實驗支持下的問題驅動式學習
——機械能守恒定律的別樣教學

鄭秀玲 劉小兵

(廣西師范大學物理科學與技術學院 廣西 桂林 541004)

機械能守恒定律是學生進入高中系統學習物理學后第一次遇到的守恒定律，滲透了功是能量轉化的量度的重要物理思想，是必須牢固掌握的一個重要規律.通過分析教材發現，舊教材是在物體做自由落體運動的物理情境下推導出機械能守恒定律，新教材是在光滑曲面的情形下推導出機械能守恒定律.但在兩種情境中都是只有重力做功，僅在只有重力對物體做功的情況下推導出機械能守恒定律，學完學生仍會疑惑：為什么物體受到摩擦力、拉力或者摩擦力、拉力對物體做功時，物體的機械能就不守恒？不能使學生真正理解機械能守恒定律.

傳統教學是在只有重力做功的情形下推導機械能守恒定律的.如物體沿圖1所示光滑曲面滑下的情形，物體在某一時刻處在位置A，這時它的動能是Ek1,重力勢能是Ep1,機械能是E1=Ek1+Ep1.[1]當物體運動到另一位置B，它的動能是Ek2，重力勢能是Ep2，機械能是E2=Ek2+Ep2[1].

圖1 物體沿光滑曲面下滑

以W表示這一過程中重力做的功.根據動能定理，有W=Ek2-Ek1.另一方面，根據重力做功與重力勢能的關系，有W=Ep1-Ep2[1].從以上兩式得，Ek2-Ek1=Ep1-Ep2，移項后，有Ek2+Ep2=Ek1+Ep1，即E2=E1，也就是機械能守恒.但是僅在只有重力對物體做功的情況下推導出機械能守恒定律，學完學生仍會疑惑為什么物體在只受重力或只有重力做功時機械能才守恒，物體受到摩擦力、拉力時，它的機械能就不守恒了嗎？為什么不守恒了呢？

下面介紹一種可以解決學生此種疑惑的教學新思路.

1 教學創新

現代教學論研究指出，通過提問可以激發學生的求知欲，使學生積極投入到思考與學習中[2].同時，新課程理念強調學生是學習的主體，教師應在學生的學習中發揮主導作用，引導學生學習而不能對學生的學習與探究包辦代替，要將探究的權利交還給學生[2].基于以上兩點，本課設計兩條主線，一是以問題為主線，將知識問題化，設計多個環環相扣的問題，使學生產生學習動機，積極思考[2].;二是以探究性活動突破本節課的難點，在實驗探究當中，首先選擇一個粗糙的斜面，用DIS實驗系統測出鋼球在斜面上4個不同點的機械能值，得出結論一：鋼球在粗糙斜面上運動，機械能損失.接著選擇3個粗糙程度不同的斜面，讓鋼球受到的摩擦力逐漸減小，用DIS實驗系統測出鋼球在每一個斜面上4個點的機械能值，并轉化為機械能-位置圖像.將實驗數據轉化為圖像，可以很直觀地看到，斜面粗糙程度越小，機械能損失越少，即結論二.根據3個機械能-位置圖像及結論二，最終推導出斜面完全光滑的情況.當斜面完全光滑，也就是摩擦力為零時，機械能守恒,突破本節的難點，解決學生存在的疑惑：為什么存在摩擦力時，機械能就不守恒了呢？通過采用理想實驗方法，以可靠的實驗事實為基礎，突出主要因素，忽略次要因素[3]，抽象思維得出機械能守恒.讓學生在探究、推理過程中得出結論，消除疑惑，真正理解機械能守恒定律并領悟理想研究方法[4].

1.1 實驗引入 激發興趣

演示小實驗，導入新課.如圖2所示.

圖2 鋼球過山車

教師演示一：鋼球過山車

問題1：鋼球在運動過程中動能和重力勢能如何變化[5]？

問題2：鋼球的動能和重力勢能相互轉化的過程中，機械能是否發生變化呢[5]？

分析：在課堂導入環節，教師利用圓形軌道演示鋼球過山車實驗，引導學生知道動能和重力勢能可以相互轉化，并提出問題：動能和重力勢能相互轉化的過程中，機械能是否發生變化呢？引起學生思考與討論，激發學生學習興趣，引入本節課的探究主題.

1.2 師生合作 探究新知

學生實驗1：探究鋼球在粗糙斜面滾下,機械能是否變化.

實驗器材：一個塑料斜面、已知質量與直徑的鋼球一個、直尺、光電門傳感器、數據采集器、電腦.如圖3所示.

圖3 探究鋼球在粗糙斜面滾下,機械能是否變化

實驗步驟：從斜面頂端自由釋放小球，分別測出小球在斜面A,D,C,B4個位置上的機械能值.

分析實驗數據得到結論一：機械能損失.

分析：教學第一環節，探究鋼球在粗糙斜面下滑的過程中機械能是否變化.為了消除學生的疑惑：為什么物體受到摩擦力時機械能就不守恒，教師提供一個粗糙的斜面和DIS實驗系統，引導學生進行實驗探究后得出結論一：機械能損失.

問題3：那么在粗糙程度不同的斜面上鋼球的機械能損失程度一樣嗎[5]？有什么規律呢？

分析：問題3使學生帶著疑問進行深入探究.

教師演示二+學生分組實驗:探究鋼球從粗糙程度不同的斜面滾下,機械能減少量是否一樣.

實驗器材：毛巾斜面、細布斜面、塑料斜面、光電門傳感器、數據采集器、電腦、直尺、已知質量與直徑的鋼球.如圖4所示.

圖4 探究鋼球在粗糙程度不同的斜面滾下,機械能減少量是否一樣

實驗步驟：

(1)鋼球從毛巾斜面自由滾下，測A，D，C，B4點的機械能；

(2)鋼球從細布斜面自由滾下，測A，D，C，B4點的機械能；

(3)鋼球從塑料斜面自由滾下，測A，D，C，B4點的機械能；

(注意：為了比較性，選擇的4個位置應確定)

(4)為了直觀地描述實驗現象，我們用圖像來表示，將剛才測得的數據轉化為機械能-位置圖像.為了更好地比較鋼球在毛巾斜面、細布斜面、塑料斜面這3個粗糙程度不同的斜面上運動時機械能的損失程度，將3條圖線放在同一個坐標系中，如圖5所示[5].

圖5 鋼球沿不同粗糙程度斜面滾下的機械能對比圖像

問題4：請學生們觀察并互相討論，從這3條圖線中發現了什么？

問題5：如果斜面的粗糙程度再小一些，那么所對應的圖線會怎么樣[5]？

問題6：如果粗糙程度更小呢[5]？

問題7：如果我們這樣依次類推，大家想一下，你會發現什么？

分析：第二環節，探究鋼球在粗糙程度不同的斜面下滑，機械能損失程度有何規律.筆者自制了毛巾、細布、塑料3個粗糙程度不同的斜面.由筆者演示鋼球在毛巾斜面自由滾下，用DIS實驗系統測出鋼球在斜面4個位置的機械能值，接下來由學生分組進行實驗，測出鋼球在細布、塑料斜面滾下的機械能值.并且，為了更加直觀地描述實驗現象，筆者將測得的機械能值輸入Excel表格，轉化成機械能-位置圖像，引導學生觀察分析圖像，得出結論二：粗糙程度越小，對應圖線越趨近水平,機械能損失越少.緊接著，教師通過進階提問引導學生們推理得出如果斜面光滑，鋼球的機械能守恒，如圖6,7,8中用圓圈標志的圖線所示.

圖6 如果斜面比較光滑所得的圖線

圖7 如果斜面更光滑所得的圖線

圖8 如果斜面完全光滑所得的圖線

問題8:光滑的斜面是一種理想模型，是不存在的，我們是根據“斜面粗糙程度越小，對應圖線越趨近水平，鋼球的機械能損失越少”推導出“在光滑斜面上運動的物體的機械能守恒”，這與我們學過的哪個實驗的思維方式相似[5]？

分析：學生們在伽利略理想斜面實驗中已經了解過理想化方法，這里進一步感受運用理想實驗研究物理問題的科學方法，有利于培養學生在研究問題時突出主要矛盾，忽略次要因素的思維方法[3].

(3)驗證推論

根據動能定理W合=ΔEk

推導出在鋼球斜面上運動，有

E1-μmglcosθ=E2

若μ=0，有E1=E2，即如果斜面光滑，鋼球的機械能守恒.

分析:教學第三環節驗證推論.師生利用動能定理，驗證如果斜面光滑，鋼球機械能守恒.將實驗推理與理論知識很好地結合.

1.3 教師引導 歸納條件

問題9:我們知道功是能變化的量度，那么實驗結果中鋼球機械能損失的根本原因是什么？

問題10:物體只要不受到摩擦力，機械能就守恒嗎？

問題11:用一繩子拉著小車在光滑的斜面上勻速前進，小車的機械能守恒嗎？

問題12:機械能在什么情況下會增大？

分析:為了防止學生通過前面的斜面實驗，存在只要物體不受到摩擦力機械能就守恒的錯誤認識，教師通過設置一個拉著小車在光滑的斜面上勻速前進的物理情境，引導學生們想到功是能變化的量度和提出一系列問題從而引導學生得出機械能守恒的條件不僅僅是摩擦力不做功.

問題13:那么機械能守恒的條件究竟是什么？

分析:緊接著教師提問機械能守恒的條件，學生小組討論得到：動能和重力勢能相互轉化，由于功是能變化的量度，因此重力做功，再對在光滑斜面上自由滾下的鋼球受力分析得到只有重力做功.從而歸納出機械能守恒的條件是只有重力做功.從而突破本節課又一難點.在這一過程中學生們經歷了在不同現象中尋找共性的物理研究方法，也得到了機械能守恒定律.

1.4 課堂延伸 鞏固知識

學生實驗2:重錘碰鼻實驗

問題14:重錘從鼻子處靜止釋放，返回來會不會碰到鼻子？請學生們試一下，并解釋現象.

分析:學生參與活動并解釋現象，體會物理來源于生活并反饋于生活的教育理念.

2 教學反思

本節對于學生存在的物體受到摩擦力、拉力時機械能為什么不守恒的疑惑不回避，從學生的思維和視角出發，引導學生利用實驗進行深入研究，利用理想化的方法，對實驗現象進行總結歸納并進行進一步的推理，從而得到如果斜面完全光滑，機械能守恒的結論.并且運用動能定理進行驗證，將實驗探究與理論推導很好地結合.并且為了防止學生通過前面的斜面實驗，存在只要物體不受到摩擦力機械能就守恒的錯誤認識，教師通過設置一個拉著小車在光滑的斜面上勻速前進的物理情境并提出一系列問題，從而引導學生得出機械能守恒的條件不僅僅是摩擦力不做功，接著通過提問引導學生歸納機械能守恒的條件.整個教學過程將實驗探究與理論知識很好地結合，讓學生經歷了運用理想研究方法研究物理問題的過程，讓學生在探究與推理、驗證中消除了“物體受到摩擦力、拉力等力時，或者摩擦力、拉力等力對物體做功時，物體的機械能就不守恒了嗎？為什么不守恒？”的疑惑，是一次較成功的教學探索.