基于概念教学的机械能守恒定律的优化设计

赵祥莉 王志红 徐平川 张骏宇

摘 要：本文从概念教学和概念定义为切入点，引导学生通过实验的方法研究了动能和重力势能的相互关系。结果表明动能和势能在变化过程中总量保持不变，从而得到机械能的概念定义及机械能守恒定律。

关键词：机械能守恒定律；教学设计；概念教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）7-0034-3

1 教材分析和学情分析

机械能守恒定律属于物理规律教学，是对功能关系的进一步认识，是学生理解能量转化与守恒的铺垫。教材从理论推导的过程中强调学生对动能定理和功能关系的理解。学生经过势能、动能定理的学习，基本掌握了重力、弹力做功及相应的势能。而分析归纳能力还需进一步提高，守恒的思想尚需强化。

人教版教材首先以演示实验“小球能摆多高”，说明动能与重力势能之间是可以相互转化的，同理弹性势能也可以与动能相互转化，从而定义机械能。接着以动能与重力势能的相互转化为例，讨论动能与势能的相互转化存在什么样的定量关系。在教材中讨论了只有重力做功的情况，让物体沿光滑曲面滑下，运用动能定理和重力做功与重力势能的关系，理论推导出总的机械能不变的规律。最后，推广到在只有弹力做功的系统内，机械能也不变，总结得出机械能守恒定律[1]。

教材编排存在四点不足。一是在机械能定义时，忽视了科学概念定义的基本方法；二是忽略了能量守恒定律的学习放在机械能守恒定律之后；三是忽略守恒是全过程一直保持不变，教材的举例“物体沿光滑曲面下滑”只涉及初、末位置的守恒，并不能完全体现全过程[2]；四是缺乏对机械能守恒条件的认识。本文对该节教学内容和教学过程进行了合理优化。

2 教学目标和教学重难点

物理核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。基于对核心素养的理解，设计了如下的教学目标。

首先，从概念入手使学生理解科学概念的基本方法，知道机械能是表示动能与势能之和；理解物体在整个运动过程中总的机械能保持不变的规律为机械能守恒定律，深化学生对能量观念的认识。其次，通过构建自由落体运动这一过程模型，引导学生对数据进行定量分析，归纳总结动能和势能的关系，得出机械能的定义和机械能守恒定律；根据实验数据误差分析，猜想机械能守恒是否需要条件；通过实验对比探究，从功能关系出发理解本节课的难点，即机械能守恒的条件。

3 教学过程

为适应高一学生的认知和思维发展水平，本节课主要采用讲授法和实验法，结合讨论法和归纳法。通过创设物理情景引导学生观察思考，归纳总结得出概念和规律。教学设计如下。

3.1 创设学习物理概念的情景

播放运动员跳高和U型滑板这两个体育竞赛视频，创设完整的教学情景，引发学生思考：视频展示的运动过程中，动能和势能如何变化？

3.2 引导学生运用科学思维方法建立物理概念

3.2.1 定性实验演示，加强学生的感性认识

实验1 如图1所示，教师演示实验，将水平弹簧振子上的物体拉至左刻度处由静止释放，让学生有目的地观察物体运动的过程，观看物体能否回到原来的位置。总结得出在仅有弹力做功的系统内，动能和弹性势能之间的变化关系。

实验2 如图2所示，教师演示实验，把小刚球拉至等高线一侧，由静止释放小球。引导学生观察小钢球在运动的过程中，能否回到原来的高度？分析动能与重力势能的变化。通过这两个演示实验培养学生的观察能力和问题意识，将问题引向深入：动能和重力势能到底有什么定量关系？

定性分析动能的增加或减少总伴随着势能的减少或者增加，为接下来通过实验定量探究两者之间的关系作铺垫。

3.2.2 定量实验探究，体现全过程守恒思想

实验3 （介绍实验教具与实验原理）如图3所示，通过摄像机缓慢拍摄质量为m的铁片在真空管中自由下落的整个过程，管子后方贴有标尺，旁边放上计时计数毫秒仪用于计时。截取时间间隔为0.05 s的7个位置图片，每个点的位置如图4所示。计算出中间5个点的速度，得出其相应位置的动能。设位置E为零势能点，取南充地区重力加速度为9.76 m/s2，由Ep=mgh计算得出这些点的重力势能。结果如表1所示。

引导学生分析表格数据，得到实验结论：随着物体自由下落，重力势能不断减小，动能不断增加，且在实验误差允许的范围内，重力势能和动能之和为定值。接着表明：对只有弹力做功的系统，实验发现弹性势能和动能之和也保持不变。由于势能和动能的这种定量关系，结合概念的外延定义法[3]定义机械能：动能和势能之和，常用字母E表示。由此突出教学重点，得到机械能守恒定律：在只有重力或弹力做功的系统内，随着势能的變化，其动能也发生相应的变化，而总的机械能保持不变。

这样构建自由落体模型，将看得见的高度和速度的变化转化为守恒量的实验数据，形成了机械能概念定义的科学基础。根据概念定义的基本方法——外延定义法，定义机械能来表征由于运动而具有的能量，从而得出机械能守恒定律。由于表格中间三个点的动能与重力势能之和是逐渐减小的，说明物体的机械能逐渐减少，这就是受到器材的限制，牛顿管并不是完全真空的，存在空气阻力的影响。基于这样的数据分析，猜想机械能守恒是否需要条件，为下一步使用自制小教具探究机械能守恒的条件作铺垫。

3.3 选择具体问题，运用物理概念

实验4 把小钢球和乒乓球拉至等高线，由静止释放小球。教师引导学生观察小钢球和乒乓球在摆动的过程中的位置。画出小钢球和乒乓球的受力示意图，分析它们分别受到了哪些力。

教师发挥主导作用，引导学生用准确的物理语言回答问题，并分析实验现象。如图5所示，对于小钢球：它能回到原来的位置，过程中小钢球的机械能守恒。运动过程中小钢球受到重力、拉力和空气阻力，重力和空气阻力做功，但由于空气阻力与小钢球重力相比要小很多，故可以忽略阻力做功，小钢球的机械能守恒。如图6所示，对于乒乓球，它略低于原来的位置。可见，乒乓球的机械能在减小。在这过程中乒乓球也受到重力、拉力以及空气阻力，但乒乓球所受重力很小，空气阻力不能忽略，做负功，乒乓球的机械能减小。

引导学生总结小钢球和乒乓球的对比实验：只有重力做功时，物体的机械能才保持不变。同样，只有弹力做功时，物体的机械能不变。

应用自制的实验教具帮助学生突破难点：从能的转化和功能关系出发理解机械能守恒的条件；系统内可以受其他力的作用，只是除了重力或者弹力做功外，其他力不做功，从而强化学生对机械能守恒定律的理解。

4 总结与反思

以上设计中，采用视频片段和课堂演示实验，创设多个学生熟悉的物理情景，并与自由落体运动相结合，利用摄像机的缓慢拍摄功能得到相同时间间隔内铁片的位置，引导学生运用定量探究的方法，总结、构建机械能的概念。学生利用测量数据和其他实验结果，通过分析得出机械能守恒定律。另外，在具体问题中并没有选择以纯理论性的习题来巩固知识，而是选择了课堂演示实验，通过情境深化让学生学会从功能关系出发理解机械能守恒的条件。这种情景的创设，有利于学生将机械能守恒定律应用于不同的物理情景，提高解决问题的能力。

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心. 物理2必修[M]. 北京：人民教育出版社，2006：75-78.

[2]鲁世明. 科学探究“守恒定律”提高物理核心素养——以“机械能守恒定律”教学设计为例[J].物理教学探讨，2017，35（6）：31-35.

[3]杨建军.高中物理概念的定义方法和物理量的教学策略初探[J].基础教育研究，2013（12）：46-47.

（栏目编辑 邓 磊）