巧设问题情境 激发思维活力——例谈“机械能守恒定律”的教学设计

薄祥中

(江苏省东海高级中学,江苏东海 222300)

学起于思,思源于疑,疑解于问.问题是科学研究的出发点,是开启任何一门科学的钥匙.新课标特别强调问题意识的形成和培养,即让问题成为学生感知和思维的对象,从而在学生心里造成一种悬而未决但又必须解决的求知状态.这就需要教师在课堂教学中,适时、合理地创设问题情境,营造一种现实而富有吸引力的学习氛围,激发学生的思维活力,使学生处于“心欲求而未得,口欲言而不能”的状态,引导学生在教师创设的问题情境中不断地进行探索活动,使知识更好地被学生接受、内化.那么,如何来创设问题情境,激发学生的思维活力呢?本文以“机械能守恒定律”一节课为例,来谈谈教学设计的问题.

1 创设问题情境,引入新课

问题1:同学们坐过过山车吗?

生:有的回答坐过,有的回答没有坐过.

问题2:下面,大家看一段视频(有关人们坐过山车的一段影视资料,如图1所示.请同学们用两个字或一个字概括坐过山车的感觉.

生:用两个字概括“刺激”,用一个字概括“爽”!

师:这里带来一个过山车模型,下面我们演示小球的运动,请同学们注意观察.

教师演示小球的运动(如图2).

问题3:如果从能量的角度分析,你认为该实验说明了什么?

生:小球的动能和势能可以相互转化.

问题4:你能举出更多的动能和势能相互转化的事例吗?

生:从高处流下的河水;压缩的弹簧把物体弹出去;高山滑雪;荡秋千;等等.

用多媒体课件展示动能和势能相互转化事例的典型图片.

师:从上面的讨论可以看到,重力势能、弹性势能与动能可以相互转化.那么在能量相互转化的过程中,它们的总量是否发生变化呢?这节课我们就来探究和学习这方面的知识.

板书:第8节 机械能守恒定律

2 设计问题链,激发思维活力,进入新课教学

师:从同学们列举的事例中可以看到,重力势能、弹性势能和动能之间具有密切的联系,我们把它们统称为机械能.

板书:(1)机械能的概念:重力势能、弹性势能和动能统称为机械能.

(2)机械能的表达式:E=Ek+Ep.

问题5:动能和势能的相互转化是否存在某种定量的关系?

问题6:我们如何来探究这个问题呢?

生:可以通过实验探究.

通过多媒体展示,引导学生做小球摆动的探究实验.

图3

学生分组活动1:如图3所示,用细线、小钢球、带有标尺的铁架台等做实验.

用细线将小钢球悬挂起来,把小球拉到一定高度的 A点,然后放开,小球在摆动过程中,重力势能和动能相互转化.

观察现象:如图3所示.

问题7:通过探究,完成表1中的相关问题(投影表格).

思考问题,选出代表发表见解.

教师点拨:小球在摆动过程中受重力和绳的拉力作用.拉力和速度方向垂直,对小球不做功.只有重力对小球做功,重力做正功,重力势能减小,动能增加;重力做负功,重力势能增大,动能减小.

表1

学生总结:小球在摆动过程中重力势能和动能在不断转化.在摆动过程中,只有重力做功,小球总能回到原来的高度.可见,重力势能和动能的总和,即机械能总量应该保持不变.

学生分组活动2:将小钢球换成乒乓球再做实验,进一步观察现象,完成上述表格.

学生实验,思考问题,选出代表发表自己的见解.

学生们发现乒乓球很快停下来,引导他们分析原因(这是由于乒乓球受到空气阻力的作用).

问题8:小球有时摆到原来的高度,有时不能摆到原来的高度.什么情况下机械能总量保持不变?

学生小组讨论,探讨结论.

师生总结:在只有重力做功的情况下,重力势能和动能相互转化,机械能的总量保持不变。

问题9:刚才同学们通过实验探究了重力势能与动能相互转化间的定量关系,请问你们能否用理论知识来进行分析、推导吗?

图4

多媒体课件投影问题情景:质量为m的小钢球用细线悬挂,在摆动过程中(如图 4所示),经过高度 h1的A点时速度为v1,经过高度 h2的 B点处速度为v2,不计空气阻力,取最低点为参考平面,试用动能定理推导这两点间机械能之间的数量关系.

生(两人):上黑板板演推导过程.

分析与研究:小钢球从 A点运动到B点的过程中只有重力做功,根据动能定理可得

师生总结:在只有重力做功的情况下,重力势能和动能相互转化,机械能的总量保持不变.

问题10:弹性势能与动能的转化是否满足此规律呢?

演示实验:小钢球做的往复运动(图5所示).

学生观察现象.

问题11:这个实验中,小球能否回到原来的位置?是什么能量之间的转化?转化有什么规律?

生:小球能回到原来的位置.在运动过程中,弹性势能和动能相互转化.在转化过程,其机械能不变.

师生总结:在只有弹簧弹力做功的情况下,物体的动能与势能可以相互转化,物体的机械能总量不变.

图5

问题12:如果物体既具有弹性势能又有重力势能,那么它们与动能之间的转化是否满足此规律呢?

生:可能也满足.

演示实验:小钢球在竖直方向运动的实验(图6所示).

问题13:这个实验中,小球能否回到原来的位置?是什么能之间的转化?转化有什么规律?

图6

生:小球能回到原来的位置.在运动过程中,重力势能、弹性势能和动能相互转化.在转化过程,其机械能不变.

师生总结:在只有重力或弹簧弹力做功的情况下,动能和势能可以相互转化,总的机械能保持不变.这就是机械能守恒定律.

板书:(3)机械能守恒定律的内容:在只有重力或弹力做功的情况下,动能与势能可以互相转化,而总的机械能保持不变.

(4)定律的表达式:E1=E2或 Ek2+Ep2=Ek1+Ep1.

(5)定律成立条件:只有重力或弹力做功.

3 移植应用,亲身检验,巩固新知

(1)说一说

①跳伞员利用降落伞在空中匀速下落中,机械能是否守恒?

参考答案:不守恒.因为跳伞员匀速下落,其动能不变,重力势能减少,所以机械能减少.

②掷出的铅球在空中运动过程中,机械能是否守恒(空气阻力不计)?

参考答案:守恒.因为铅球在空中只受重力作用.

(2)练一练

图7

如图7,桌面的高度为 h,质量为m的小球从离桌面高为H的地方自由下落,不计空气阻力,假设桌面处的重力势能为零,则小球落地之前的瞬间的机械能为

(A)mgh. (B)mgH.

(C)mg(H+h).

(D)mg(H-h).

参考答案:(B).小球在下落的过程中机械能守恒,落地之前的瞬间的机械能等于最高点的机械能,即mgH.

(3)算一算

把一个小球用细绳悬挂起来,就成为一个摆(如图8所示),摆长为 L,最大偏角为 θ.如果阻力可以忽略,小球运动到最低位置时的速度有多大?

解析:把最低点的重力势能设为零,小球从最高点向最低点运动过程中只有重力做功,机械能守恒.

小球在最高点时的机械能为

图8

小球在最低点时的机械能为

(4)归纳:应用机械能守恒定律的基本思路.

①选取研究对象,确定研究过程.②进行受力分析,考察守恒条件.③恰当地选取参考平面,确定初、末态的机械能.④运用守恒定律,列出方程求解.

4 归纳小结,升华新知

引导学生从知识及能力两个方面进行概括归纳.

(1)动能和势能的相互转化

①重力势能和动能的相互转化.②弹性势能和动能的相互转化.③重力势能、弹性势能和动能的相互转化.

(2)机械能守恒定律

①内容:在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能和势能能够相互转化,而总的机械能保持不变.②应用机械能守恒定律解决问题时,应首先分析物体运动过程中是否满足机械能守恒条件,其次要正确选择所研究的物理过程,正确写出初、末状态物体的机械能表达式,再根据机械能守恒定律列式求解.

(3)物理定律的研究方法

观察-实验-分析推理(理论证明)-应用.

总之,情境是放飞思想的舞台,问题是打开思维的钥匙.在物理课堂教学中只要教师与学生的思维剧烈碰撞而“产生火花”,就能开出鲜艳的思维“花朵”.