“探究動能大小與哪些因素有關”實驗的教學設計

繆美根

摘要：本文通過對“探究動能大小與哪些因素有關”這一實驗的教學設計，介紹了如何根據新課程的要求進行科學的實驗探究，對探究過程中的各個環節做了深入剖析并在教學結束后對本實驗進行了總結和體會。

關鍵詞：教材分析 能量概念 科學探究 改進嘗試 總結體會

一、教材分析和實驗教學設計的思想

《動能·勢能·機械能》這節的實驗有“探究影響動能大小因素”、“影響勢能大小因素”及“動能和勢能相互轉化的單擺”實驗等。而探究“影響動能大小因素”的實驗是重點，因為“影響動能、勢能大小因素”實驗的探究方法基本相同，如果學生能自主完成“探究決定動能大小因素”的實驗，那么完成后面的實驗就水到渠成。而在設計實驗時可以側重讓學生討論、交流可行性實驗方案，這樣的設計思想旨在有效培養學生實驗設計的能力，切實提高學生自主探究實驗的能力。

二、實驗教學設計的具體過程

1.舉例引題，先建立能量概念。

動能、勢能必須涉及什么是能量，而能量概念又比較抽象，對初中生來說，直接講理解起來是有難度的。筆者認為首先舉些學生在日常生活中常聽到的“能量”俗語，如風能、水能、電能、太陽能等引入“能量”這個初步概念。再從實例中歸納出能量的定義，如流動的水、張開的弓、舉高的鐵錘等都能夠對其他物體施力，并使其在力的方向上移動一段距離，即都能對其他物體做功，從而概括出能量的概念：一個物體能夠對其他物體做功，就說它具有能量。做功越多，表明具有的能量就越大。當然具有能量的物體不一定做功，如放在高處的靜止物體，并沒有對其他的物體做功，所以具有能量的物體能夠做功，或者說具有做功的本領。同時強調做功的過程就是能量的轉化過程，因為一旦對別的物體做了功，物體的能量就會減小，甚至沒有能量。通過這種抽絲剝繭、循序漸漸的方法引導學生、幫助學生逐步建立能量概念。

2.再多舉生活實例，初步形成動能概念。

理解能量概念后，再引入動能概念就順理成章了。通過書本上“運動著的錘子能將釘子釘入木板中”、“運動著的子彈能射穿雞蛋”兩個例子說明運動的物體也能夠做功，也具有能量，幫助學生形成動能概念。再結合多媒體播放車禍、海嘯摧毀建筑物、代表科學前沿的“水刀”等視頻，讓學生感知生活中運動的汽車、海嘯具有很大的動能，造成的破壞力很強，“水刀”視頻讓學生認識到水不僅有柔的一面，水在高速沖擊下像一把鋒利的刀，可以切割堅硬的物體，通過視頻震撼學生的心靈，顛覆學生傳統的錯誤觀念，進一步加深對動能的理解。

3.引導學生實驗探究，培養學生的科學探究能力。

（1）引導學生提出影響動能大小因素的猜想。

運動著的物體因為能夠做功，所以具有動能，并且做功越多，具有的動能就越大，說明動能有大有小。那么動能大小由哪些因素決定呢？針對這個問題筆者認為通過一些實例引導學生作出猜想。書本上的“高速公路限速標志牌”是比較好的例子，可以引導學生提出這么幾個問題：第一個問題：為什么要限制汽車行駛的最大速度？因為汽車速度越快，動能可能會越大，所以要對汽車限速，說明汽車的動能可能與速度有關：第二個問題：為什么不同的汽車限制的最大速度不同？因為不同汽車質量不同，所以動能可能也不同，說明汽車的動能還可能與質量有關，還可以舉“飛來的足球可以用腳踢，而飛來的鉛球唯恐避之不及”等例子補充說明動能與質量有關。

（2）引導學生采用控制變量法探究影響動能大小因素。

初三學生控制變量法運用比較熟練，很容易在小組討論、交流的基礎上給出合理的實驗設計思想，即探究動能大小與速度關系時，控制質量不變：探究動能大小與質量關系時，控制速度不變。如何保持質量不變，比較容易，但如何保持速度不變，這個實驗方案在初二“探究阻力對運動物體的影響”實驗中學習過，通過轉換的方法把斜面高度轉換成小車到達水平面的速度，因此，只要小車每次從斜面相同高度靜止滑下，到達水平面的速度就相同。當時探究的是同一輛小車有這樣的結論，那么不同質量的物體從斜面相同高度靜止滑下時，到達水平面的速度也相同嗎？書本上的信息快遞直接給出結論，筆者認為讓學生自主設計實驗方案并驗證這個結論是有價值的。因此，為了方便學生設計出控制速度相同的實驗方案，可以給學生提供如下器材：斜面和水平面、兩個形狀相同的鐵、鋁圓柱體。實驗操作是：讓鐵、鋁二個圓柱體分別從兩個斜面相同高度同時靜止滾下，觀察到它們同時到達水平面，說明不同質量的物體只要從相同的斜面高度滾下，到達水平面的速度就相同。事實上學生在語文課中學過《兩個鐵球同時落地》的課文，講的就是伽利略從比薩斜塔上相同高度同時釋放兩個質量不同的鐵球同時落地的現象。所以在探究動能與質量關系時只要讓鐵、鋁二個圓柱體從斜面同一高度靜止滾下即可控制它們在撞擊木塊時速度相同。由于圓柱體的動能無法直接測量，撞擊木塊的目的是為了讓圓柱體對木塊做功，圓柱體對木塊做功越多，木塊移動的距離就會越遠。因此，實驗中用推動木塊移動的距離反映圓柱體的動能大小。在探究動能大小與速度關系時，學生很容易通過實驗現象明白同一圓柱體從斜面高處滾下比低處滾下速度大的道理。

（3）規范探究過程，提高學生科學探究素養。

物理實驗探究一般遵循提出猜想、實驗設計、實驗操作、收集實驗數據、分析數據得出結論、相互交流作出評價等環節。這就要求學生按照一般的順序進行實驗探究，規范探究過程，提高學生的科學探究素養。

另外，在實驗設計環節中還包括器材選擇和實驗表格設計，本實驗可選擇如下器材：鐵、鋁圓柱體，斜面和水平面、紙盒、刻度尺。實驗記錄數據表格可按如下設計。

三、課堂教學過程中改進實驗設計的嘗試

“探究影響動能大小因素”實驗，雖然教材上沒要求學生分組，但很多老師在實際教學過程中安排了學生分組實驗。但筆者認為教材上的實驗器材和某些操作如作調整，效果更好。

1.用硬紙盒代替木塊，因為紙盒比較輕，推動它時移動的距離長短較明顯，并且碰撞時不易彈開。

2.教材上是用小車來推動木塊做功，一旦斜面沒放正或有傾斜，小車容易從斜面滑落，或者即使不滑落小車有了偏差，推力不在木塊中間，會影響木塊滑行距離；如果改用較長的圓柱體（如鐵、鋁圓柱體）橫放斜面滾下，就可以克服小車的這些缺點。

3.教材是通過增加鉤碼改變小車質量，因此，當斜面較陡時，小車從斜面沖下時會因撞擊水平面而受到一個較大的阻力，小車上的鉤碼容易飛出，存在安全隱患；如果改用二個形狀相同的鐵、鋁圓柱體代替小車，則既改變質量又比較安全。

4.把斜面與水平面的連接處改為弧形，可以克服圓柱體滾下時受到一個較大的阻力，不影響圓柱體在水平面上的速度。

5.另外，如果在斜面和水平面中間開一條光滑的溝槽，斜面與水平面平滑連接，同時兩溝槽端口對齊，用形狀相同的鐵球或鋁球沿著斜面溝槽滾下推動紙盒，這樣的實驗改進比較理想，實驗效果很好。

四、實驗后的總結與體會。

本節內容中“探究影響動能大小因素”實驗是課堂教學重點，學生自主完成本實驗的探究后，以此為范例可以自主完成“影響勢能大小因素”的實驗探究，也為以后的類似的實驗探究提供參考。另外，在探究動能與質量關系時，引導學生設計如何控制速度相同，并用實驗加以驗證，這種設計思想和方法在學習物理過程中十分可貴，應加以推廣。

總之，學生通過本實驗自主探究，主要收獲在于一方面可以提高學生實驗設計和科學探究實驗的能力，培養學生實事求是的科學態度，并使學生弄清什么時候該用什么樣的方法進行科學探究，而不是僅僅告訴學生什么是控制變量法。另一方面通過實驗探究加強學生動手能力，鍛煉學生的交流評價能力。