《機械能守恒定律》探究式課堂教學案例

摘 要：解決高中物理問題通常從兩方面入手，一是從“力”的角度，用牛頓運動定律解決，二是從“能”的角度，用能量守恒解決。由于牛頓運動定律的局限性，只適用于宏觀、低速的物體，所以用能量守恒解決力學問題更突顯出其優越性，適用于自然界任何規律。而機械能能守恒定律又是能量守恒定律的一個特例。因此，學好《機械能守恒定律》，既能讓學生解決力學問題多一個法寶，又能幫助學生在學習物理中培養“轉化和守恒”思想，提高科學素養。本案例主要從“機械能守恒條件”入手，以學生探究為主體，發展學生物理思維為導向，取得良好的效果。

關鍵詞：高中物理；理論探究；教學案例

一、 情境引入，貼近生活

物理是一門實驗學科，以實驗為基礎。新課教學，采用“巨型單擺”實驗引入——在教室的天花板上懸掛了一個用大鐵塊制的“巨型單擺”，學生將大鐵塊從自己的鼻尖處靜止釋放，在等待大鐵塊擺回來的過程中，學生發出了一片驚嘆聲！通過演示實驗，認識了勢能和動能是可以相互轉化的，又鼓勵學生列舉生活中的實例——瀑布、蕩秋千、回力車、弓箭……一下子課堂氣氛活躍起來，學生的注意力都集中到了課堂上。

二、 理論探究，層層遞進

在學生認識到物體在運動過程中動能與勢能相互轉化，引導學生思考機械能是否存在某種規律。

學生答：總的機械能是守恒的。

老師問：果真是這樣嗎？

情境1：物體在真空中自由下落，經過高度為h1的A點時速度為v1，經過一段時間后，運動到高度為h2的B點時速度為v2（如圖1）。應用所學過的知識，分析物體下落過程中在A、B兩位置的機械能數量關系。以地面為重力勢能的參考面，重力加速度為g。

圖1

EA=mgh1+12mv21

EB=mgh2+12mv22

學生依據動能定理，很容易得到：

mgh1-mgh2=12mv22-12mv21

mgh1+12mv21=mgh2+12mv22

可見，在自由落體運動中動能與勢能相互轉化，而總的機械能保持不變。

繼續提問：那如果下落過程中受到恒定阻力，總的機械能還守恒嗎？

mg（h1-h2）-f（h1-h2）=12mv22-12mv21

mgh2+12mv22=mgh1+12mv21-f（h1-h2）

可見，若下落過程中受到恒定阻力f，總機械能是不守恒的。

老師提問：問題出在哪？為什么現在機械能又不守恒了？

學生回答：自由落體運動只受重力，現在受到空氣阻力了。

繼續追問：是因為除了重力，又多了一個力的緣故嗎？大家繼續探究。

情境2：若不計空氣阻力，物體由光滑斜面下滑（如圖2），總機械能是否存在某種定量關系？

圖2

學生依據動能定理可知，物體受到重力和支持力，但WN=0，故

mgh1-mgh2=12mv22-12mv21

mgh1+12mv21=mgh2+12mv22

可見，若不計空氣阻力，物體由光滑斜面下滑，總機械能是守恒的。

老師提問：大家發現此時除了重力外，還有支持力，為什么也是守恒的？

學生回答：關鍵是要看除重力以外的力是否做功了。

此處有掌聲，歸納得非常到位，學生在自己的理論探究下，完成了本節課的難點突破——機械能守恒條件。

滿足機械能守恒的條件：

1. 只受重力；

2. 除重力外，還受其他力，但其他力不做功；

3. 除重力外，還受其他力，但其他力做功代數和為零。

外延：同樣可以證明，在只有彈力做功的物體系統內，動能和彈性勢能可以相互轉化，總的機械能保持不變。

歸納總結：機械能守恒定律內容：只有重力做功或彈力做功的物體系統內，動能與勢能可以相互轉化，而總的機械能保持不變。

再通過觀看微視頻——單擺實驗，加深印象，體會機械能守恒的滿足條件。

提問課前巨型單擺實驗在擺回來的時候，那位同學要不要那么緊張？

學生答：不需要。因為大鐵塊頂多回到鼻尖處，不會撞到鼻尖。

三、 學生主體，事半功倍

通過本節課，有如下幾點思考：

（一） 更新觀念，尊重學生

傳統課堂，以教師講、學生聽為主，教師把所有的方法和遇到的問題都一一講完，學生課堂參與度不高，課堂練習用新學到的公式去套，并不理解，導致課后作業不會做，不知道用哪種方法，這就是學理科的一個怪圈——聽得懂，不會做。那問題就是出在，在選用解題方法時，為什么可以用這個方法，為什么用這個方法可以簡便。所以本節課我把自己定位為引路人，拋出問題，讓學生參與進來，自己去尋求解決的辦法，并總結歸納。

（二） 多種形式，活躍氣氛

本節課采用多樣化的探究形式。實驗法，情境引入——“巨型單擺”，既有刺激性，又有吸引力，立刻把學生拉到課堂上來。教學過程中——演示實驗“回力車”和“滾擺”，增強課堂的趣味性。微視頻《單擺》的加入，讓定性分析又多了直觀上的視覺沖擊，加深印象。最后再回應一下導入實驗——“巨型單擺”，用新學知識去解釋，完美形成了呼應。理論法，師生互動用理論來探究猜想結果，由易到難，發現問題，解決問題。這樣一節課，學生在玩中學，學中玩，真正體現出物理來自于生活，也應用于生活。

（三） 由淺入深，突破難點

本節課的教學難點是機械能守恒定律的適用條件，在教學過程中，由淺入深，層層遞進，從最熟悉的自由落體運動開始分析，動能增加，勢能減少，根據動能定理很容易得到機械能是守恒的。接著，如果下落過程受到恒定阻力，是否還有機械能守恒的規律嗎？通過分析，不難發現，是不守恒的。此時學生已有初步概念，機械能守恒是有條件的，是因為受到了除重力以外的其他力，導致機械能不守恒。追問：光滑斜面，除重力外，還受支持力，是否還遵循機械能守恒的規律呢？學生分析發現此情境下，機械能是守恒的。于是，學生有了進一步的認識，判斷機械能是否守恒，不是看是否受其他力，而是看其他力是否做功，這樣，本節課的難點就不攻自破了，學生在情境中體會到了，自然也能總結除機械能守恒的使用條件。

作者簡介：

張靜，江蘇省南京市，南京市第二十九中學。