从理论到实验 从特殊到一般 凸显学生认知规律——5版本高中教材动能定理文本编排的比较研究及教学建议

刘富民

(陕西师范大学出版总社,陕西 西安 710062)

从理论到实验 从特殊到一般 凸显学生认知规律
——5版本高中教材动能定理文本编排的比较研究及教学建议

刘富民

(陕西师范大学出版总社,陕西 西安 710062)

从编排位置、动能表达式的得出、实验探究与理论探究动能定理及其应用等方面比较了5版本教材关于动能定理编排的异同,综合各版本教材的优势,基于学生学习基础,对这些关键环节分别给出了相关的教学建议．

动能定理;5版本教材;编排;比较;教学建议

动能定理在高中物理中有重要的地位．课标要求分别从实验和理论推导两个方面来探究得出动能定理,无论实验探究还是理论探究,都只要求探究恒力做功的情况．[1]这符合人们认识事物从简单到复杂、从特殊到一般的规律．

1 5版本教材关于“动能定理”编排的比较

1.1 安排位置上的比较

5版本教材都把动能和动能定律编排在高中物理必修2之中,但具体位置有所不同．使用不同版本教材的学生学习动能定理时的知识储备不同,面临的问题和困惑也不同,这也涉及学生学习过程是否能够在教材引领下由浅入深、由简单到复杂,循序渐进地学习．好的编排应该符合认知规律,使得学生学习过程中思路清晰,更易构建知识之间的联系．

人教版教材:必修2第7章第6节为“实验:探究功与速度变化的关系”，第7节为“动能和动能定理”.在此前，学生学过了曲线运动、功、功率、重力势能、探究弹性势能的表达式等知识．

粤教版教材:必修2第4章第2节“动能势能”中编排了动能的概念和表达式的推导,第3节编排了“探究外力做功与动能变化的关系”.在此前，学生学过了功、动能、重力势能等知识．

教科版教材:必修2第4章第4节为“动能 动能定理”.在此前，学生学过了功、功率、势能等知识．

沪科版教材:必修2第3章第1节为“探究动能的变化跟做功的关系”，第3节为“动能定理的应用”,而第2节为“研究功与功率”．在此前，学生学过抛体运动和圆周运动等知识．

鲁科版教材:必修2第2章“能量守恒与转化”的第1节为“动能的改变”.在上一章中，学生学过了机械功、功和能、功率等知识．

1.2 编排内容上的差异

(1) 差异的比较.

差异1:鲁科版教材在编排动能定理之前没有介绍曲线运动,其余4版本教材在此前都编排了抛体运动、圆周运动等内容．没有学习曲线运动,不能立即把动能定理的适用范围推广到一般情况．

差异2:沪科版教材对动能定理的探究和应用分2节编排,间隔了“研究功和功率”一节．这是因为沪科版教材在探究外力做功与动能变化的关系时,学生还没有学习功,对力与位移方向不相同时所做的功、功的正负以及多个共点力所做的功、变力做功等没有掌握,而这些是在应用动能定理时必备的知识,这样就增加了学习难度．

差异4:粤教、鲁科版教材在编排动能定理时已经编排了功能关系,而人教、沪科、教科版教材没有．功能关系比较抽象,是教学难点．在教学中能够通过实例分析,让学生理解功能关系,对动能定理的引入、推导、理解都大有裨益．

(2) 相关教学建议.

① 先学习曲线运动的章节,后学习机械能的章节,并且把动能定理的学习安排在功、功率之后.② 通过列举大量的实例分析后,让学生理解功能关系.③ 把动能、定能定理、动能定理的应用安排在一起．

2 得出动能表达式的比较

在5版本教材中,动能表达式的编排可分为如下两类．

鲁科版教材给出动能的概念后,提出问题:“物体动能的大小与哪些因素有关呢?”接着通过演示实验定性探究后,直接给出表达式．

教学建议:建议在定性实验探究的基础上,推导出表达式．定性探究实验,可以吸引学生的注意力,让学生更好地投入到学习中．理论推导符合动能的概念和动能定理的历史过程,这一过程体现了物理学前辈们的科学思维方式,又与学生的已有基础知识和实际认知水平相符合,以有利于历史追问与教学现实之间的有机结合．

3 理论探究与实验探究的比较

5版本教材都从理论和实验两方面探究外力做功与动能变化的关系,但是在理论探究、实验探究以及两者的先后安排上都有差异．

3.1 两者先后安排上的比较

人教、粤教、鲁科版教材先实验探究后理论探究,而沪科、教科版教材则先理论探究得出结论,后实验探究．先进行理论探究,使得实验探究有明确方向．如果先进行实验探究,要么动能表达式只能硬塞给学生,要么在实验探究中不提及动能的表达式和概念,在后面的理论探究中再给出．

3.2 理论探究上的比较

5版本教材中关于理论探究的物理情景分别如图1～图3所示.

图1 粤教版教材中的探究情景

图2 人教、教科、鲁科版教材中的探究情景

图3 沪科版教材中的探究情景

(1) 共同点.

① 都是物体在力F的作用下做匀变速直线运动,经过位移s后,速度由v1增加到v2.

③ 所给情景中力与运动方向都相同．

(2) 差异性.

① 粤教版教材中物体在水平方向受到两个力,恒定拉力F和阻力f,其余只有一个力．

② 沪科版教材中所举的例子,贴近生活,其余版本教材中设置的情景都是抽象后的纯物理情景．

3.3 实验探究上的比较

5版本教材都通过实验来探究外力做功与物体动能变化的关系,相关的实验探究装置分别如图4～图8所示．

图4 人教版教材中的实验装置

图5 沪科版教材中的实验装置

图6 教科版教材中的实验装置

图7 鲁科版教材中的实验装置

图8 粤教版教材中的实验装置

人教版教材:如图4所示，“小车在橡皮筋作用下弹出,沿木板滑行．当把2条、3条…同样的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次…实验时,使每次实验中橡皮筋拉伸的长度都保持一致…如果把第1次实验时橡皮筋做的功记为W,以后各次所做的功就是2W、3W…”“小车获得的速度可以由纸带和打点计时器测出．进行若干次测量,可以得到若干组功和速度的数据．”然后作出W-v图像，得到二者的定量关系．(在人教社最近刚修订的教材中，将实验装置中的拉力分别改为由重物和橡皮筋提供，其处理思路未变.)

教科版教材:如图6所示，“借用探究加速度与力、质量关系的实验装置打出的纸带及拉力F与小车的质量m的数据,量出起始点至各计数点的距离,计算小车在打下各计数点时的瞬时速度,进而计算出小车运动到打下各计数点过程中合外力对它所做的功以及所增加的动能ΔEk,看看它们是否相等．”

鲁科版教材:如图7所示，对实验方案做了详细的介绍,实验方案与沪科版教材相同．

粤教版教材:如图8所示，重物拖着纸带自由下落,打点计时器在纸带上打下一系列点．测出两纸带上点之间的距离,计算出打这两点时重物的瞬时速度、动能和动能的增量，求得打这两点的时间间隔内重力对物体做功．比较重力做功和动能的变化,到外力做功与物体动能变化的关系．

(1) 5版本教材探究方案的差异性.

① 平衡摩擦力方法不同．人教、粤教、教科、鲁科版教材采用把长木板垫高的方法,沪科教材用气垫导轨“消除”摩擦力．

② 测速度所用的核心器材不同．人教、粤教、教科、鲁科版教材用打点计时器,沪科版教材用光电门．

③ 提供拉力的方法不同．沪科、鲁科、教科版教材是采用悬挂钩码等重物来提供恒定拉力,粤教版教材是用重物的自身重力来提供恒定拉力,人教版教材则由橡皮筋对小车提供弹力来实现．

④ 研究的运动不同．人教版教材中是先做加速度减小的加速运动,然后做匀速运动;沪科版教材中研究的是在水平面上的匀加速直线运动;教科、鲁科版教材中研究的是在斜面上的匀加速直线运动;粤教版教材中研究的是自由落体运动．

⑤ 处理数据的方法不同．人教版教材采用作图法处理数据;粤教、教科版教材都采用列表法,并由教材给出表格;沪科版教材给出两种数据处理的方法,一是对比数据归纳法,二是作图法;鲁科版教材采用列表法,要求学生自己设计表格．

(2) 相关教学建议.

先理论探究后实验探究,用理论探究的结论指导实验探究,从而把实验探究变成定向探究,降低探究的难度．5版本教材的实验器材选取都符合课程标准(简称课标)中“打点计时器或光电计时器”的要求．粤教、教科、沪科、鲁科版教材符合课标要求的“恒力做功”,而人教版教材则是涉及变力做功问题．建议采用教科、沪科、鲁科版教材的实验装置来探究外力做功与物体动能变化的关系．数据处理时,建议先列表,后作图．通过列表记录数据,然后通过计算、分析、归纳得出结论,培养学生的归纳能力,而作图可以培养学生获取和处理信息的能力．

4 关于动能定理应用的比较

4.1 定理适用范围的推广

教材中对于动能定理是从简单的恒力做功和匀变速直线运动的情景，通过实验和推导得到,但其适用范围不局限于恒力做功和匀变速直线运动,还适用于变力做功以及曲线运动．人教、粤教、教科版教材都明确地推广了动能定理的适用范围．人教版教材还简述了证明方法，“当物体受变力作用,或做曲线运动时,把过程分成许多小段,认为物体在每小段运动中受到恒力,运动的轨迹是直线,这样也能得到动能定理．”沪科版教材仅给出了一个变力做功的例题．而鲁科版教材,由于学生还未学有关曲线运动的知识,没有推广定理的适用范围．

4.2 定理应用的比较

(1) 5版本教材的做法.

教科版和鲁科版教材中有定性分析与生产、生活联系的素材．教科版教材中介绍了飞机在航空母舰上的起飞、赛车在短时间的启动以及高速公路上开得快的车辆需要留有更长的制动距离等.鲁科版教材中有刹车、保龄球撞击球瓶的事例．粤教版和教科版教材在课后都提出了相关的实践活动．粤教版教材中安排有“测平抛物体时所做的功、估测自行车受到的阻力、收集汽车刹车距离与速度关系的数据,要求用动能定理进行解释；对于测变力所做的功,要求用平抛仪、弹簧测力计等器材测出小球沿斜槽下滑时摩擦力所做的功”．教科版教材则要求估测人手上抛石块时所做的功．

(2) 相关教学建议.

① 把动能定理的适用范围从特殊推广到一般,并指出也适用于曲线运动和变力做功的情况.② 讲解例题时,应引导学生自己归纳好应用动能定理解题的方法,要求学生用牛顿第二定律和匀变速直线运动的规律来求解直线运动中恒力做功的问题,从中比较两种方法的优劣.③ 开展课外实践活动,如何测定变力所做功等.这样的科技活动十分有趣,能吸引学生,并可帮助学生建立知识点之间的联系,促进他们的认知水平由单一结构向关联结构升华．

1 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M]. 北京:人民教育出版社,2003.

2017-02-13)