān)鍵能力。

2.4.5 學(xué)以致用,思維深化

任務(wù)1 通過應(yīng)用體會動能定理優(yōu)越性

已知京港澳高速公路最高限速vmax=120km/h,假設(shè)前車突然停止,后車司機從發(fā)現(xiàn)情況到進行制動操作，汽車通過的位移s′=17m，制動時汽車所受的阻力為汽車所受重力的0.5倍,則該高速公路上汽車間的安全距離至少應(yīng)為多大？

師：能否用牛頓運動定律來解答呢？試試看,并比較兩種解法,談?wù)勛约旱母惺堋?/p>

生：用牛頓運動定律求解過于繁瑣,用動能定理可簡便地求出制動距離。

師：在處理實際問題時,若不涉及到中間的量,如a、t等,優(yōu)先考慮運用動能定理。請同學(xué)們總結(jié)動能定理的解題思路。

生：先選取研究對象,分析物體的受力情況與運動情況;再分析整個過程中外力所做的總功,分析初、末狀態(tài)的動能;最后列方程求解。

設(shè)計意圖：理論聯(lián)系實際,學(xué)會應(yīng)用物理知識解決實際問題。對比兩種方法在解決實際問題中的異同,深化對能量觀念的認識,體會動能定理的優(yōu)越性。通過內(nèi)化提煉,有助于發(fā)展學(xué)生科學(xué)推理與論證的科學(xué)思維能力,有助于形成物理觀念,掌握必備知識與關(guān)鍵能力。

任務(wù)2 鞏固提高,促進深度學(xué)習(xí)

實戰(zhàn)訓(xùn)練：如圖3所示,物體在外力作用下靜止在粗糙斜面上,距離斜面底端5m,現(xiàn)撤去外力,物體由靜止開始向下滑動,然后滑上與斜面底端平滑連接的粗糙水平面上(無動能損失),若物體與兩接觸面間的動摩擦因數(shù)均為0.4,斜面傾角為37°，求物體在水平面上滑行的距離。

圖3

解析：此過程既可以分過程列方程求解,也可以對全過程列方程求解。

方法二:針對全過程運用動能定理求解，有：mgsin37°l1-μmgcos37°l1-μmgl2=0-0,解得：l2=3.5m。

設(shè)計意圖:通過實踐訓(xùn)練,使學(xué)生熟悉使用動能定理解決實際問題的一般思路與步驟,進一步理解和鞏固動能定理,領(lǐng)會動能定理解題的優(yōu)越性;會利用動能定理分析并求解物體多過程運動問題,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力。

3 結(jié)語

課堂教學(xué)采用學(xué)習(xí)進階模式,讓學(xué)生思維由低階不斷向高階漸進，開展深度學(xué)習(xí),充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性,形成必備知識與關(guān)鍵能力。新課程強調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位,學(xué)生自主建構(gòu)知識才是有意義的學(xué)習(xí)。教師的任務(wù)是設(shè)計合理的問題,引導(dǎo)學(xué)生一步步建立模型,在教師的指引下學(xué)生調(diào)動所學(xué)知識達成課程目標,提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。