“追尋守恒量”的教學設計及反思

蘇許輝

(浙江省寧波中學,浙江寧波 315100)

“追尋守恒量”的教學設計及反思

蘇許輝

(浙江省寧波中學,浙江寧波 315100)

1 教材分析

(1)“追尋守恒量”是人教版實驗教科書《物理》(必修2)第七章“機械能守恒定律”中的第1節課,它是后面幾節課中涉及動能、勢能、機械能等概念的基礎,因此在整個高中物理知識體系中,本節是一個新的開端,主要應對學生進行科學思想和方法的教育.

(2)能量的概念是伴隨人類對能量守恒的認識同步發展起來的;守恒是自然界普遍遵循的重要基本規律.能量及其守恒的思想與牛頓的力學的研究思路有所不同,能量及其守恒的思想從更抽象層次上反映了物質運動和相互作用的本質.

2 學情分析

(1)本節課的教學對象為高一新生,他們已經在初中學過動能、勢能、能量等概念,但對守恒思想的認識不夠深刻.

(2)學生對用牛頓定律分析物理問題比較熟悉,但對用能量的方法分析問題還不太清楚.

3 教學目標

3.1 知識與技能目標

(1)知道守恒是自然界的重要規律;

(2)了解勢能和動能的概念;

(3)會分析生活中有關能量轉化的問題.

3.2 過程與方法

(1)通過對生活中物質守恒、質量守恒的例子分析,培養學生類比能力和知識遷移能力;

(2)體會伽利略理想斜面實驗的過程和方法;

(3)會分析動能與勢能間的相互轉化;

(4)經歷探究過程,揭示守恒量,讓學生認識到科學探究的意義.

3.3 情感、態度與價值觀

(1)通過“追尋守恒量”,使學生領會尋找守恒量是科學研究的重要思想和方法,初步樹立能量轉化與守恒的觀點;

(2)通過展示自然、生活和生產中能量守恒的例子,使學生認識到能量守恒的普遍性,從而認識到能量守恒的社會價值.

4 教學重點難點

教學重點難點:認識到守恒是自然界的重要規律.

5 教學過程

5.1 創設情景,引入新課

舉例:兩個同學下象棋,不小心棋盤被打翻了,一顆棋子找不到了,一位同學就找啊找,最終在房間的某個角落找到了,支持這位同學找下去的信念是什么?

學生:因為他堅信這顆棋子不會憑空消失.

設計說明:同時從學生的生活經驗出發,歸納出所舉例子的特點:我們堅信,某個物體既不會憑空消失,也不會憑空產生.從而引出今天的課題:科學研究中的守恒規律. 5.2 認識守恒,探究方法

問題1:有兩個燒杯,A燒杯和B燒杯.A燒杯中放了一些沙子,B燒杯是空的.如果將 A燒杯中的沙子倒一些到B燒杯中,這個過程中有沒有守恒量?

圖1

學生:有,它們的總質量不變.

問題2:如何才能證明我們的猜想呢?

學生:用天平稱量質量.如圖1所示,有少量沙子的A燒杯和空燒杯B放在同一托盤,右邊托盤放入砝碼,調節天平平衡.

實驗:將A燒杯中的少量沙子倒入B燒杯中,天平平衡.逐漸增加倒入的量,天平一直處于平衡狀態.

情景建模:記A燒杯中沙子質量為mA,B燒杯中沙子質量為mB,則有mA↓+mB↑=不變量.

學生小結1:通過這個實驗認識了守恒的特點:(1)過程中有變化;(2)變化中有不變量.

學生小結2:找到了一種尋找守恒量的方法:找出減少量和增加量,并探究它們之間的關系.

設計說明:為了追尋守恒量,首先應使學生認識守恒,知道守恒量的特點和研究守恒量的方法.讓學生感受到生活中處處有科學思想,而且科學和生活密不可分.

5.3 引導探究,歸納規律

實驗:如圖2所示,將一個球用繩子懸掛在黑板上,讓小球從一位學生鼻尖處靜止釋放,當小球擺回來時,該學生的鼻子還很安全.

實驗小結:由于空氣阻力的影響,球擺回來的高度肯定沒有原來的高度高;并且堅信:如果沒有空氣阻力,小球將回到原來的高度.

教師:這個球好像很有“靈性”,能夠“記得”自己的初始位置.早在17世紀,意大利物理學家伽利略就從這里受到了啟發,并用理想斜面實驗來研究這個問題.

圖2

模擬實驗:模擬伽利略斜面實驗(圖3).

圖3

引導小結:由于小球和斜面之間實際上是存在摩擦的,因而小球上升的高度比初始高度低一點.但我們可以推理出理想情況:如果能消除摩擦,那么小球上升的高度將和原來完全一樣.

教師:當年伽利略改變斜面的傾角,發現這個有“靈性”的小球同樣“記得”原來的高度.然而,“記得”并不是物理學的語言.后來物理學家把這一事實說成是“某個量是守恒的”.即在這個過程中有一個量是守恒的,接下來我們探究什么量是守恒的.

學生猜想1:高度↓+速度↑.

學生猜想2:勢能↓+動能↑(機械能).

學生討論,并在教師引導下進行總結:

(1)高度與速度具有不同的物理意義:高度描述物體的位置,速度描述物體的運動狀態;并且它們有不同的單位,是不同的物理量,因此不能相加.

(2)動能和勢能都表示物體具有的能量;并且動能和勢能具有相同的單位,可以相互轉化,這里應該是動能和勢能之和(機械能)守恒.

教師:這里確實是機械能守恒,具體的證明我們將在后面幾節中學習.

應用:用機械能守恒的方法分析“碰鼻子”實驗:如果忽略空氣阻力,小球擺動的最大高度將和初始高度相同.

學生:末狀態和初位置的動能都為零,因此小球在初位置和末位置的勢能相同,所以有相同的高度.

設計說明:

(1)讓學生參與驚險的“碰鼻子”實驗.通過學生的親身體驗,吸引了學生的注意力,活躍了課堂氣氛,提高了學習的積極性,同時又能引發學生思考:小球上升的高度為什么和初始高度相同,從而進一步激發學生的求知欲.

(2)伽利略理想斜面實驗在物理學史上具有重要的地位,充分體現了伽利略的科學思想和方法,因此這里有必要,將其原來的設計、裝置及操作、論證方法再現出來,使學生跟蹤偉大先驅的足跡,領會他的探究思路,獲得從常規教學中得不到的感悟,從而有助于他們獲得認識世界和進行科學研究的能力和方法.

(3)利用前面“天平實驗”得出的規律,從引導學生科學猜想出伽利略斜面實驗中的守恒量,并由此規律解釋“碰鼻子”實驗中的現象.使學生認識到用守恒規律可以簡單而準確地解決這些問題,從中又使他們感受到物理規律的簡捷美.

5.4 展示生活情景,建立新的物理模型,追尋新的守恒量

生活情景:人們周圍生活中運動的物體最終都會停下來.

圖4

實驗:小球在粗糙水平面上很快停止運動(圖4).

分析:如果規定水平面為參考平面,則小球最終的勢能為零,動能也為零,機械能不守恒.

類比前面“找象棋子”的例子,并結合生活經驗提出猜想.

猜想1:減少的機械能不會憑空消失;

猜想2:冬天搓手會熱,說明摩擦產生熱量,這里應該是機械能轉化成了內能.

小結:這個過程中機械能和內能之和守恒.

設計說明:由于空氣阻力、摩擦阻力等的存在,生活中的運動物體最終都會停下來,這與原有的知識產生矛盾,機械能不再守恒.那么,這個過程中有沒有守恒量呢?由此將學生的思維活動引導到更高的層次:不同的能量形式可以轉化.

5.5 生活中能量轉化的事例剖析

為了使學生進一步認識到能量轉化和守恒的普遍性及其科學、社會的價值,筆者又向學生展示了涉及人類生命活動中能量的消耗以及太陽能、地熱能、風能、水能等利用的圖片(共2組8幅),供學生們思考、討論,以進一步加深認識和理解(限于本文的篇幅,這些投影圖片的內容從略了).

設計說明:(1)人類的生命生活伴隨著大量的能量消耗;(2)使用清潔能源能有效減少溫室氣體的排放,保護地球環境.

5.6 小結

(1)動能、勢能、內能、太陽能、風能、電能等都是能量的表現形式.19世紀中葉,人們認識到了它們之間的聯系——在傳遞和轉化的過程中總量是守恒的,最終確立了能量守恒定律.

(2)之前分析物理問題的時候,是從牛頓運動定律進行分析的.今天我們知道了自然界中能量是守恒的,不同的能量可以進行轉化,因此,這里提供了一種分析問題的方法:即以能量的觀點進行分析.

6 教學反思

(1)本節課的定位很重要,既不是講能量守恒定律,也不是講人們發現能量守恒定律的歷史.主要是使學生領會尋找守恒量是科學研究的重要思想及方法,也是物理學家們的不懈追求.通過教學使學生初步樹立能量守恒與轉化的觀點,同時通過展示自然、生活和生產中的例子,使學生認識到能量轉化與守恒的普遍性.

(2)新課引入是一個重要的教學環節,對調動學生學習的積極性、主動性和激發求知欲,都有不可估量的作用.這節課中,通過創設情景,從對生活現象的思考出發,進而引出今天的課題:尋找科學研究中的守恒量.在教學的過程中,不是直接告訴學生追尋守恒量的方法,而是通過文中介紹的“天平實驗”讓大家歸納守恒的特點,并進一步探索尋找守恒量的方法,接著應用這個方法去猜想伽利略理想斜面實驗中的守恒量,最終得出普遍的結論.這樣的教學設計和安排充分顯示了物理學及其研究方法之美.

(3)本節課在整體設計思路上,從機械能守恒→機械能+內能守恒→能量守恒,守恒的范圍逐漸增大,不但說明守恒是有范圍的,也說明守恒是自然界的普遍規律,因此人們尋找守恒量是可行的,也是很必要的.

2010-06-09)