“機械能守恒定律”教學設計分析

蔡杰

[摘 要]機械能守恒定律是高中物理的重要內(nèi)容，是能量法解決力學問題的重要規(guī)律。文章結(jié)合教學實踐，對機械能守恒定律的教學設計進行了分析探討。

[關(guān)鍵詞]機械能守恒；教學設計；規(guī)律歸納；簡單應用

[中圖分類號] G633.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 16746058（2017）32004202

“機械能守恒定律”一直是高中物理教學的重點，也是學生學習的難點，不少學生對機械能守恒定律及其守恒條件理解把握不準。筆者從實際教學出發(fā)，對該節(jié)內(nèi)容進行了調(diào)整和設計，與大家分享。

一、分析具體實例中勢能和動能的轉(zhuǎn)化

播放視頻：①蕩秋千；②射箭。

師：蕩秋千和射箭的過程中，動能和勢能是怎樣轉(zhuǎn)化的？通過什么方式實現(xiàn)？

生：小孩在下降過程中，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能；在上升過程中，動能轉(zhuǎn)化為重力勢能。箭被射出去的過程中，彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能。動能、勢能（重力勢能、彈性勢能）統(tǒng)稱為機械能。通過重力或彈簧彈力做功，機械能可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。

二、尋找動能和勢能轉(zhuǎn)化過程中所遵循的規(guī)律

1.動能和重力勢能之間的轉(zhuǎn)化

（1）實驗1.擺球?qū)嶒?/p>

將小鋼球用細線懸掛起來，把小球拉到一定高度的A點，然后放開，讓小球在同一平面內(nèi)擺動，觀察小球所達到的最大高度。

在某個位置P擋住懸線，看一看這種情況下小球所能達到的最大高度。將小鋼球換成泡沫球，再次重復實驗。

師：

實驗現(xiàn)象是什么？實驗說明了什么？

小球受哪些力？哪些力做功？

根據(jù)實驗現(xiàn)象，說說動能和勢能轉(zhuǎn)化過程中所遵循的規(guī)律，可提出怎樣的猜想？

生：小鋼球能到達的最高處與釋放處是等高的，說明小鋼球在擺動的過程中某一物理量不變。泡沫球到達的高度越來越低。

小鋼球受重力和繩子的彈力作用，但只有重力做功。泡沫球受重力、繩子的彈力和空氣阻力，除了重力做功外，還有空氣阻力做功。

在只有重力做功時，小鋼球的機械能保持不變。

（2）理論推導

一個質(zhì)量為m的小球沿著光滑的曲面滑下，在A點時速度為v1，高度為h1；在B點時速度為v2，高度為h2。選擇地面為參考平面，請比較小球在A、B處的機械能大小。

師：根據(jù)動能定理寫出小球從A到B的過程中，合力做功與動能變化的關(guān)系。

寫出小球在A點的機械能E1和B點的機械能E2。

比較小球在A點和B點的機械能，能得到什么結(jié)論？

所以，在只有重力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變。

2.動能和彈性勢能之間的轉(zhuǎn)化

實驗2.水平彈簧振子實驗

利用氣墊導軌做彈簧振子實驗，用軟彈簧連接滑塊，將滑塊拉離平衡位置后放手，觀察滑塊的振動范圍。

師：實驗現(xiàn)象是什么？實驗說明了什么？

滑塊受哪些力？哪些力做功？

根據(jù)實驗現(xiàn)象，說說動能和彈性勢能轉(zhuǎn)化過程中所遵循的規(guī)律，可得到怎樣的結(jié)論？

生：滑塊可以回到原來釋放的初始位置，說明滑塊在滑動過程中遵循著某一個物理量的守恒規(guī)律。

滑塊受重力和彈簧彈力作用，但只有彈簧彈力做功。

在只有彈簧彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能與彈性勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變。

3.動能、重力勢能和彈性勢能之間的轉(zhuǎn)化

實驗3.傾斜彈簧振子實驗

將氣墊導軌一端墊起，重復實驗2。

師：實驗現(xiàn)象是什么？實驗說明了什么？

滑塊受哪些力？哪些力做功？

根據(jù)實驗現(xiàn)象，說說動能、重力勢能和彈性勢能轉(zhuǎn)化過程中所遵循的規(guī)律，可得到怎樣的結(jié)論？

生：滑塊可以回到原來釋放的初始位置，說明滑塊在滑動過程中遵循著某一個物理量的守恒規(guī)律。

滑塊受重力和彈簧彈力作用，在只有重力和彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能與重力勢能、彈性勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變。

筆者認為，由于有第1種情況作為基礎，學生是可以理解第2、3種情況的，所以不需要理論推導。

三、機械能守恒定律的歸納

結(jié)合前面的三種情況中，對規(guī)律的總結(jié)，引導學生歸納守恒定律，應讓學生在充分理解事物的本質(zhì)的基礎上進行，切不可把規(guī)律的內(nèi)容生硬地灌輸給學生。這樣做學生不可能理解規(guī)律的真正含義。

師：機械能守恒的內(nèi)容，請同學們做進一步的說明。

生：對單個物體，重力勢能和動能相互轉(zhuǎn)化，而機械能保持不變。

對水平放置的彈簧和物體構(gòu)成的系統(tǒng)，彈性勢能和動能相互轉(zhuǎn)化，而機械能保持不變。

對非水平放置的彈簧和物體構(gòu)成的系統(tǒng)，重力勢能、彈性勢能和動能相互轉(zhuǎn)化，而機械能保持不變。

師：守恒的條件是什么？

生：對單個物體，只有重力做功。

對水平放置的彈簧和物體構(gòu)成的系統(tǒng)，只有彈簧彈力做功。

對非水平放置的彈簧和物體構(gòu)成的系統(tǒng)，只有重力和彈簧彈力做功。

重力勢能的減少等于動能的增加，用這種方法解題不用確定零勢能面。

在這節(jié)課的教學設計中，可把機械能守恒分為三種情況。

①只有重力做功時，單個物體的動能和重力勢能相互轉(zhuǎn)化，但動能和重力勢能的和（機械能）不變。

②只有彈簧對物體做功時，水平方向的彈簧與物體所構(gòu)成的系統(tǒng)內(nèi)，動能和彈性勢能相互轉(zhuǎn)化，但動能和彈性勢能的和（機械能）不變。

③只有重力和彈簧的彈力做功時，彈簧與物體所構(gòu)成的系統(tǒng)內(nèi)，動能、重力勢能和彈性勢能相互轉(zhuǎn)化，但動能、重力勢能和彈性勢能的和（機械能）不變。

（責任編輯 易志毅）