“探究动能大小与哪些因素有关”实验的教学设计

缪美根

摘要：本文通过对“探究动能大小与哪些因素有关”这一实验的教学设计，介绍了如何根据新课程的要求进行科学的实验探究，对探究过程中的各个环节做了深入剖析并在教学结束后对本实验进行了总结和体会。

关键词：教材分析 能量概念 科学探究 改进尝试 总结体会

一、教材分析和实验教学设计的思想

《动能·势能·机械能》这节的实验有“探究影响动能大小因素”、“影响势能大小因素”及“动能和势能相互转化的单摆”实验等。而探究“影响动能大小因素”的实验是重点，因为“影响动能、势能大小因素”实验的探究方法基本相同，如果学生能自主完成“探究决定动能大小因素”的实验，那么完成后面的实验就水到渠成。而在设计实验时可以侧重让学生讨论、交流可行性实验方案，这样的设计思想旨在有效培养学生实验设计的能力，切实提高学生自主探究实验的能力。

二、实验教学设计的具体过程

1.举例引题，先建立能量概念。

动能、势能必须涉及什么是能量，而能量概念又比较抽象，对初中生来说，直接讲理解起来是有难度的。笔者认为首先举些学生在日常生活中常听到的“能量”俗语，如风能、水能、电能、太阳能等引入“能量”这个初步概念。再从实例中归纳出能量的定义，如流动的水、张开的弓、举高的铁锤等都能够对其他物体施力，并使其在力的方向上移动一段距离，即都能对其他物体做功，从而概括出能量的概念：一个物体能够对其他物体做功，就说它具有能量。做功越多，表明具有的能量就越大。当然具有能量的物体不一定做功，如放在高处的静止物体，并没有对其他的物体做功，所以具有能量的物体能够做功，或者说具有做功的本领。同时强调做功的过程就是能量的转化过程，因为一旦对别的物体做了功，物体的能量就会减小，甚至没有能量。通过这种抽丝剥茧、循序渐渐的方法引导学生、帮助学生逐步建立能量概念。

2.再多举生活实例，初步形成动能概念。

理解能量概念后，再引入动能概念就顺理成章了。通过书本上“运动着的锤子能将钉子钉入木板中”、“运动着的子弹能射穿鸡蛋”两个例子说明运动的物体也能够做功，也具有能量，帮助学生形成动能概念。再结合多媒体播放车祸、海啸摧毁建筑物、代表科学前沿的“水刀”等视频，让学生感知生活中运动的汽车、海啸具有很大的动能，造成的破坏力很强，“水刀”视频让学生认识到水不仅有柔的一面，水在高速冲击下像一把锋利的刀，可以切割坚硬的物体，通过视频震撼学生的心灵，颠覆学生传统的错误观念，进一步加深对动能的理解。

3.引导学生实验探究，培养学生的科学探究能力。

（1）引导学生提出影响动能大小因素的猜想。

运动着的物体因为能够做功，所以具有动能，并且做功越多，具有的动能就越大，说明动能有大有小。那么动能大小由哪些因素决定呢？针对这个问题笔者认为通过一些实例引导学生作出猜想。书本上的“高速公路限速标志牌”是比较好的例子，可以引导学生提出这么几个问题：第一个问题：为什么要限制汽车行驶的最大速度？因为汽车速度越快，动能可能会越大，所以要对汽车限速，说明汽车的动能可能与速度有关：第二个问题：为什么不同的汽车限制的最大速度不同？因为不同汽车质量不同，所以动能可能也不同，说明汽车的动能还可能与质量有关，还可以举“飞来的足球可以用脚踢，而飞来的铅球唯恐避之不及”等例子补充说明动能与质量有关。

（2）引导学生采用控制变量法探究影响动能大小因素。

初三学生控制变量法运用比较熟练，很容易在小组讨论、交流的基础上给出合理的实验设计思想，即探究动能大小与速度关系时，控制质量不变：探究动能大小与质量关系时，控制速度不变。如何保持质量不变，比较容易，但如何保持速度不变，这个实验方案在初二“探究阻力对运动物体的影响”实验中学习过，通过转换的方法把斜面高度转换成小车到达水平面的速度，因此，只要小车每次从斜面相同高度静止滑下，到达水平面的速度就相同。当时探究的是同一辆小车有这样的结论，那么不同质量的物体从斜面相同高度静止滑下时，到达水平面的速度也相同吗？书本上的信息快递直接给出结论，笔者认为让学生自主设计实验方案并验证这个结论是有价值的。因此，为了方便学生设计出控制速度相同的实验方案，可以给学生提供如下器材：斜面和水平面、两个形状相同的铁、铝圆柱体。实验操作是：让铁、铝二个圆柱体分别从两个斜面相同高度同时静止滚下，观察到它们同时到达水平面，说明不同质量的物体只要从相同的斜面高度滚下，到达水平面的速度就相同。事实上学生在语文课中学过《两个铁球同时落地》的课文，讲的就是伽利略从比萨斜塔上相同高度同时释放两个质量不同的铁球同时落地的现象。所以在探究动能与质量关系时只要让铁、铝二个圆柱体从斜面同一高度静止滚下即可控制它们在撞击木块时速度相同。由于圆柱体的动能无法直接测量，撞击木块的目的是为了让圆柱体对木块做功，圆柱体对木块做功越多，木块移动的距离就会越远。因此，实验中用推动木块移动的距离反映圆柱体的动能大小。在探究动能大小与速度关系时，学生很容易通过实验现象明白同一圆柱体从斜面高处滚下比低处滚下速度大的道理。

（3）规范探究过程，提高学生科学探究素养。

物理实验探究一般遵循提出猜想、实验设计、实验操作、收集实验数据、分析数据得出结论、相互交流作出评价等环节。这就要求学生按照一般的顺序进行实验探究，规范探究过程，提高学生的科学探究素养。

另外，在实验设计环节中还包括器材选择和实验表格设计，本实验可选择如下器材：铁、铝圆柱体，斜面和水平面、纸盒、刻度尺。实验记录数据表格可按如下设计。

三、课堂教学过程中改进实验设计的尝试

“探究影响动能大小因素”实验，虽然教材上没要求学生分组，但很多老师在实际教学过程中安排了学生分组实验。但笔者认为教材上的实验器材和某些操作如作调整，效果更好。

1.用硬纸盒代替木块，因为纸盒比较轻，推动它时移动的距离长短较明显，并且碰撞时不易弹开。

2.教材上是用小车来推动木块做功，一旦斜面没放正或有倾斜，小车容易从斜面滑落，或者即使不滑落小车有了偏差，推力不在木块中间，会影响木块滑行距离；如果改用较长的圆柱体（如铁、铝圆柱体）横放斜面滚下，就可以克服小车的这些缺点。

3.教材是通过增加钩码改变小车质量，因此，当斜面较陡时，小车从斜面冲下时会因撞击水平面而受到一个较大的阻力，小车上的钩码容易飞出，存在安全隐患；如果改用二个形状相同的铁、铝圆柱体代替小车，则既改变质量又比较安全。

4.把斜面与水平面的连接处改为弧形，可以克服圆柱体滚下时受到一个较大的阻力，不影响圆柱体在水平面上的速度。

5.另外，如果在斜面和水平面中间开一条光滑的沟槽，斜面与水平面平滑连接，同时两沟槽端口对齐，用形状相同的铁球或铝球沿着斜面沟槽滚下推动纸盒，这样的实验改进比较理想，实验效果很好。

四、实验后的总结与体会。

本节内容中“探究影响动能大小因素”实验是课堂教学重点，学生自主完成本实验的探究后，以此为范例可以自主完成“影响势能大小因素”的实验探究，也为以后的类似的实验探究提供参考。另外，在探究动能与质量关系时，引导学生设计如何控制速度相同，并用实验加以验证，这种设计思想和方法在学习物理过程中十分可贵，应加以推广。

总之，学生通过本实验自主探究，主要收获在于一方面可以提高学生实验设计和科学探究实验的能力，培养学生实事求是的科学态度，并使学生弄清什么时候该用什么样的方法进行科学探究，而不是仅仅告诉学生什么是控制变量法。另一方面通过实验探究加强学生动手能力，锻炼学生的交流评价能力。