“机械能守恒定律”复习课教学目标的确定及实施

金加团

摘 要：机械能守恒定律是高中物理很重要的一条规律，只有新授课的学习是不完整的。只经历新授课学习的学生，其知识结构单一，还不能有效解决稍复杂一些的问题。在新授课的基础上，需要通过复习课进一步优化学生的知识结构。本文是在高中物理“基本经历、基本知识、基本思想方法和基本技能”教学目标视野下进行的专项复习课教学设计尝试。

关键词：“四基”目标；教学设计；机械能守恒定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）9-0073-4

机械能守恒定律是学生在对动能和势能有一个初步认识之后提出来的，在高中物理的能量学习中有重要的地位。从前后联系来看，这节课的内容有利于学生对功能关系的进一步认识。在理论推导的过程中，有利于强化学生对动能定理的理解。从思维方式上分析，能使学生初步建立守恒的思想。并且在探究、推理过程中，有利于培养学生的演绎推理能力、分析归纳能力和探索发现能力，领悟物理学研究方法和提高创造性思维能力。通过本节课的学习，学生不难掌握机械能守恒定律的表达式和运用机械能守恒定律求解比较简单的问题，但对具体问题中机械能守恒条件是否满足还有一定的困难，因此，对机械能守恒定律条件的理解是本节内容的难点。运用机械能守恒定律解答相关的问题，这一内容在整个高中力学中起着承前启后的作用，在物理学理论和应用方面十分重要，不同运动形式的转化和守恒的思想能指引我们揭示自然规律、取得丰硕成果。但这种思想和有关的概念、规律，由于其抽象性强，学生不易理解、掌握，学生要真正地掌握和灵活运用还是很困难的。因此，需要先学习比较简单的机械能守恒定律，然后再在复习课中逐步深入。

1 复习课教学目标的确定

学生在新课阶段习得的知识是局部的，与整个知识结构是分离的。例如，在新课学习时，虽然学生习得了机械能守恒定律的表达式和条件，但如果我们仔细分析学生已有基础和最终目标定位（能解决与机械能守恒定律应用相关问题），我们会发现学生缺乏机械能守恒定律应用的程序与规范，缺乏机械能守恒定律与其他物理规律选择时的策略，缺乏除重力（弹力）外的其他力做功不能分析时对机械能是否守恒的判断，还缺乏灵活选择机械能守恒定律应用时机的策略。

基于以上的认识，确定机械能守恒定律的复习课的“四基”教学目标如下：

基本经历：观察小球下落后细绳绷紧实验，感受细绳绷紧时机械能的损失；观察小球下落后细绳被钉子挡住实验，感受细绳被挡时机械能并不会损失。

基本知识：加深对机械能守恒定律的理解，能够从总量和变化量角度表达机械能守恒定律；能区分机械能守恒定律和动能定理的适用条件。

基本思想方法：能够针对不同的情况选择机械能是否守恒的判断方法，例如，分别从除重力和弹簧弹力外其他力不做功，能量只有在动能和势能之间转化，运动过程中是否出现细绳绷紧这种导致机械能损失的现象。能够在整个过程机械能不守恒，而局部过程机械能守恒的情况下，把握守恒时机，运用守恒定律。

基本技能：在运用机械能守恒定律解决问题时，依照规定的程序进行求解，例如，明确研究对象，进行三分析（受力分析、运动分析、做功分析），列方程求解。

2 复习课教学过程

问题情境1：如图1所示，倾斜角为θ的斜面固定在水平面上，若表面光滑，质量为m可视为质点的物体，从斜面上高度为h处从静止开始下滑，求物体滑到底端的速度大小。

问题情境2：如图2所示，曲面固定在水平面上，若表面光滑，质量为m可视为质点的物体，从高度为h处自静止开始下滑，求物体滑到底端的速度大小。

展示学生的求解方法：

讨论与小结：由于物体沿曲线运动时，物体受到的合外力是变力，无法用牛顿第二定律求得加速度。但由于曲面的支持力始终与速度方向垂直，下滑过程只有重力做功，用动能定理和机械能守恒仍能得到结果。说明了在解决变力和曲线运动的物理问题时，能量方法具有优越性，也应该是首选的方法。

问题情境3：如图3所示装置。BC为半径为R的圆弧轨道，竖直轨道与圆弧轨道相切于B点。AB间距离为h，h可调。弹珠从水平地面上A点竖直向上射出并能沿轨道运动。调节h高度，发现当h=2R时弹珠恰能从C点水平飞出。忽略一切摩擦，重力加速度为g。

（1）求弹珠从枪口射出时的速度。

（2）调节h，可以改变弹珠落点。试求弹珠刚好脱离轨道时弹珠落点离A的最远距离。

为了突出判断机械能守恒的条件，引导学生思考：

①子弹从A经B到C运动经历几个阶段？有哪些力做了功？

②为了表达机械能的大小，应该选何处为零势能点？

③子弹恰好从C飞出，速度为多少？

④子弹从C飞出，做什么运动？水平位移与哪些物理量有关？

⑤如果不规定零势能点，是否可以求解上述问题？

讨论与小结：一般来说，运用机械能守恒定律和牛顿第二定律解决问题应该遵循下列程序与规范：（1）确定研究对象和过程；（2）进行受力和做功分析；（3）选定零势能点；（4）立式求解；（5）分析结果的合理性。如果用机械能守恒定律的另一表述方式，即动能减小量等于势能增加量立式，求解时可以不规定零势能点，具有简洁性。

运用动能定理和机械能守恒定律的条件是除重力和弹簧弹力外其他力不做功，是否所有问题中除重力和弹簧弹力外其他力做不做功都是可以通过分析确定呢？

问题情境4：如图4所示，在没有弹性的棉质细绳一端系一小钢球，另一端固定。在固定点下方固定一枚钉子，拉直细绳，让小球从某一位置静止释放。

问：细绳在碰到钉子前后机械能是否守恒？

生：碰到钉子前后，细绳的拉力方向始终和小球的速度方向垂直，细绳拉力不做功，故机械能始终不变。