“探究彈性勢能的表達式”理論探究式教學設計

姚君蘭

(浙江省嵊州市第一中學,浙江 嵊州 312400)

1 對理論探究式教學的認識

《高中物理課程標準》強調“高中物理課程應促進學生自主學習,讓學生積極參與,合作交流,樂于探究,勇于實驗,勤于思考.”針對傳統的物理課堂教學弊端,提出要優化課堂教學,提高教學質量,就應該還主動權于學生,倡導“強調情景——探究——體驗——應用”的探究式課堂教學.而探究教學并不單指實驗探究,它包括理論探究和實驗探究,相比較理論探究在課堂教學中更為普遍.理論探究教學指在新課教學中把概念、規律等作為研究對象讓學生自主發現、體驗、論證、推廣,親身經歷知識的形成、發展過程.本文以“探究彈性勢能的表達式”為例,進行理論探究式教學的探索.

2 “探究彈性勢能的表達式”教學設計

2.1 教學目標

知識與技能:理解彈性勢能的概念及意義,學習計算變力做功的思想方法,并解釋有關現象.

過程與方法:(1)猜測彈性勢能的表達式與哪些因素有關,培養學生科學預測的能力.(2)體會計算拉力做功的方法,體會微分思想和積分思想在物理學上的應用.

情感、態度與價值觀:通過對彈性勢能公式的探究過程和所用方法,培養學生探究知識的欲望和學習興趣,體會彈性勢能在生活中的應用.培養探究活動中的合作意識與團隊精神.

2.2 教學重點、難點

重點:探究彈性勢能公式的過程和使用方法.

難點:理解微元法把變力做功轉化為恒力做功,體會其中的微分、積分、逼近思想.

2.3 教學過程

(1)課題引入:先復習勢能及重力勢能概念,然后用多媒體展示張弓射箭、撐竿跳高、卷緊的發條等圖片,引出彈性勢能概念.

(2)提出中心問題:彈簧的彈性勢能的表達式是怎樣的?

(3)創設情境,引導學生猜想

教師出示兩個不同的彈簧,讓學生感受拉伸或壓縮,從而猜想假設:彈性勢能的大小可能與哪些因素有關?

學生可能猜出:長度,伸長量,壓縮量,彈力,勁度系數,形變量,質量,材料,匝數,半徑,鋼絲粗細,匝密度等等.教師引導學生之間討論交流,最后形成一致意見:與勁度系數k和形變量(伸長量或壓縮量)l有關.

(4)指導方法,引導探究

問題探究1:彈性勢能的表達式如何來研究呢?

引導學生類比于我們是如何得到重力勢能的──從重力做功入手,得到研究彈性勢能也從拉力對彈簧做功入手.

問題探究2:拉力等于彈力,而彈力要隨彈簧形變量的變化而變化,是變力,如何計算變力做功呢?

①研究彈力的特點:用公式表示F=kx,再讓學生畫出拉力F與彈簧形變量x的關系圖.

②教師提出:彈力是變力,我們不能直接用W=Fs公式計算,因為這個公式只適用于恒力做功.那我們能不能想辦法把這個變力近似變成不變的力呢?學生交流討論,教師引導學生類比于學過的知識方法來思考.

前面學的計算做曲線運動的物體重力所做的功時,我們是把曲線細分成很多段的直線,然后把物體在每個一小段的傾斜直線上所做的功算出來,然后把這些功全部相加就得到整個過程中重力所做的功.因此把彈簧從A到B的過程分成很多小段,長度分別是Δl1,Δl2,Δl3,…在各個小段上拉力可近似認為是不變的,他們分別是F1,F2,F3,…所以在各個小段上,拉力做的功分別是F1Δl1,F2Δl2,F3Δl3,…則拉力做的總功是W=F1Δl1+F2Δl2+F3Δl3+….

問題探究3:如何計算此求和式?

引導學生回憶起我們還可以利用圖像法解決問題,如類比于勻加速直線運動的位移計算方法,在位移公式推導出來之前我們是通過怎樣的方法去計算位移的?學生回答(如圖1所示).

圖1

教師引導學生巧妙運用F-l圖像求得變力F所做的功(如圖2所示).

圖2

3 教學反思

通過上一節“重力勢能”的學習,學生已經初步體驗到“研究重力勢能是從重力做功入手”以及“功是能量轉化的量度”,并且學生已具有一定的知識遷移能力.因此可以讓學生通過類比,也從拉力做功入手來研究彈簧的彈性勢能.因為重力的功與重力和物體的位置變化有關,彈力的功與彈力和彈簧的形變量有關,這樣的猜想是很容易想到的.關鍵的問題是如何研究拉力的功,同樣讓學生回憶并類比研究勻變速直線運動的位移的方法,將彈簧的形變過程分成很多小段,每一小段中近似認為拉力是不變的,而且上一節中研究當路徑是曲線的時候,研究重力所做的功也是將曲線分成很多近似直線來處理的,這點學生也是容易想到的.對于彈性勢能的概念及其產生的條件,通過事例和自己的經驗及教師的演示,學生也比較容易理解,并猜想得到彈性勢能會與哪些因素有關,以及彈性勢能與拉力之間的關系,但對于計算拉力所做的功時所用的類比方法和微積分思想則需要教師的引導.