“機械能守恒定律”教學難點突破

夏 麗

(上海市盧灣高級中學 上海 200030)

1 教學設計思路

機械能守恒定律是滬科版《物理》高中一年級第二學期的教學內容，是中學物理學習中最為重要且要求最高的幾個學習內容之一.機械能守恒條件的探究過程是本節課的重點和難點，亦是培養學生科學素養的一個平臺.學習本節課需要以動能、勢能、功和能的關系、牛頓運動定律、動能定理等為知識基礎，以DIS實驗系統的熟練使用為實驗基礎.

基于以上考慮，本設計主要設置了3個教學環節，借境激疑—實驗探究—實際運用，有效地突破了本課的教學重點和難點.

整個過程中學生親身經歷了實驗探究和理論演繹相結合、真實實驗和理想外推相結合的科學方法，強調了學生的自主探究，重視概念、規律的形成過程，關注學生合作意識、團隊協作精神和實事求是的科學態度的培養.

2 教學資源

(1)實驗器材

引入實驗：鉛球，繩子.

學生實驗：機械能守恒實驗器,DIS實驗系統(光電門傳感器、數據采集器、計算機).

教師演示：力學導軌,位移傳感器,小車,計算機內的數據處理軟件.

(2)課件

多媒體課件：“機械能守恒定律”.

探究機械能守恒定律任務單.

3 教學流程

(1) 教學主要環節

本節課分為3個教學環節.

第一環節，情境導入.從學生活動“鉛球會碰到鼻子嗎？”入手，感受鉛球的動能、勢能相互轉化過程，在游戲中思考問題：機械能是否守恒呢？

第二環節，實驗探究，尋求規律.在學生親身體驗的基礎上，通過DIS實驗探究擺錘下擺過程中動能、勢能相互轉化，得出機械能守恒的規律.教師通過小車沿粗糙程度不同的力學導軌下滑機械能變化的演示實驗，把課推向高潮，猜想機械能守恒的條件.最后通過理想外推和理論推導，引導學生尋求得到機械能守恒的條件.

第三環節，運用規律，解決問題.通過對“鉛球會碰到鼻子嗎？”的分析、解釋，首尾呼應，加深對機械能守恒定律的認識.

(2)教學流程

第一環節：情境導入，借境激疑.

活動1：鉛球會不會碰鼻？

問題1：動能、勢能相互轉化的過程中，動能的變化量和重力勢能的變化量是否相等？即機械能是否守恒？

第二環節:實驗探究，尋求規律.

活動2：學生DIS實驗.

利用機械能守恒實驗器探究擺錘在下擺過程中機械能守恒.

問題2：在動能和勢能的轉化過程中機械能一定守恒嗎？

活動3：教師演示實驗.

小車沿粗糙程度不同的斜面(力學導軌)下滑過程中，計算機數據處理得出動能、勢能、機械能的圖線，學生觀察到機械能不守恒，而且隨著斜面越來越接近光滑，機械能損失越來越少.

活動4：理想外推和理論推導.

學生理想外推，小車沿光滑斜面下滑機械能守恒，運用運動學及牛頓第二定律的知識從理論推導的角度予以驗證，并且在任務單上完成.

問題3：是不是只要摩擦力不做功機械能就守恒呢？

活動5：若給沿光滑斜面下滑的小車一個沿斜面向下的推力，機械能也守恒嗎？

通過這個活動讓學生加深印象,以免走入“只要摩擦力不做功機械能就守恒”的常見誤區.

問題4：機械能守恒的條件究竟是什么？

活動6：學生任務單上理論推導，一位學生板演.

末動能減去初動能等于初勢能減去末勢能，必須合外力做功等于重力做功，得到機械能守恒條件是只有重力做功.

第三環節:運用規律，解決問題.

活動7：解釋引入實驗“鉛球會碰鼻嗎?” 首尾呼應.

4 教學實錄

4.1 情境引入 鉛球會不會碰鼻(活動1)

師：在教室中間懸吊著一個實心球，請一位同學來做一個“碰鼻”實驗.

(學生上臺)

師：你站在這兒，拉實心球到鼻子下方，釋放球.

(學生往后退)

師：實心球擺回來的時候，這位同學做了什么動作？

生：往后退.

師：他為什么往后退啊？

生：怕球碰到鼻子.

師：如果他不動,球碰得到他鼻子嗎？

生：碰不到.

師：為什么？

生：因為到鼻子那里速度為零了.

師：速度為零，也就是什么能為零了？

師：其實球向上擺動，動能怎么變？

生：減小.

圖1

師：勢能呢？

生：增加.

師：如圖1,當球從位置1下擺到位置2時，動能在增加，勢能在減少.上、下擺動過程中，動能、勢能相互轉化.

師：從位置1到2，動能增加，勢能減少，那動能的增加量和勢能的減少量會不會有什么關系？

生：可能相等.

師：動能、勢能相互轉化的過程中，動能的變化量和重力勢能的變化量是否相等？(問題1)

師(板書)：

師：我們猜想的關系就成了研究位置1，2的機械能是否相等了.

師：怎么驗證這個猜測？

生：做實驗.

4.2 學生探究實驗用DIS研究機械能是否相等(活動2)

師：直接測球肯定不現實，就需要把鉛球擺動抽象成一個物理模型.

師：如圖2,釋放磁鐵夾，擺錘的運動和球的運動類似.

圖2

師：現在只研究擺錘經過各點時的機械能是否相等.系統已幫我們選定了A,B,C,D四點,如圖2.怎么測得擺錘經過各點時的機械能呢？

師：測勢能需要選定零勢能面，默認了D點是零勢能面，A,B,C三點的高度標尺盤上已標出.

師：擺錘從A點靜止釋放，所以,A點的速度為零，我們只需要測擺錘經過B,C,D三點時的速度，想一次測得三點的速度，需要幾個光電門？

生：3個.

師：現在只有1個，怎么辦？

生：一次一次測.

師：需要測幾次？

生：3次.

師：那么釋放擺球的A點位置能不能變？

生：不能變.

師：以測量B點的速度為例，把光電門放在B點，目測不準，需要借助器材中的測平器，怎么使用測平器呢？看視頻.

師：它有一凹槽，讓它向著標尺盤，使測平器和B的水平橫線對齊.尖端向著光電門，如果光電門不在B點，調整光電門使小孔對準測平器的尖端.大家在自己的電腦上看到光電門小孔對準B點了嗎？

師：進入系統，大家看到表格中4點高度，A點速度已知，按系統設定先依次測D，C，B的速度，光電門移動到D點，讓小孔對準D的豎直線，點擊“開始記錄”測得速度.接下來測C點(錯誤動作)，老師這么做可以嗎？

生：不可以.

師：為什么？

生：釋放點變了，測平器沒有使用.

師：我們每組4人，一位確定釋放點A位置不變，事先已經幫大家調好，一位操作電腦，一位釋放擺錘，一位使用測平器.3點速度測得以后，點擊數據計算，系統自動算出各點的動能、勢能、機械能，就能判斷A,B,C,D四點的機械能是否相等，也能驗證我們的猜測了.

學生進行實驗.

師：實驗結束，選擇一組，請同學跟大家交流一下你們的實驗結果.

生：機械能基本不變，動能和勢能在相互轉化.

可再交流幾組(如有誤差大的，可課后再討論).

師：從剛才的實驗中我們得到實驗結論，擺錘在運動過程中，動能、勢能相互轉化，經過各點時的機械能不變.

4.3 教師演示實驗動能勢能相互的轉化過程中探究機械能不變的條件(活動3)

(1)實驗探究摩擦力不做功，機械能不變

師：是不是動能和勢能的轉化過程中機械能肯定守恒？(問題2)

師：講臺桌上有一斜面,小車沿斜面(力學導軌)下滑，大家看到小車的動能、勢能相互轉化，動能增加，勢能減少，那機械能呢？

生：不變.

師：真的是這樣嗎？

師：小車是位移傳感器的發射端，斜面底部是接收端，位移傳感器測得動能、勢能、機械能.可以用電腦的軟件把動能、勢能、機械能隨位置變化的圖線顯現出來,如圖3.

圖3 動能、勢能、機械能隨位置變化曲線圖

師：屏幕上出現了3根圖線，小車下滑，發射端靠近接收端，從左向右看？還是從右向左看？

生：從右向左.

師：最下面這條線是增加，肯定是動能，還有兩條都在減小，哪一條是勢能啊？機械能是動能和勢能之和，所以最上面是機械能，中間是勢能，勢能在減小，這里機械能怎么變？

生：減少.

師：機械能為什么損失？

生：鋪了布，有摩擦力.

師：能的變化對應力做功，所以，機械能的損失是因為……

生：摩擦力做功.

師：如果減少摩擦力做功，現在把毛巾換成絨布(降低粗糙程度)，這根線會怎樣？

(研究機械能怎么變化，把動能、勢能圖線隱藏)

生：平坦了.

師：繼續減少摩擦力做功，斜面不鋪布了，圖線又會怎樣？

生：更加平坦了.

師：仔細觀察屏幕上出現的3根圖線，能得到什么信息？

生：摩擦力做功越來越小，機械能損失也越來越少.

理想外推：假如斜面完全光滑，機械能就守恒了.(活動4)

師：完全光滑的斜面沒有，只能理論證明.

(2)理論推導物體沿光滑斜面下滑機械能不變

師：如圖4所示，物體質量為m，沿光滑斜面下滑，圖中依次經過任意兩點位置A，B，對應的速度分別為v1，v2，離斜面底端的高度分別為h1，h2，試證明A，B兩點物體的機械能相等(取斜面底端為零勢能面).

由運動學公式推導證明

圖4

師：機械能不變的條件是什么啊？

生：摩擦力不做功.

(3)實驗探究有拉力、推力做功時機械能變化.(活動5)

師：是不是只要摩擦力不做功機械能就守恒呢？(問題3)

師(請一位學生拉小車)：給小車作用一個向上的拉力，有拉力做功時，看到機械能怎么變？

生：機械能損失了.

師：再給它一個向下的推力呢？

生：機械能增加了.

師：可見，當有摩擦力、拉力、推力做功時，機械能都變化，各能量隨位置的變化圖線如圖5所示，要機械能不變的條件是什么？

圖5 幾種情形下能量隨位置的變化圖線

生：沒有外力做功.

師：小車沿光滑斜面下滑，機械能守恒，是不是沒有外力做功？

生：有重力做功.

師：機械能守恒的條件究竟是什么？(問題4)

(4)實驗和理論推導機械能不變的條件.(活動6)

師：好，現在看看剛才我們推導得到的表達式

師：根據動能定理,等式左邊動能的變化等于什么？

生：左邊是W外=ΔEk.

師：等式右邊勢能的減少量等于什么？

生：右邊是WG=-ΔEp.

師：若要機械能守恒，即左右兩邊要相等，除非是……

生：合外力做功等于重力做功.

師：這是什么意思？

生：只有重力做功！

4.4 機械能守恒及其條件

通過以上一系教學活動，得出機械能守恒定律，隨后師生互動，共同解讀機械能守恒定律.

(1)守恒定律發生在動能和勢能的轉化過程中，也就是說動能、勢能要變化.

(2)師：是不是說物體只能受到重力？

生：不是，剛剛沿光滑斜面下滑，還受支持力，只是支持力不做功.

機械能守恒的條件只有重力做功，不是只受重力,而是可以受其他力，但其他力不做功，或其他力做功代數和等于零.

(3)機械能中的勢能還包括彈性勢能，關于動能、重力勢能、彈性勢能間的轉化暫時不進行討論.

4.5 解釋課堂引入實驗活動(活動7)

師：再來看剛才的擺球實驗，在運動的過程中，球受重力和拉力，而拉力不做功，所以機械能守恒，不會碰鼻.更何況球還受到空氣阻力，機械能會損失一點，因此擺球不會再回到釋放點.

師：現在同學們還怕嗎？

5 教學反思

本節課根據“以學生發展為本”的課程理念，充分發揮物理學科動手實驗探究的特性，重視激發學生參與教學的積極性.在教學過程中，借境激疑—實驗探究—實際運用，學生在學習物理知識的過程中，體會科學方法，增強科學精神，養成科學態度.注重規律的探究過程，強調學生的參與.在逐步形成概念、規律的過程中，學生經歷了學習、研究物理的一般方法，體驗了現代信息技術為物理學習和研究帶來的便捷，感受科學與技術的相互促進.