對“探究外力做功與物體動能變化”的教學探討

曾小妮

(佛山市順德第一中學 廣東 佛山 528300 )

曾樂貴

(裝甲兵工程學院基礎部 北京 100072)

李詠芳

(佛山市順德一中大良學校 廣東 佛山 528300 )

粵教版必修2教材[1]第四章第三節(jié)“探究外力做功與物體動能變化的關系”編排的思路是，首先，實驗探究做功與物體動能變化的定量關系；其次，理論分析與論證；最后，歸納總結得到動能定理.教材編排凸顯實驗探究的重要性，注重對學生能力的培養(yǎng).筆者通過研讀教材，并借鑒其他版本教材的處理方法，對本節(jié)采用了探究式的教學方法.總體教學思路為，首先，通過生活中學生熟悉的例子，引出問題，引導學生大膽猜想；其次，選擇研究方法，設計實驗；最后，做實驗，分析數據，總結規(guī)律.通過鼓勵學生設計合理的實驗方案，組裝實驗儀器，記錄與處理實驗數據，讓學生親身體驗科學研究的過程，培養(yǎng)學生科學思維的方法以及主動發(fā)現和獲取知識的能力，進而在物理規(guī)律的教學過程中培養(yǎng)學生科學的研究方法和創(chuàng)新思維能力.

1 創(chuàng)設情境引出問題激發(fā)學生的學習興趣

“興趣是最好的老師”，學生有了學習的興趣，學習就會變得輕松.根據中學生思維活躍、情感豐富和求知欲強等特點，創(chuàng)設恰當的物理情境，可以激發(fā)學生的學習興趣.

本節(jié)課開始時播放4段學生熟悉的生活錄像，即離站加速行駛的汽車；進站減速行駛的汽車；物體從斜面上加速下滑；人推物體在水平路面上加速運動.目的是通過指導學生觀察上述現象，分析合外力對物體做功與物體動能變化之間的定性關系，并在此基礎上提出問題讓學生猜想，合外力對物體所做的功與物體在這一過程中動能變化的定量關系是怎樣的，以激發(fā)學生探索知識的興趣與熱情.

2 巧設問題引導學生設計實驗

圖1 教材中的實驗裝置示意圖

粵教版給出的實驗裝置示意圖如圖1所示，重物做自由落體運動過程中，由于只有重力做功的特點，既回避了小車質量的測量，也不需要考慮在桌面上運動時小車與桌面間的摩擦力對實驗的影響.實驗方案簡單，但紙帶會受到摩擦阻力作用，且整個過程時間很短，不利于學生仔細地體驗探究實驗過程.因此，“探究外力做功與物體動能變化的關系”實驗可以考慮其他方案.

在本次探究式教學過程中，設計具有較強創(chuàng)新性、靈活性和綜合性的實驗方案，是上好本節(jié)課的關鍵，因此教師要巧設問題，恰如其分地引導學生，完成實驗.為了逐步引導學生思考，不斷發(fā)現問題，解決問題，進而逐步完善實驗方案，使學生體會整個探究過程的嚴謹性和科學性，實驗方案的設計分為以下幾階段.

第一階段：初始方案設計階段

這一階段要求學生明確實驗目的，建立清晰的物理情境，設計出最簡單、最基本的實驗方案，其目的是引導學生了解實驗方案的設計應該如何入手.

建立物理情境：桌面上的小車在水平拉力的作用下做加速運動.

問題鏈設計：

(1)實驗中需要測量哪些物理量？

(2)如何測量這些物理量？

(3)要探究外力做的功和小車動能變化的關系，應該采取什么方法？

這一環(huán)節(jié)旨在引導學生從已有的知識結構出發(fā)，建立清晰的物理情境，畫出實驗裝置草圖，并在此基礎上提出總體的實驗思路，突出學生的主體作用.

第二階段：實驗方案改進階段

這一階段要求在“初始方案”的基礎上，引導學生對實驗過程進行周密的思考，包括如何簡化操作和減少誤差，進一步改進實驗，最終得出較合理的實驗方案.

方案改進之一，提供恒定的拉力并測量其大小.問題鏈設計：

(1)用彈簧測力計拖動長木板上的小車使其運動，彈簧測力計的讀數穩(wěn)定嗎？能不能保證小車一直做勻加速運動？

(2)能否用一個恒定不變的力來替代彈簧測力計？如何測定拉力？學生可能會想到，用一重物通過定滑輪來拉小車，測出重物的質量，定滑輪兩邊的力相等.

(3)當重物做加速運動時，小車受的拉力等于重物的重力嗎？什么情況下拉力約等于重物的重力？提示學生運用牛頓第二定律計算，發(fā)現只有重物的質量遠遠小于小車的質量時，小車受的拉力約等于重物的重力.

方案改進之二，消除摩擦力的影響.問題鏈設計：

(1)繩對小車的拉力就是小車受到的合外力嗎？

(2)為了使研究方便、簡單，想用拉力作為小車受到的合外力，如何“消除”摩擦力？

(3)如果沒有條件消除摩擦力，有沒有辦法“平衡”摩擦力？如何“平衡”？

(4)如何判斷小車做勻速直線運動？

方案改進之三，測量小車的速度.問題鏈設計：實驗室常用測量速度的方法有哪些？學生可能會回答，利用打點計時器在紙帶上打點計算速度.教師在此提示學生還可以利用光電門傳感器測量速度，并介紹光電門傳感器測量速度的主要原理.最后指出用光電門傳感器測量速度在數據處理上更為簡便，所以，最終方案采用光電門傳感器測量小車的速度.

至此，原來簡單但誤差較大的實驗方案已經改進為比較完善的實驗方案，設計的實驗裝置示意圖如圖2所示.

圖2 改進后的實驗裝置示意圖

3 引導學生設計圖表學會記錄和處理數據

根據所設計的實驗方案，教師給出實驗步驟，并指導學生打開朗威DISLab軟件中的計算表格，在表格中增加變量，小車的質量M,重物的質量m1,兩光電門間距s，并輸入相應的數值，添加拉力做功和動能變化的公式，進行實驗，記錄的實驗數據見表1

(g=9.8 m/s2).

表1 合外力做功與物體動能變化的實驗數據

注：擋板寬度為l0=0.02 m,經過前、后兩個光電門的時間分別為t1和t2.

問題鏈設計：

(1)怎樣處理數據會使實驗結果更直觀呢？

指導學生對所測得的實驗數據作出合外力做功和動能變化的E-W圖像，如圖3所示.

圖3 合外力做功與動能變化的關系

(2)通過對實驗數據的處理，從E-W圖像中能得出什么結論？

學生總結，在誤差允許的范圍內，合外力對物體做的功等于物體動能的變化量.

(3)實驗的主要誤差是什么？造成誤差的原因是什么？還有其他方案可減少誤差嗎？

組織學生展開交流和討論，發(fā)揮學生的積極性和主動性, 讓學生對所學的知識有更深的理解.

4 理論論證規(guī)律

以上從實驗的角度研究了合外力做功與物體動能變化的關系，接下來讓學生從理論的角度分析、論證該結論.設計了如下兩個問題.

問題1:質量為m的物體，在一恒定拉力F作用下，以速度v1開始沿水平面運動，經位移s后速度增大到v2，已知物體與水平面的摩擦力恒為f，請你根據牛頓第二定律和運動學公式導出合外力對物體所做的功與物體動能變化的關系.

設計該問題的目的是加深學生對功能關系的認識, 提高學生的推導能力，通過實驗和推導使學生真正做到實踐與理論相結合.

問題2:請用文字和公式將實驗探究和理論推導得出的合外力做功與物體動能變化關系表示出來.

本節(jié)課教學采取實驗探究與理論推導相結合的教學模式.學生通過合作探究，自己動手，自己總結, 主動參與知識的探究過程，學習的積極性得到充分調動,學習的主體作用和學習潛能得到充分的發(fā)揮，取得了良好的教學效果，真正體現了學生的主體作用和教師的主導作用相結合的教學模式.實驗探究與理論分析相結合, 并充分利用多媒體的輔助作用, 體現了學習和教學方式的多樣化[2].

參考文獻

1 保宗悌．普通高中課程標準實驗教科書物理·必修2．廣州：廣東教育出版社，2010

2 鄭俊漢.“探究外力做功與物體動能變化的關系”的教學設計與反思.物理教學探討，2006，24(12):27～29