促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展的課堂教學(xué)實(shí)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(dá)式的推導(dǎo),教材讓學(xué)生感知運(yùn)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(yùn)動的分析得出動能的表達(dá)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(dá)式。教材中“動能定理”表達(dá)式的推導(dǎo)的出發(fā)點(diǎn)是牛頓第二定律以及運(yùn)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(dá)式。在實(shí)際學(xué)習(xí)中,可以放手讓學(xué)生推導(dǎo)動能定理的表達(dá)式,進(jìn)一步聯(lián)系生產(chǎn)生活,理解動能定理并運(yùn)用動能定理解決實(shí)際問題，從而讓學(xué)生經(jīng)歷從感性認(rèn)識到理性認(rèn)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(jìn)其個性全面健康發(fā)展。

2 促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

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(jì)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(yùn)動定律、運(yùn)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(zhǔn)備了知識基礎(chǔ)。

2.2 教學(xué)目標(biāo)

物理觀念:知道動能的定義、單位、表達(dá)式和矢標(biāo)性;知道動能定理及其適用范圍。

科學(xué)思維:運(yùn)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(yùn)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(shí)例,分析汽車行駛的安全問題,認(rèn)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(yùn)動的物體具有動能，推導(dǎo)動能表達(dá)式,進(jìn)而推導(dǎo)出動能定理,最后運(yùn)用生產(chǎn)生活實(shí)例理解動能定理。

2.4 課堂教學(xué)實(shí)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(yùn)動的熱氣球、運(yùn)動的行星、飛馳的汽車等。

師：這些物體具有什么能量？特點(diǎn)是什么？和做功有什么關(guān)系？

生：它們都在運(yùn)動,因?yàn)檫\(yùn)動而具有能量。

師：物體由于運(yùn)動而具有的能量叫做動能。

設(shè)計(jì)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(biāo),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(jì)意圖：建立動能的概念,為動能表達(dá)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(dá)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(yùn)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(jì)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(dá)式,建構(gòu)物理概念,進(jìn)而深化對功能關(guān)系的理解,促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維水平的發(fā)展。

任務(wù)3 動能表達(dá)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(biāo)量？

生：沿著各個方向運(yùn)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(biāo)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?yán)镒幻丝?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(yùn)動狀態(tài)；速度是矢量,動能是標(biāo)量,其數(shù)值始終大于零。

設(shè)計(jì)意圖：深入理解動能的概念,強(qiáng)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(yùn)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(jì)意圖：通過建構(gòu)模型,讓學(xué)生運(yùn)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(jìn)一步深化能量觀念的認(rèn)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(fù)功,物體的動能減少,動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。

設(shè)計(jì)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(rèn)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(jī)從發(fā)現(xiàn)情況到進(jìn)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(yùn)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(yùn)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(shí)際問題時,若不涉及到中間的量,如a、t等,優(yōu)先考慮運(yùn)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(yùn)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(jì)意圖：理論聯(lián)系實(shí)際,學(xué)會應(yīng)用物理知識解決實(shí)際問題。對比兩種方法在解決實(shí)際問題中的異同,深化對能量觀念的認(rèn)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(jìn)深度學(xué)習(xí)

實(shí)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(yùn)用動能定理求解，有：mgsin37°l1-μmgcos37°l1-μmgl2=0-0,解得：l2=3.5m。

設(shè)計(jì)意圖:通過實(shí)踐訓(xùn)練,使學(xué)生熟悉使用動能定理解決實(shí)際問題的一般思路與步驟,進(jìn)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(yùn)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(jìn)階模式,讓學(xué)生思維由低階不斷向高階漸進(jìn)，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(qiáng)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(jì)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(dá)成課程目標(biāo),提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。