巧設問題情境 激發思維活力——例談“機械能守恒定律”的教學設計

薄祥中

(江蘇省東海高級中學,江蘇東海 222300)

學起于思,思源于疑,疑解于問.問題是科學研究的出發點,是開啟任何一門科學的鑰匙.新課標特別強調問題意識的形成和培養,即讓問題成為學生感知和思維的對象,從而在學生心里造成一種懸而未決但又必須解決的求知狀態.這就需要教師在課堂教學中,適時、合理地創設問題情境,營造一種現實而富有吸引力的學習氛圍,激發學生的思維活力,使學生處于“心欲求而未得,口欲言而不能”的狀態,引導學生在教師創設的問題情境中不斷地進行探索活動,使知識更好地被學生接受、內化.那么,如何來創設問題情境,激發學生的思維活力呢?本文以“機械能守恒定律”一節課為例,來談談教學設計的問題.

1 創設問題情境,引入新課

問題1:同學們坐過過山車嗎?

生:有的回答坐過,有的回答沒有坐過.

問題2:下面,大家看一段視頻(有關人們坐過山車的一段影視資料,如圖1所示.請同學們用兩個字或一個字概括坐過山車的感覺.

生:用兩個字概括“刺激”,用一個字概括“爽”!

師:這里帶來一個過山車模型,下面我們演示小球的運動,請同學們注意觀察.

教師演示小球的運動(如圖2).

問題3:如果從能量的角度分析,你認為該實驗說明了什么?

生:小球的動能和勢能可以相互轉化.

問題4:你能舉出更多的動能和勢能相互轉化的事例嗎?

生:從高處流下的河水;壓縮的彈簧把物體彈出去;高山滑雪;蕩秋千;等等.

用多媒體課件展示動能和勢能相互轉化事例的典型圖片.

師:從上面的討論可以看到,重力勢能、彈性勢能與動能可以相互轉化.那么在能量相互轉化的過程中,它們的總量是否發生變化呢?這節課我們就來探究和學習這方面的知識.

板書:第8節 機械能守恒定律

2 設計問題鏈,激發思維活力,進入新課教學

師:從同學們列舉的事例中可以看到,重力勢能、彈性勢能和動能之間具有密切的聯系,我們把它們統稱為機械能.

板書:(1)機械能的概念:重力勢能、彈性勢能和動能統稱為機械能.

(2)機械能的表達式:E=Ek+Ep.

問題5:動能和勢能的相互轉化是否存在某種定量的關系?

問題6:我們如何來探究這個問題呢?

生:可以通過實驗探究.

通過多媒體展示,引導學生做小球擺動的探究實驗.

圖3

學生分組活動1:如圖3所示,用細線、小鋼球、帶有標尺的鐵架臺等做實驗.

用細線將小鋼球懸掛起來,把小球拉到一定高度的 A點,然后放開,小球在擺動過程中,重力勢能和動能相互轉化.

觀察現象:如圖3所示.

問題7:通過探究,完成表1中的相關問題(投影表格).

思考問題,選出代表發表見解.

教師點撥:小球在擺動過程中受重力和繩的拉力作用.拉力和速度方向垂直,對小球不做功.只有重力對小球做功,重力做正功,重力勢能減小,動能增加;重力做負功,重力勢能增大,動能減小.

表1

學生總結:小球在擺動過程中重力勢能和動能在不斷轉化.在擺動過程中,只有重力做功,小球總能回到原來的高度.可見,重力勢能和動能的總和,即機械能總量應該保持不變.

學生分組活動2:將小鋼球換成乒乓球再做實驗,進一步觀察現象,完成上述表格.

學生實驗,思考問題,選出代表發表自己的見解.

學生們發現乒乓球很快停下來,引導他們分析原因(這是由于乒乓球受到空氣阻力的作用).

問題8:小球有時擺到原來的高度,有時不能擺到原來的高度.什么情況下機械能總量保持不變?

學生小組討論,探討結論.

師生總結:在只有重力做功的情況下,重力勢能和動能相互轉化,機械能的總量保持不變。

問題9:剛才同學們通過實驗探究了重力勢能與動能相互轉化間的定量關系,請問你們能否用理論知識來進行分析、推導嗎?

圖4

多媒體課件投影問題情景:質量為m的小鋼球用細線懸掛,在擺動過程中(如圖 4所示),經過高度 h1的A點時速度為v1,經過高度 h2的 B點處速度為v2,不計空氣阻力,取最低點為參考平面,試用動能定理推導這兩點間機械能之間的數量關系.

生(兩人):上黑板板演推導過程.

分析與研究:小鋼球從 A點運動到B點的過程中只有重力做功,根據動能定理可得

師生總結:在只有重力做功的情況下,重力勢能和動能相互轉化,機械能的總量保持不變.

問題10:彈性勢能與動能的轉化是否滿足此規律呢?

演示實驗:小鋼球做的往復運動(圖5所示).

學生觀察現象.

問題11:這個實驗中,小球能否回到原來的位置?是什么能量之間的轉化?轉化有什么規律?

生:小球能回到原來的位置.在運動過程中,彈性勢能和動能相互轉化.在轉化過程,其機械能不變.

師生總結:在只有彈簧彈力做功的情況下,物體的動能與勢能可以相互轉化,物體的機械能總量不變.

圖5

問題12:如果物體既具有彈性勢能又有重力勢能,那么它們與動能之間的轉化是否滿足此規律呢?

生:可能也滿足.

演示實驗:小鋼球在豎直方向運動的實驗(圖6所示).

問題13:這個實驗中,小球能否回到原來的位置?是什么能之間的轉化?轉化有什么規律?

圖6

生:小球能回到原來的位置.在運動過程中,重力勢能、彈性勢能和動能相互轉化.在轉化過程,其機械能不變.

師生總結:在只有重力或彈簧彈力做功的情況下,動能和勢能可以相互轉化,總的機械能保持不變.這就是機械能守恒定律.

板書:(3)機械能守恒定律的內容:在只有重力或彈力做功的情況下,動能與勢能可以互相轉化,而總的機械能保持不變.

(4)定律的表達式:E1=E2或 Ek2+Ep2=Ek1+Ep1.

(5)定律成立條件:只有重力或彈力做功.

3 移植應用,親身檢驗,鞏固新知

(1)說一說

①跳傘員利用降落傘在空中勻速下落中,機械能是否守恒?

參考答案:不守恒.因為跳傘員勻速下落,其動能不變,重力勢能減少,所以機械能減少.

②擲出的鉛球在空中運動過程中,機械能是否守恒(空氣阻力不計)?

參考答案:守恒.因為鉛球在空中只受重力作用.

(2)練一練

圖7

如圖7,桌面的高度為 h,質量為m的小球從離桌面高為H的地方自由下落,不計空氣阻力,假設桌面處的重力勢能為零,則小球落地之前的瞬間的機械能為

(A)mgh. (B)mgH.

(C)mg(H+h).

(D)mg(H-h).

參考答案:(B).小球在下落的過程中機械能守恒,落地之前的瞬間的機械能等于最高點的機械能,即mgH.

(3)算一算

把一個小球用細繩懸掛起來,就成為一個擺(如圖8所示),擺長為 L,最大偏角為 θ.如果阻力可以忽略,小球運動到最低位置時的速度有多大?

解析:把最低點的重力勢能設為零,小球從最高點向最低點運動過程中只有重力做功,機械能守恒.

小球在最高點時的機械能為

圖8

小球在最低點時的機械能為

(4)歸納:應用機械能守恒定律的基本思路.

①選取研究對象,確定研究過程.②進行受力分析,考察守恒條件.③恰當地選取參考平面,確定初、末態的機械能.④運用守恒定律,列出方程求解.

4 歸納小結,升華新知

引導學生從知識及能力兩個方面進行概括歸納.

(1)動能和勢能的相互轉化

①重力勢能和動能的相互轉化.②彈性勢能和動能的相互轉化.③重力勢能、彈性勢能和動能的相互轉化.

(2)機械能守恒定律

①內容:在只有重力或彈力做功的物體系統內,動能和勢能能夠相互轉化,而總的機械能保持不變.②應用機械能守恒定律解決問題時,應首先分析物體運動過程中是否滿足機械能守恒條件,其次要正確選擇所研究的物理過程,正確寫出初、末狀態物體的機械能表達式,再根據機械能守恒定律列式求解.

(3)物理定律的研究方法

觀察-實驗-分析推理(理論證明)-應用.

總之,情境是放飛思想的舞臺,問題是打開思維的鑰匙.在物理課堂教學中只要教師與學生的思維劇烈碰撞而“產生火花”,就能開出鮮艷的思維“花朵”.